1.2 第2课时 确定有机物的实验式、分子式和分子结构（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学选择性必修3（人教版2019 单选版）

第2课时　确定有机物的实验式、分子式和分子结构 课程标准 核心素养目标 1.知道红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。 2．能说出测定有机化合物分子结构的常用仪器分析方法，能结合简单图谱信息分析判断有机化合物的分子结构。 1.科学探究与创新意识：能列举物质组成和结构测定的仪器分析方法，能运用仪器分析的数据或图表推测简单物质的组成和结构。 2．证据推理与模型认知：结合李比希燃烧法，根据有机化合物的质量及生成CO2 、H2O的质量，确定有机化合物的分子式，形成定量研究有机化合物组成的认知模型。 [对应学生用书P18] 一、确定实验式和分子式 1．确定实验式 (1)元素定量分析的原理 (2)李比希法的原理 2．确定分子式 (1)质谱法测定有机化合物的相对分子质量 ①质谱法的原理 ②质荷比 有机分子离子或碎片离子的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果，就得到有机化合物的质谱图。 质谱图中质荷比的最大值等于该有机物的相对分子质量，与相对丰度无关。 (2)确定有机化合物的分子式 计算依据：有机物的相对分子质量＝实验式(最简式)的相对质量×n(n取整数)。 二、确定分子结构——波谱分析 1．红外光谱 原理 有机化合物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，通过红外光谱仪的记录形成该有机化合物的红外光谱图，谱图中不同的化学键或官能团的吸收频率不同 作用 分析有机化合物的红外光谱图，可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息 2.核磁共振氢谱 (1)原理与作用 原理 ①氢原子核具有磁性，如果用电磁波照射含氢元素的化合物，其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象，用核磁共振仪可以记录到有关信号。 ②处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，具有不同的化学位移(用δ表示)，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比 作用 由核磁共振氢谱图可以获得有机化合物分子中有几种处于不同化学环境的氢原子及它们的相对数目等信息 (2)乙醇和二甲醚的核磁共振氢谱图比较 乙醇 二甲醚 核磁共 振氢谱 谱图中 的信息 ①有3种处于不同化学环境的氢原子； ②处于不同化学环境的氢原子的个数比为3∶2∶1 只有1种化学环境的氢原子 结论 乙醇的结构简式为CH3CH2OH 二甲醚的结构简式为H3OCH3 3.X射线衍射 原理 X射线是一种波长很短(约10－10 m)的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息 作用 用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息 ◆名师点拨 元素的定性和定量分析 (1)元素的定性分析是利用化学方法测定有机化合物的元素组成。 (2)元素的定量分析是利用化学方法测定有机物中各元素的质量分数。 ◆名师点拨 关于质谱法的解读 (1)质谱法并非只用于测定有机物的相对分子质量，借助质谱图中的碎片峰可测定有机物的分子结构。 (2)以质谱图中基峰(最大峰)的强度为100%，其余峰按与基峰的比值加以表示的峰强度即为相对丰度。 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ◆名师点拨 确定有机物分子结构的方法 (1)物理方法：主要有红外光谱法、核磁共振氢谱法、X射线衍射法等。 (2)化学方法：以官能团的特征反应为基础，确定有机物中含有的官能团。 ◆名师点拨 核磁共振氢谱及应用 (1)核磁共振氢谱只能确定处于不同化学环境的氢原子种类及相对数目，不能确定不同类型氢原子的具体数目。 (2)两个关系： ①吸收峰组数＝有机物中不同化学环境的氢原子种类数； ②吸收峰面积比＝不同类型氢原子相对数目比。 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)某有机物完全燃烧生成CO2和H2O，则该物质一定含有碳、氢、氧元素(　×　) (2)某有机物的核磁共振氢谱图显示含C—O、C—H和O—H的吸收峰，该物质的结构简式可能为CH3CH2OH(　√　) (3)在核磁共振氢谱图中，CH3CH3和CH3OCH3都只有1组峰，但化学位移不同(　√　) 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P20] 探究一__元素分析法确定有机物的实验式和分子式 化学上常用燃烧法确定有机物的组成。下图装置是用燃烧法确定有机物化学式常用的装置，这种方法是在电炉加热时用纯氧氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成。 [问题设计] (1)装置C(燃烧管)中CuO的作用是什么？装置E中所盛放试剂及作用分别是什么？ 提示：使有机物充分氧化生成CO2和H2O；碱石灰或氢氧化钠；吸收CO2。 (2)若准确称取2.40 g样品(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)。经充分燃烧后，管E质量增加3.52 g，管D质量增加1.44 g，试确定该有机物的实验式。 提示：管D增重1.44 g，则n(H2O)＝＝0.08 mol，n(H)＝0.08 mol×2＝0.16 mol。管E增重3.52 g，则n(CO2)＝＝0.08 mol，n(C)＝0.08 mol。样品总重为2.40 g，可得n(O)＝＝0.08 mol，则样品中n(C)∶n(H)∶n(O)＝1∶2∶1，故该有机物的实验式为CH2O。 (3)已知在相同条件下该有机物蒸气相对氢气的密度为30，试确定该有机物的分子式。 提示：在相同条件下该有机物蒸气相对氢气的密度为30，则其相对分子质量为30×2＝60；设该有机物的分子式为(CH2O)n，则有30n＝60，n＝2，故该有机物的分子式为C2H4O2。 (1)推断有机物的组成元素 (2)确定有机物分子式的基本思路 (3)确定有机物分子式的常用方法 方法描述 直接法 有机物的密度(或相对密度)→摩尔质量→1 mol有机物中各原子的物质的量→有机物的分子式 最简式法 确定各元素的质量分数→有机物的最简式有机物的分子式 商余法 此法用于确定烃的分子式，利用烃的相对分子质量除以14(CH2的相对质量)，看商值和余数：＝＝A…… 化学 方程式 利用有机反应中反应物、生成物之间定量关系确定有机物的分子式，常利用有机物燃烧等方程式求算分子式：CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O(烃燃烧通式)；CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O 【例1】 (2024·湖北鄂东南示范高中改革联盟期中)元素分析是有机化合物的表征手段之一。按下图实验装置(部分装置略)对有机化合物进行C、H元素分析。 回答下列问题： (1)将装有样品的Pt坩埚和CuO放入石英管中，先________________________，而后将已称重的U形管c、d与石英管连接，检查______________。依次点燃煤气灯______________，进行实验。 (2)O2的作用有______________________。CuO的作用是_________________________(举1例，用化学方程式表示)。 (3)c和d中的试剂分别是______、______(填标号)。c和d中的试剂不可调换，理由是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 A．CaCl2　　　　　　　　 B．NaCl C．碱石灰(CaO＋NaOH)　 D．Na2SO3 (4)Pt坩埚中样品CxHyOz反应完全后，应进行操作：______________________________。取下c和d管称重。 (5)若样品CxHyOz为0.023 6 g，实验结束后，c管增重0.010 8 g，d管增重0.035 2 g。质谱测得该有机物的相对分子量为118，其分子式为________。 答案：(1)通入一定的O2　装置的气密性　b、a (2)为实验提供氧化剂、提供气流保证反应产物完全进入U形管中　CO＋CuOCu＋CO2 (3)A　C　碱石灰可以同时吸收水蒸气和二氧化碳，而氯化钙只能吸收水蒸气 (4)先熄灭煤气灯a，继续吹入一定量的O2，然后再熄灭煤气灯b，待装置冷却后停止通入O2 (5)C4H6O4 解析：利用如图所示的装置测定有机物中C、H两种元素的含量，这是一种经典的李比希元素测定法，将样品装入Pt坩埚中，后面放置CuO作催化剂，用于催化前置坩埚中反应不完全的物质，后续将产物吹入两U形管中，称量两U形管的增重计算有机物中C、H两种元素的含量，结合其他技术手段，从而得到有机物的分子式。 (1)实验前，应先通入一定的O2排尽石英管中的空气，防止空气中的CO2和水蒸气影响实验结果，而后将已称重的U形管c、d与石英管连接，检查装置气密性，随后先点燃b处煤气灯后点燃a处煤气灯，保证当a处发生反应时产生的CO能与CuO反应生成CO2。 (2)实验中O2的作用：为实验提供氧化剂、提供气流保证反应产物完全进入U形管中；有机物氧化不充分时会生成CO，而CuO可将CO氧化成CO2，从而使有机物中的碳元素完全被氧化，反应的化学方程式为CO＋CuOCu＋CO2。 (3)有机物燃烧后生成的CO2和H2O分别用碱石灰和CaCl2吸收，其中c管装有CaCl2，d管装有碱石灰，二者不可调换，因为碱石灰能同时吸收水蒸气和二氧化碳，而氯化钙只能吸收水蒸气，调换后影响最后分子式的确定。 (4)反应完全以后应先熄灭煤气灯a，继续吹入一定量的O2，然后再熄灭煤气灯b，待装置冷却后停止通入O2，保证石英管中的气体产物完全被吹入两U形管中。 (5)c管装有CaCl2，用来吸收生成的水蒸气，则增重的质量为水蒸气的质量，由此可以得到有机物中氢元素的物质的量n(H)＝＝＝0.001 2 mol；d管装有碱石灰，用来吸收生成的CO2，则增重的质量为CO2的质量，由此可以得到有机物中碳元素的物质的量n(C)＝＝＝0.000 8 mol；有机物中氧元素的质量为m(O)＝0.023 6－0.001 2－0.000 8×12＝0.012 8 g，其物质的量n(O)＝＝＝0.000 8 mol；该有机物中C、H、O三种元素的原子个数比为0.000 8∶0.001 2∶0.000 8＝2∶3∶2；质谱测得该有机物的相对分子质量为118，则其化学式为C4H6O4。 1．(2023·哈尔滨高二期中)某有机化合物6.4 g，在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O，下列关于该有机物的说法正确的是(　　) A．该有机物仅含碳、氢两种元素 B．该有机物中碳、氢原子个数比为1∶4 C．该有机物属于烃 D．该有机物相对分子质量为64 B　解析：由有机化合物6.4 g，在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O可知，有机化合物中n(C)＝＝0.2 mol，n(H)＝×2＝0.8 mol，n(O)＝＝0.2 mol，碳、氢、氧原子物质的量之比为0.2 mol∶0.8 mol∶0.2 mol＝1∶4∶1，故该有机化合物的实验式为CH4O；由于CH4O中氢原子已饱和，则该有机物的分子式为CH4O。有机化合物中含有碳、氢、氧元素，属于烃的衍生物，A、C错误；有机化合物中碳、氢原子个数比为1∶4，B正确；有机化合物的分子式为CH4O，其相对分子质量为32，D错误。 探究二__通过核磁共振氢谱推断有机物的分子结构 有机物X是合成某抗菌消炎药物的中间体，其分子结构(键线式)及球棍模型如下： 　　 有机物X分子的核磁共振氢谱图如下(单位是ppm)： [问题设计] (1)有机物X分子中含有哪些官能团？是否属于芳香族化合物？ 提示：羟基、酯基、酮羰基；不属于。 (2)有机物X分子中有几种不同化学环境的氢原子？键线式中的Et代表什么基团？ 提示：8种；Et为—CH2CH3。 (3)若将X氧化为(Y)，判断Y的核磁共振氢谱图中吸收峰的组数及面积比。 提示：5；3∶2∶2∶2∶1。 (1)根据核磁共振氢谱确定有机物中不同化学环境的氢原子种类及数目之比 (2)由分子式确定有机物结构简式的一般思路 (3)不饱和度(Ω)在有机物分子结构确定中的应用(拓展应用) 【例2】 (2023·泰安高二统考)将6.8 g的X完全燃烧生成3.6 g的H2O和8.96 L(标准状况)的CO2，X的核磁共振氢谱图有4个峰且面积之比为3∶2∶2∶1，X分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其质谱图、核磁共振氢谱图与红外光谱如图。下列关于X的叙述错误的是(　　) A．X的相对分子质量为136 B．X的分子式为C8H8O2 C．X分子中所有的原子可能在同一个平面上 D．符合题中X分子结构的有机物的结构简式可能为 解答本题的思路如下： (1)根据质谱图信息X的相对分子质量为136； (2)结合数据分别计算n(X)、n(CO2)和n(H2O)该有机物的分子式； (3)推算X的不饱和度，结合有机物的分子式及核磁共振氢谱信息X的结构简式。 C　解析：由质谱图数据可知，X的相对分子质量为136，则n(X)＝＝0.05 mol；6.8 g X完全燃烧后生成水为n(H2O)＝＝0.2 mol，n(H)＝0.2 mol×2＝0.4 mol；CO2为n(CO2)＝＝0.4 mol，n(C)＝0.4 mol，则n(X)∶n(C)∶n(H)＝0.05 mol∶0.4 mol∶0.4 mol＝1∶8∶8，1个X分子中含有8个碳原子和8个氢原子，从而推知N(O)＝＝2，故X的分子式为C8H8O2，其相对分子质量为136，A、B均正确；X分子中只含1个苯环且苯环上只有一个取代基，其核磁共振氢谱图有四个吸收峰，说明分子中含有4种不同化学环境的氢原子，峰面积之比为1∶2∶2∶3，则四种氢原子个数之比为1∶2∶2∶3，结合红外光谱可知，分子中存在酯基等基团，故有机物X的结构简式为，D正确；X的结构简式为，分子中含有甲基，而甲基呈三角锥形，故所有原子一定不共平面，C错误。 2．(2024·深圳市七校联考)化合物M经李比希法和质谱法分析得知其分子式为C8H8O2，M的核磁共振氢谱有4个峰且面积之比为1∶2∶2∶3，M分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其红外光谱如图所示。下列关于M的说法正确的是(　　) A.M有酯基和苯基两种官能团 B．M在一定条件下可以发生加成反应、取代反应 C．符合题中M分子结构特征的有机物只有2种 D．M属于苯的同系物 B　解析：有机物M的分子式为C8H8O2，M分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其核磁共振氢谱有四个吸收峰，说明分子中含有4种不同化学环境的氢原子，峰面积之比为1∶2∶2∶3，则四种氢原子个数之比＝1∶2∶2∶3，结合红外光谱可知，分子中存在酯基，且苯环与C直接相连，故有机物M的结构简式为。M只含有酯基一种官能团，A错误；M分子中含有苯环和酯基，能发生加成反应和水解反应，B正确；符合题中M分子结构特征的有机物只有，C错误；M中还含有氧元素，不属于苯的同系物，D错误。 [对应学生用书P23] 1．某小组的同学在实验室研究一种有机物，按顺序采取以下步骤确定其结构，采用的方法不正确的是(　　) A．利用沸点不同蒸馏提纯该有机物 B．利用燃烧法确定该有机物的实验式为C2H6O C．利用质谱图确定该有机物的相对分子质量为46 D．利用红外光谱图确定该有机物分子中某种化学键的个数 D　解析：有机物往往易挥发，沸点低，且有机物间沸点相差较大，可利用沸点不同蒸馏提纯该有机物，A正确；利用燃烧法，可确定该有机物含有的元素种类及所含各元素的质量分数，进而确定其实验式，B正确；利用质谱图可确定该有机物的质荷比，即可得出该有机物的相对分子质量，C正确；利用红外光谱图可确定该有机物分子中含有的化学键类型，可确定有机物的结构，但不能确定某种化学键的个数，D错误。 2．(2024·葫芦岛市协作校联考)有机物R的核磁共振氢谱图如图所示，则有机物R的结构简式可能为(　　) A．CH3CH2CHO B．CH2===CHCH2CH3 C． D． A　解析：由图可知有机物R中存在三种不同化学环境的氢原子。CH3CH2CHO该有机物为丙醛，含有三种不同化学环境的氢原子，A正确；CH2===CHCH2CH3该有机物含有四种不同化学环境的氢原子，B错误；有机物含有四种不同化学环境的氢原子，C错误；有机物含有两种不同化学环境的氢原子，D错误。 3．(2023·九江高二统考)某有机物X质谱图、核磁共振氢谱图如下，则X的结构简式可能为(　　) A．CH3CH2OH B．CH3CHO C．CH3OCH3 D．CH3CH2COOH A　解析：由核磁共振氢谱图可知，有机物X有3种不同化学环境的氢原子，且个数之比为3∶1∶2，CH3CHO有2种不同化学环境的氢原子，CH3OCH3有1种不同化学环境的氢原子，B、C均错误；由质谱图可知，有机物X的相对分子质量为46，D错误。 4．2022年北大—清华生命联合中心团队在《自然》刊发重大成果：运用小分子实现细胞命运的重编码。下图为药物常见有机小分子X，下列有关X的说法不正确的是(　　) A．化合物X含有官能团是羟基、羧基和碳碳双键 B．化合物X的质谱图中最大质荷比为180 C．化合物X在核磁共振氢谱图中有8组峰 D．化合物X中的所有原子一定共平面 D　解析：根据X的结构简式可知，含有羟基、羧基和碳碳双键三种官能团，A正确；X的分子式为C9H8O4，相对分子质量为12×9＋1×8＋16×4＝180，则X的质谱图中最大质荷比为180，B正确；X分子结构不对称，有8种不同化学环境的氢原子，故核磁共振氢谱图中有8组峰，C正确；苯环、碳碳双键均是平面形结构，二者和与其直接相连的原子共平面，由于单键可以旋转，故化合物X中的所有原子不一定共平面，D错误。 5．芳香族化合物X具有浓郁的茉莉花香气，是一种重要的香料。X仅含C、H、O三种元素，取6.00 g X与纯氧在加热条件下充分反应，实验如图所示： (1)实验结束后，发现装置B增重3.60 g，装置C增重15.84 g。X的最简式为________。 (2)装置D中盛装的药品为________，若省去装置D，会导致测得的X分子中________元素质量分数偏高。 答案：(1)C9H10O2 (2)碱石灰　C(或碳) 解析：(1)装置B增重3.60 g，装置C增重15.84 g，即有机物X中碳元素的物质的量为＝0.36 mol，氢元素的物质的量为×2＝0.4 mol，氧元素的物质的量为＝0.08 mol，则X分子中C、H、O的原子个数比为0.36 mol∶0.4 mol∶0.08 mol＝9∶10∶2，则X的最简式为C9H10O2。 (2)装置D的作用为防止空气中的水和二氧化碳进入装置B、C中导致实验误差，装置D中应放入碱石灰，若省去装置D，会使得实验中测得二氧化碳的含量比实际大，导致X分子中碳元素质量分数偏高。 6．(2024·南阳高二期中)已知某有机物M含有碳、氢、氧三种元素，M中碳元素的质量分数为54.5%，氢元素的质量分数为9.1%。 (1)M的实验式为__________。 (2)已知M的蒸气密度是同温同压条件下二氧化碳密度的2倍，则M的分子式为________。 (3)用核磁共振仪测出M的核磁共振氢谱中峰面积之比为1∶3∶1∶3；利用红外光谱仪测得M的红外光谱如图所示。 M中官能团的名称为__________，M的结构简式为________________。 (4)写出所有含有羧基的M的同分异构体的结构简式：____________________________。 (5)M的同分异构体中属于酯类的有_____种。 答案：(1)C2H4O (2)C4H8O2 (3)羟基、酮羰基　 (4)CH3CH2CH2COOH、CH3CH(CH3)COOH (5)4 解析：(1)计算该有机物中氧元素的质量分数：w(O)＝100%－54.5%－9.1%＝36.4%，分子内各元素原子的个数比：N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝2∶4∶1，即实验式为C2H4O。 (2)M的密度是同温同压下二氧化碳密度的2倍，则M的相对分子质量为2×44＝88，设分子式为(C2H4O)n，则44n＝88，n＝2，则分子式为C4H8O2。 (3)根据核磁共振氢谱图中有4组峰，且峰面积之比为1∶3∶1∶3，说明分子中含有4种不同化学环境的氢原子，且个数比为1∶3∶1∶3，结合红外光谱图所示含有C—H、H—O、C===O等化学键，其结构简式为，所含官能团为羟基、酮羰基。 (4)M为，含有羧基的M的同分异构体的结构简式为CH3CH2CH2COOH、CH3CH(CH3)COOH。 (5)酯基为，含有酯基的M的同分异构体的结构简式为CH3COOCH2CH3、HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH(CH3)2、CH3CH2COOCH3，一共4种。 [课时梯级训练(4)见P170] 学科网（北京）股份有限公司 $$