第一章 第二节 第2课时 有机化合物分子式和分子结构的确定-【金版新学案】2025-2026学年高中化学选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书word（人教版，单选）

第2课时　有机化合物分子式和分子结构的确定 [学习目标]　1.能说出测定有机化合物分子结构的常用仪器及分析方法，能结合简单图谱信息分析判断有机物分子结构。　2.通过测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，能确定有机化合物分子式；并能根据特征结构和现代物理技术确定物质结构。 任务一　确定实验式 1.元素定性分析 用化学方法测定有机化合物的元素组成。如一般情况下完全燃烧后：C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。 2.元素定量分析——确定有机物的实验式 (1)实验式 用元素符号表示化合物分子中元素种类和各元素原子个数最简整数比的式子，也称最简式。 (2)李比希法确定有机物的实验式 C、H、O的质量分数C、H、O的原子个数比实验式。 (3)元素分析仪法确定有机物的实验式。 [交流研讨]　某有机化合物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的水和二氧化碳，据此： (1)能否确定该有机物分子中含有氧元素？ 提示：否。 (2)能否确定该有机物分子中碳原子与氢原子的数目之比？ 提示：能。根据生成等物质的量的H2O和CO2，只能推断出该有机物分子中C、H原子个数比为1∶2，不能确定是否含有氧元素。 学生用书⬇第14页 1.某物质在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，则该物质可能是(　　) A.C2H6 B.C2H4 C.C2H5OH D.CH3OH 答案：D 解析：该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，即N(H2O)∶N(CO2)＝2∶1，则该物质中氢原子与碳原子个数之比为(2×2)∶1＝4∶1，化学式满足N(C)∶N(H)＝1∶4的是CH3OH，所以D正确。 2.A是一种只含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。其中碳的质量分数为44.1％，氢的质量分数为8.82％，则A的实验式是　　　　。 答案：C5H12O4 解析：由于A中碳的质量分数为44.1％，氢的质量分数为8.82％，故A中氧的质量分数为1－44.1％－8.82％＝47.08％，则N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈5∶12∶4，其实验式为C5H12O4。 3.某化合物6.2 g在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和5.4 g H2O。通过计算说明该有机物中是否含有氧元素。并确定该有机物的实验式。 　　　　　　 　　　　　　 答案：该有机物中含有氧元素；该有机物的实验式为CH3O。 解析：6.2 g－8.8 g×－5.4 g ×＝3.2 g，说明该有机物中含有氧元素。n(O)＝＝0.2 mol，n(C)＝n(CO2)＝0.2 mol，n(H)＝2n(H2O)＝0.6 mol，n(C)∶n(H)∶n(O)＝N(C)∶N(H)∶N(O)＝1∶3∶1，实验式为CH3O。 任务二　确定分子式 1.确定相对分子质量 (1)质谱法 ①原理：质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。 ②质谱图：以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标，记录结果所建立的坐标图。下图为某有机化合物的质谱图： 从图中可知，该有机物的分子离子峰的质荷比数值为46，即质荷比最大的数据就是样品分子的相对分子质量。 (2)计算法 ①标况密度法：已知标准状况下气体的密度ρ，摩尔质量：M＝ρ×22.4 L·mol－1(限于标准状况下)。 ②相对密度法：根据气体A相对于气体B(已知)的相对密度d：MA＝d×MB。 ③混合气体平均摩尔质量：＝。 2.确定分子式：分子式中各元素原子个数是实验式中各元素原子个数的整数倍。 1.某有机物样品的质谱图如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关)，则该有机物可能是(　　) A.甲醇 B.甲烷 C.丙烷 D.乙烯 答案：B 解析：由有机物样品的质谱图可知，质荷比最大值为16，则该有机物的相对分子质量为16。甲醇、甲烷、丙烷、乙烯的相对分子质量分别为32、16、44、28，则该有机物可能为甲烷。 2.某有机物质量为8.80 g，完全燃烧后得到22.0 g CO2、10.8 g H2O，该有机物的蒸气密度是相同条件下H2密度的44倍，则该有机物的分子式为(　　) A.C5H6O B.C5H12 C.C5H12O2 D.C5H12O 答案：D 解析：该有机物的蒸气密度是相同条件下氢气密度的44倍，则该有机物的相对分子质量为2×44＝88。8.80 g有机物的物质的量为＝0.1 mol，22.0 g CO2的物质的量为＝0.5 mol，10.8 g水的物质的量为＝0.6 mol，故1个该有机物分子中碳原子数目为＝5，氢原子数目为＝12，分子中C、H的相对原子质量之和为12×5＋1×12＝72；故1个该有机物分子中还含1个氧原子，则该有机物的分子式为C5H12O，故选D。 3.某烃蒸气折合成标准状况下的密度为3.215 g·L－1，现取3.6 g该烃完全燃烧，将全部产物依次通入足量的浓硫酸和碱石灰，浓硫酸增重5.4 g，碱石灰增重11 g。求该烃的分子式，写出计算过程。 答案：该烃的分子式为C5H12(计算过程见解析)。 解析：该烃的摩尔质量为M＝3.215 g·L－1×22.4 L·mol－1≈72 g·mol－1，则3.6 g该烃的物质的量为0.05 mol。该烃的燃烧产物中：n(C)＝n(CO2)＝＝0.25 mol，n(H)＝2n(H2O)＝×2＝0.6 mol，n(C)∶n(H)＝0.25 mol∶0.6 mol＝5∶12，此时碳原子全部饱和，所以，该烃的分子式为C5H12。 学生用书⬇第15页 任务三　确定分子结构 1.红外光谱 (1)原理：不同的化学键或官能团对红外线的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。 (2)作用：获得分子中所含化学键或官能团的信息。 (3)实例：下图为有机物A(分子式为C2H6O)的红外光谱图。 有机物A的结构简式可能为CH3CH2OH或CH3OCH3，由红外光谱图知A中含有C—H、C—O、O—H，故A的结构简式为CH3CH2OH。 2.核磁共振氢谱 (1)原理：用电磁波照射含氢元素的化合物，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不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。 (2)作用：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，吸收峰数目＝氢原子种类数，吸收峰面积比＝氢原子数目比。 (3)实例：下图为有机物A(分子式为C2H6O)的核磁共振氢谱。 由图可知A的分子中有3种处于不同化学环境的氢原子且个数比为3∶2∶1，可推知该有机物的结构简式应为CH3CH2OH。 3.X射线衍射 (1)原理：X射线是一种波长很短的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。 (2)作用：可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，用于有机化合物晶体结构的测定。 [交流研讨1]　某有机化合物的相对分子质量为74，其红外光谱图如下，思考并写出该分子的结构简式。 提示：CH3CH2OCH2CH3。 [交流研讨2]　化合物A和B的分子式都是C2H4Br2，A的核磁共振氢谱如图所示，请写出A的结构简式，并预测B的核磁共振氢谱上吸收峰的个数。 提示：由A的核磁共振氢谱图只有一个峰可得只含有一种化学环境的氢原子，A的结构简式为BrCH2CH2Br，而B的结构简式只能是CH3CHBr2，则其核磁共振氢谱上有2个吸收峰。 1.正误判断 (1)核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境的氢原子的种类和个数。(　　) 学生用书⬇第16页 (2)的核磁共振氢谱中有4个吸收峰，且峰面积比为1∶2∶2∶1。(　　) (3)CH3COOCH3的核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰。(　　) (4)根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团。(　　) 提示：(1)错误。核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境的氢原子的种类和个数比　(2)正确。　(3)错误。CH3COOCH3的核磁共振氢谱图中有两个吸收峰　(4)正确。 2.有机化合物A的谱图如图，根据谱图可推测其结构简式为(　　) A.CH3OCH3 B.CH3CH2OH C.CH3CH2CHO D.HCOOH 答案：B 解析：由核磁共振氢谱图可知该有机物分子中有 3 种不同化学环境的氢原子，符合该条件的有 B、C两个选项，由质谱图可知该有机物的相对分子质量为46，由红外光谱图可知该有机物分子中含有—OH，应为 CH3CH2OH。 3.有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水，分析元素组成发现，该物质中碳元素的质量分数为60.00％，氢元素的质量分数为13.33％，它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰。下列关于有机物X的说法不正确的是(　　) A.含有C、H、O三种元素 B.相对分子质量为60 C.分子组成为C3H8O D.结构简式为CH3CH(OH)CH3 答案：D 解析：有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水，分析元素组成发现，该物质中碳元素的质量分数为60.00％，氢元素的质量分数为13.33％，因此还含有氧元素，其质量分数是100％－60.00％－13.33％＝26.67％，所以C、H、O三种原子的个数之比是∶∶≈3∶8∶1，即最简式为C3H8O。由价键规律知3个碳原子最多结合8个氢原子，所以分子式是C3H8O，相对分子质量为60。它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰，则含有羟基，所以其结构简式为CH3CH2CH2OH，故D项错误。 确定有机化合物结构的方法 1.(2024·河南南阳高二检测)确定有机化合物组成和结构的方法有很多，下列说法错误的是(　　) A.质谱仪可用于有机物相对分子质量的测定 B.异丁烷的核磁共振氢谱中有2组峰 C.红外光谱可检测未知物中是否含单键、双键、氢键等化学键 D.X射线衍射法鉴别某有机物是否属于晶体 答案：C 解析：用质谱仪测定的有机物的最大质荷比就是该物质的相对分子质量，A正确；异丁烷结构简式是，三个甲基上的氢原子所处的化学环境相同且与甲基碳上氢原子不同，故异丁烷的核磁共振氢谱中有2组峰，B正确；红外光谱可测定化学键及官能团，则通过红外光谱可检测其结构中存在的多种单键、双键等化学键，而氢键不属于化学键，C错误；X射线衍射法是区分晶体和非晶体的最科学的方法，故用X射线衍射法可以鉴别某有机物是否属于晶体，D正确。 2.(2025·广西南宁高二统考)101 kPa、100 ℃时，某物质相对H2的密度为21，其核磁共振氢谱如图所示，该物质可能为(　　) A. B. C. D. 答案：A 解析：101 kPa、100 ℃时，某物质相对H2的密度为21，则该物质的相对分子质量是M＝2×21＝42，根据其核磁共振氢谱图可知，该物质分子中只有一种H原子。环丙烷分子中H原子所处的化学环境相同，其分子式是C3H6，相对分子质量是42，符合题意，A正确；该物质分子中有三种化学环境不同的H原子，分子式是C3H6，相对分子质量是42，不符合题意，B错误；环己烷分子中H原子所处的化学环境相同，其分子式是C6H12，相对分子质量是84，不符合题意，C错误；该物质分子中有三种化学环境不同的H原子，分子式是C6H12，相对分子质量是84，不符合题意，D错误。 3.(2025·江苏无锡高二期中)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 学生用书⬇第17页 分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其质谱图、核磁共振氢谱与红外光谱如图，关于X的下列叙述正确的是(　　) A.化合物X的分子式为C8H10O2 B.由核磁共振氢谱可知，X分子中有3种不同化学环境的氢原子 C.符合题中X分子核磁共振氢谱、红外光谱的有机物有1种 D.X分子中所有的原子在同一个平面上 答案：C 解析：由质谱图可知，X的相对分子质量为136，n(X)＝＝＝0.05 mol，3.6 g H2O的物质的量n(H2O)＝＝＝0.2 mol，8.96 L(标准状况)CO2的物质的量n(CO2)＝＝＝0.4 mol，则X中n(H)＝2n(H2O)＝0.4 mol，n(C)＝n(CO2)＝0.4 mol，m(H)＝nM＝0.4 mol×1 g/mol＝0.4 g，m(C)＝0.4 mol×12 g/mol＝4.8 g，0.4 g＋4.8 g＜6.8 g，所以X中含有O元素，m(O)＝6.8 g－4.8 g－0.4 g＝1.6 g，n(O)＝＝＝0.1 mol，n(X)∶n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.05 mol∶0.4 mol∶0.4 mol∶0.1 mol＝1∶8∶8∶2，化合物X的分子式为C8H8O2，其核磁共振氢谱有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，说明X分子中含有4种不同化学环境的氢原子，苯环上有三种不同化学环境的氢原子，个数分别为1、2、2，所以侧链中含有—CH3，结合红外光谱可知，分子中存在酯基，且存在结构，故有机物X的结构简式为。化合物X的分子式为C8H8O2，故A错误；由核磁共振氢谱可知，含四组吸收峰，吸收峰的个数代表H原子的种类，则X中含有4种不同化学环境的氢原子，故B错误；符合题中X分子结构特征的有机物有1种，其结构简式为，故C正确；X为，分子的侧链中含有—CH3，甲基是四面体结构，所有原子不可能共平面，故D错误。 4.化合物A经李比希法测得其中碳元素的质量分数为72.0％、氢元素的质量分数为6.67％，其余为氧元素，用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。现代仪器分析有机化合物的分子结构有以下两种方法。 方法一：核磁共振仪可以测定有机化合物分子里不同化学环境的氢原子及其相对数量。如乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振氢谱有3组峰，其峰面积之比为3∶2∶1，如图1所示。现测出A的核磁共振氢谱有5组峰，其峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3。 方法二：利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团，现测得A分子的红外光谱如图2所示。 已知：A分子中只含一个苯环，且苯环上只有一个取代基。试回答下列问题： (1)A的分子式为　　　　　　。 (2)A的结构简式为　　　　　　　　(任写一种)。 (3)A的分子中只含一个甲基的依据是　　　　(填字母)。 a.A的相对分子质量 b.A的分子式 c.A的核磁共振氢谱图 答案：(1)C9H10O2 (2)(或 或) (3)bc 解析：(3)A的分子中只含有一个甲基的依据是A的分子式及A的核磁共振氢谱中有5组峰且峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3，故答案为bc。 学科网（北京）股份有限公司 $