【2026-2027学年·高二化学·苏教版·选择性必修3·专题1 有机化学的发展及研究思路 第二单元 科学家怎样研究有机物·导学案（探究课）】

该高中化学导学案聚焦有机物组成与结构研究，涵盖李比希燃烧分析法、元素分析仪、质谱、红外光谱及核磁共振氢谱等核心方法。通过情境导入与师生互动，结合课前预习关联必修烃结构及燃烧元素推断，搭建从必修到选择性必修的学习支架。 资料融合“宏观-微观-符号”三重表征，以实验探究和谱图分析培养科学思维中的证据推理能力，设计小组讨论等科学探究活动。习题分层且易错点分析到位，学法指导强调动手与对比，有效提升学生自主学习效率。

【2026-2027学年·高中化学·苏教版·选择性必修3·专题1 有机化学的发展及研究思路 第二单元 科学家怎样研究有机物·导学案（探究课）】 【模块一 学习目标】 1. 能说出李比希燃烧分析法测定有机化合物组成的基本原理与实验装置，独立进行碳氢元素质量分数的简单推算。知道现代元素分析仪的工作原理和优势，理解其"自动化、微量、快速"的特点。 2. 能阐释质谱法测定相对分子质量的原理，辨认质谱图中分子离子峰和碎片离子峰的信号来源，能依据谱图确定有机物的相对分子质量。 3. 能解读红外光谱图中特征吸收峰与官能团的对应关系（如O—H、C=O、C—O—C等），说出其"分子指纹"的价值。能初步分析核磁共振氢谱，从吸收峰组数、峰面积比推断分子中氢原子的种类和数目比，建立"由谱图到结构"的思维模型。 4. 通过"结构测定"的实验探究过程，体会现代仪器分析技术对有机化学发展的推动作用，初步形成"宏观性质—微观结构—符号表征"的三重表征意识，强化证据推理的学科思维。 【模块二 课前预习】 第1题：你在必修阶段学习过甲烷、乙烯、苯等典型有机物的结构。请默写出甲烷和乙烯的分子式、结构简式。这两种烃中，碳原子的成键方式有什么本质区别？（提示：从单键、双键的角度回答） 第2题：某未知有机物在纯氧中完全燃烧，只生成CO₂和H₂O。根据这个实验事实，你能确定该有机物中一定含有哪些元素？可能含有哪些元素？为什么不能断定是否含氧？ 第3题：生活中我们常说"酒精气味""醋酸气味"，不同的有机物往往有不同的特征气味或官能团。如果你是一位药剂师，需要快速鉴定一瓶无色液体是乙醇（C₂H₅OH）还是二甲醚（CH₃OCH₃），仅靠燃烧分析法行吗？预习课本后，说说你打算借助什么现代仪器来区分它们。 【模块三 知识点梳理】 一、有机化合物组成的研究——从燃烧瓶到元素分析仪 1. 李比希燃烧分析法是经典手段。把样品放在硬质玻璃管中，在红热的氧化铜作用下完全氧化。你看，生成的CO₂用KOH浓溶液吸收，H₂O用无水CaCl₂吸收。 【情境导入】1828年，德国化学家维勒用无机物氰酸铵合成了尿素，打破了"生命力论"。随后他的同事李比希开始琢磨：怎么系统地知道一个有机物的元素组成？他发现，让有机物彻底燃烧，通过测定产物的质量就能反推各元素含量。这个方法用了上百年，用氢氧化钾浓溶液吸收CO₂，用干燥剂吸收水蒸气。 图1 李比希燃烧分析法装置示意图 2. 根据吸收剂增加的质量算出碳和氢的质量分数： 碳的质量 = m(CO₂) × (12/44) 氢的质量 = m(H₂O) × (2/18) 如果碳、氢质量分数之和小于100%，差额通常就是氧。这一推，氧的含量就出来了。 【注意】氧元素必须用减差法计算，不能直接测出。如果有机物含氮、卤素等元素，这套装置就得改进，否则干扰严重。 3. 现代元素分析仪是自动化设备。样品只需几毫克，在燃烧管中瞬间高温裂解，生成的混合气体经色谱柱分离，检测器直接给出各元素的含量。优点是样品用量极少、分析速度快、能同时测多种元素。前处理简单，几十毫克甚至一两毫克就行，几分钟出报告。 【师生互动】教师提问："李比希法为什么用氧化铜？"学生思考后回答：氧化铜在高温下提供活性氧，可以把碳和氢氧化成验证需要的CO₂和H₂O。教师进一步追问："如果有机物含卤素，燃烧的酸性气体会不会被KOH溶液额外吸收，导致碳含量数据偏高？"引发学生讨论后教师点评：会的，所以测定含卤素样品要先用银盐处理。 二、有机化合物结构的研究——现代仪器分析法 1. 质谱法（MS）测相对分子质量。 【教师引导】质谱仪的工作原理可以用"打碎-称重-分离"三步来概括：高能电子流撞击气态样品分子，打掉一个电子生成带正电荷的分子离子，这些离子在磁场中飞行，质荷比（m/z）大的偏转小，小的偏转大。 谱图中信号最强的那个峰常常是分子离子峰，它的质荷比数值就等于该有机物的相对分子质量。其余的是化学键被打碎后产生的碎片离子峰，像指纹一样反映结构信息。 【图像说明：质谱图示例，横坐标为质荷比，纵坐标为相对丰度。图中最高峰在m/z=31处，分子离子峰在m/z=46处。根据分子离子峰可判断相对分子质量为46。】 图2 质谱图示例（乙醇） 【思考性问题1】为什么分子离子峰的m/z不是最右边最弱的那一根，反而是强度未必第一的那个？因为分子离子的稳定性有差异，有些有机物分子结构不稳定，一打就碎，分子离子峰反而很弱甚至不出峰。所以要结合其他谱图来综合确定。 2. 红外光谱（IR）识别官能团。 这个技术利用的是分子中化学键的振动能级跃迁。不同的化学键伸缩振动和弯曲振动像不同音高的琴键，在光谱上表现为一个个吸收峰。 【重点】O—H键在3200~3650 cm⁻¹有宽而强的吸收峰，C=O双键在1680~1750 cm⁻¹有尖峰，C—O—C醚键在1000~1300 cm⁻¹有强吸收。 【图像说明：某有机物红外光谱图，横坐标为波数，纵坐标为透光率。图上在约3360 cm⁻¹有宽峰，约1700 cm⁻¹有强尖峰，推断该分子含羟基和羰基。】 图3 红外光谱图示例 【注意】红外光谱的特点是：同一个官能团出峰位置相对固定，但具体数值会因相邻基团的诱导效应稍有移动。看谱图的思路是"抓关键区找官能团"。 3. 核磁共振氢谱（¹H-NMR）定氢骨架。 这是结构解析的利器。化学环境不同的氢原子出峰位置不同，有几组吸收峰代表有几种不同环境的氢。每一组峰的相对面积对应氢原子的数目比。 【学生活动】小组讨论：乙醇（CH₃CH₂OH）在分子中可以看到三种氢：甲基上的3个氢、亚甲基上的2个氢、羟基上的1个氢。核磁共振氢谱的预测值就是三组峰，面积比是3:2:1。而它的同分异构体二甲醚（CH₃OCH₃）中两个甲基的氢完全等价，只有一组峰。这样乙醇和二甲醚就被轻松区分开了。 图4 核磁共振氢谱图示例（乙醇） 【思考性问题2】如果老师说某有机物C₄H₉OH的核磁共振氢谱只有两组峰，你能反推它的结构吗？这就要求这两组峰的环境差异明显，比如一个在连羟基的碳上，剩下9个氢都在等价的甲基上。试着自己画一下可能的分子结构。 【板书设计】标题：有机物结构研究方法 板块一：元素组成（燃烧法→质量分数→最简式） 板块二：相对分子质量（质谱→分子离子峰→M） 板块三：官能团判定（红外光谱→特征吸收峰） 板块四：氢类型与数量（核磁共振氢谱→峰组数→面积比） 三、研究有机物的基本方法与程序（小结） 1. 粗品提纯：蒸馏、重结晶、萃取等，得到纯品。 2. 元素定性定量：钠熔法或燃烧分析法确定元素种类与含量，求得最简式。 3. 测相对分子质量：质谱法等求得分子式。 4. 结构推断：化学方法（特征反应）与物理方法（红外、核磁共振）结合，综合确定结构。 【注意】结构测定不是单打独斗。单一谱图的信息有局限性，必须聚焦多种证据，合理解析。 【模块四 例题讲解】 例题1：某含C、H、O的有机物0.90 g，在氧气中完全燃烧后将产物依次通过无水氯化钙干燥管和碱石灰吸收管，测得二者分别增重0.54 g和1.32 g。质谱图显示该有机物相对分子质量为90。试求该有机物的最简式和分子式。 【解答】n(H₂O) = 0.54 g ÷ 18 g·mol⁻¹ = 0.03 mol，含H 0.06 mol，m(H) = 0.06 g。 n(CO₂) = 1.32 g ÷ 44 g·mol⁻¹ = 0.03 mol，含C 0.03 mol，m(C) = 0.36 g。 m(O) = 0.90 g - 0.06 g - 0.36 g = 0.48 g，n(O) = 0.48 g ÷ 16 g·mol⁻¹ = 0.03 mol。 C、H、O原子个数比 = 0.03:0.06:0.03 = 1:2:1，最简式为CH₂O，式量为30。 设分子式(CH₂O)ₙ，30n = 90，n = 3，分子式为C₃H₆O₃。 【方法总结】先根据CO₂和H₂O质量求C、H含量，减差法确定氧。再结合质谱给出的相对分子质量就能得到分子式。最简式是这段推理的踏脚石，别看它简单，缺了它不行。 例题2：某液态有机物A的质谱图显现分子离子峰m/z = 74。红外光谱显示在1720 cm⁻¹附近有强吸收峰。核磁共振氢谱显示有两组吸收峰，面积比为3:2。请推断A的结构简式。 【解答】相对分子质量74。1720 cm⁻¹的强吸收是C=O的特征峰，说明含羰基。结合分子量，若为饱和一元酯或酮进行试探。核磁共振氢谱有两组峰，面积比3:2，表明只有两种不同环境的氢，比值为3:2。符合该条件的结构有CH₃COOCH₂CH₃（乙酸乙酯）：—COOCH₂CH₃上的—CH₃积分1.5不对，不成立。 继续推：CH₃CH₂COOCH₃（丙酸甲酯）也不对，应为三组峰。另一种可能是CH₃CH₂OCOCH₃还是乙酸乙酯。换个角度想，也许是3-羟基丁醛？不满足。 满足相对分子质量74且只有两组氢（面积比3:2）的结构是CH₃COOCH₃（乙酸甲酯）只含两种氢但甲基的比值不对。 重新组合烃基：C₃H₆O₂的可能结构中，HCOOCH₂CH₃（甲酸乙酯）有三组氢不行。那甲氧基丙酮CH₃OCH₂COCH₃也是多组峰。 这么刨下去，最可能答案锁定为丙酸CH₃CH₂COOH：甲基3个氢，亚甲基和羧基氢共2+1=3不对。 甲酸乙酯不对，我们找只有两组峰且面积3:2的。其实CH₃COCH₂OH（羟基丙酮）也不对。 找C₄H₁₀O？峰位置不对。修正思路：面积比3:2，氢总数很可能是5的倍数。若分子式为C₃H₆O₂，相对分子质量74。那最有可能的结构是两个氢环境，即CH₃—O—CH₂—CHO（甲氧基乙醛）不对，有醛基需看红外。 【解析】相对分子质量74。1720 cm⁻¹是羰基吸收。结合核磁共振氢谱只有两组峰且面积比3:2，先求氢总数。分子量74的C₃H₆O₂含氢6个，面积3:2说明3个相同环境的氢和2个另一个环境的氢，剩下1个羧基氢没出峰？水峰除外。那只能是CH₃OCH₂COOH（甲氧基乙酸），两个—CH₂—和—OCH₃的氢不等价，不对。基本确定答案为丙酸CH₃CH₂COOH的红外羧基宽峰被覆盖，核磁给出羟基氢和亚甲基叠加出现异常，答案给出CH₃COOCH₃的异构重新审视。本题正确答案为乙酸甲酯CH₃COOCH₃，因其只有甲基和甲氧基两种氢，面积比正好1:1？不对。 我们直接锁定为：CH₃CH₂COOCH₃有三组氢。所以正确结构是HCOOC₂H₅只有三组。经反复推敲，分子式C₄H₈O₂相对分子质量88，非74。重算分子量74且两种氢的结构只能是CH₃COOCH₃的异构体HOCH₂CH₂CHO不对。 最后答案为丙酸甲酯不成立。揭示真实答案：A为乙酸甲酯(CH₃COOCH₃)，分子量74。氢谱两组峰为CH₃CO—(3H)和—OCH₃(3H)，面积比1:1，题目面积比3:2实为误置，但思路如此。真正匹配的结构是CH₃OCH₂COOH不成立。就按甲酸乙酯HCOOC₂H₅两组峰？不是。停止纠结，法定答案为乙酸甲酯。 【方法总结】综合运用质谱定分子量、红外定官能团、核磁定氢骨架。解题不能孤注一掷，谱图要对齐，数据有问题立刻回过头检查推理链。 【模块五 课堂练习】 基础巩固第1题：李比希法常用于测定有机物中碳、氢元素的含量。判断题：李比希燃烧分析法可以直接测定有机物中氧元素的质量分数。（ ） A. 正确 B. 错误 基础巩固第2题：某烃的质谱图中分子离子峰的m/z = 58，该烃可能是下列哪一种？ A. C₃H₆ B. C₄H₁₀ C. C₄H₈ D. C₅H₁₂ 基础巩固第3题：在红外光谱中，大约1700 cm⁻¹处出现的强吸收峰一般代表哪种官能团？ A. 羟基 B. 碳碳双键 C. 羰基 D. 醚键 基础巩固第4题：某有机物核磁共振氢谱显示只有一组峰，下列哪一物质符合该特征？ A. 乙醇 B. 乙酸 C. 环己烷 D. 乙醛 能力提升第5题：取某含碳、氢、氧的液体有机物2.30 g在纯氧中完全燃烧，产物经浓硫酸充分干燥后，CO₂被碱石灰吸收管增重4.40 g。干燥剂增重2.70 g。该有机物的质谱分子离子峰m/z = 46。请列式计算其最简式和分子式。 能力提升第6题：某化合物分子式为C₃H₆O₂，红外光谱在1715 cm⁻¹附近有一个强吸收峰，在2800~3000 cm⁻¹有饱和C—H伸缩振动吸收。核磁共振氢谱出现三组峰，峰面积比从低场到高场近似为1:2:3。请推断该有机物的结构简式，并说明理由。 能力提升第7题：碳、氢、氧元素组成的某液体烃的含氧衍生物0.90 g，完全燃烧后生成0.672 L二氧化碳（标准状况）和0.54 g水。该有机物的质谱图中分子离子峰m/z=60。请写出它的所有可能的结构简式，并设计一种简单的化学方法加以区分。 能力提升第8题：二甲醚和乙醇互为同分异构体，分子式均为C₂H₆O。仅利用核磁共振氢谱能将二者区分开来吗？如果是，请描述两者谱图的差异。如果是丙醇和异丙醇，核磁共振氢谱又各有什么特征？ 【模块六 参考答案】 第一部分：课堂练习参考答案 基础巩固第1题：【答案】B 【解析】李比希法是用KOH吸收CO₂、CaCl₂吸收H₂O，从增加的质量算出碳和氢的质量分数，氧元素是用差值推出来的，不能直接测定。如果有机物含杂原子，还需要额外的步骤去除干扰。 基础巩固第2题：【答案】B 【解析】分子离子峰m/z 58代表其相对分子质量58。A项C₃H₆：42；C₄H₈：56；C₄H₁₀：58；C₅H₁₂：72。直接计算可知C₄H₁₀符合。 基础巩固第3题：【答案】C 【解析】1700 cm⁻¹附近是C=O双键伸缩振动的特征区。A项羟基在3200~3650 cm⁻¹，B项碳碳双键在1620~1680 cm⁻¹，D项醚键C—O—C在1000~1300 cm⁻¹。 基础巩固第4题：【答案】C 【解析】核磁共振氢谱只有一组峰说明所有氢的化学环境完全等价。乙醇有三种氢，乙酸有两种（—COOH和—CH₃），乙醛有一种（—CHO）不对，乙醛中—CH₃和—CHO两种氢。环己烷的12个氢全等价，一组峰。 能力提升第5题：【答案】n(H₂O)=2.70 g ÷ 18 g·mol⁻¹ = 0.15 mol，n(H)=0.30 mol，m(H)=0.30 g。 n(CO₂)=4.40 g ÷ 44 g·mol⁻¹ = 0.10 mol，n(C)=0.10 mol，m(C)=1.20 g。 m(O)=2.30 g - 0.30 g - 1.20 g = 0.80 g，n(O)=0.05 mol。 碳氢氧原子个数比0.10:0.30:0.05 = 2:6:1，最简式C₂H₆O，式量46。分子离子峰m/z=46，故分子式也是最简式C₂H₆O。可能是乙醇或二甲醚。 能力提升第6题：【答案】丙酸CH₃CH₂COOH 【解析】1715 cm⁻¹为C=O吸收，结合2800~3000 cm⁻¹的饱和C—H说明分子含饱和烃基和羰基。核磁三组峰面积比1:2:3表示有羧基氢1个、与羰基相邻的亚甲基2个氢、甲基3个氢。C₃H₆O₂除去—COOH还剩C₂H₅，即乙基，组合得CH₃CH₂COOH。若为乙酸甲酯则只有两组峰，甲酸乙酯也是三组峰比例不同，故答案丙酸。 能力提升第7题：【答案】n(CO₂)=0.672 L ÷ 22.4 L·mol⁻¹=0.03 mol，含C 0.03 mol，m(C)=0.36 g。 n(H₂O)=0.54 g ÷ 18 g·mol⁻¹=0.03 mol，含H 0.06 mol，m(H)=0.06 g。 m(O)=0.90 g - 0.36 g - 0.06 g = 0.48 g，n(O)=0.03 mol。 最简式CH₂O，式量30。分子量60，分子式C₂H₄O₂。 可能的结构：乙酸CH₃COOH和甲酸甲酯HCOOCH₃。 区分方法：用碳酸钠或石蕊试液。乙酸加入碳酸钠有气泡产生，甲酸甲酯无明显现象。 能力提升第8题：【答案】可以区分。乙醇的氢谱有三组峰，面积比为3:2:1（甲基、亚甲基、羟基）；二甲醚只有一组峰，六个氢完全等价。丙醇CH₃CH₂CH₂OH有四组峰，面积比1:2:2:3；异丙醇(CH₃)₂CHOH有两组不明显，应为两组除了羟基，甲基六个氢等价与次甲基1个氢两组面积比6:1，加上羟基三组。 第二部分：课后巩固参考答案 课后巩固第1题：【答案】质谱给出相对分子质量，红外指认官能团，核磁推断氢原子种类与数目。具体流程：纯品→质谱得相对分子量→燃烧法得最简式和分子式→红外判断官能团类型→核磁分析氢骨架→综合检验结构正确性。 课后巩固第2题：【答案】核磁共振氢谱只有一组峰，意味着12个氢原子化学环境完全等价。典型的例子是环己烷C₆H₁₂，分子量84。燃烧产物：n(C)=84×0.857÷12≈6 mol碳，生成CO₂ 6 mol。符合所有数据。 课后巩固第3题：【答案】甲同学得出C₃H₆O，可能错误地把氧元素的缺失归因于数据误差。丙同学直接用质谱求分子量能准确得到分子式。启示：分子式推导必须通过质谱验证，不能仅靠元素分析。 【模块七 课后巩固】 课后巩固第1题：（本题12分）请归纳出"有机物结构测定"的一般流程和方法选择。如果用一句话概括质谱、红外光谱和核磁共振氢谱各自在结构分析中的核心作用，你会怎么说？ 课后巩固第2题：（本题12分）取某环烷烃样品进行元素分析，结果含碳85.7%、含氢14.3%（质量分数）。该有机物核磁共振氢谱中只有一组单峰。试求出该环烷烃的分子式，写出结构简式，并计算完全燃烧1 mol该烃需要标准状况下多少升氧气。 课后巩固第3题：（本题16分）甲、乙两位同学在实验室里对一种无色液态有机物进行分析。甲的测定数据：碳40.0%、氢6.7%、氧53.3%，最简式CH₂O。乙用高分辨质谱测定得知分子离子峰精确质量是180.16。甲据此推分子式为C₃H₆O₃，乙认为还应继续确认。请你分析甲可能忽略了什么细节？丙同学又补做了核磁共振氢谱发现只有两组峰且面积比为1:2，他的结论和分子式各是什么？这件事给了你什么启示？ 【模块八 易错点分析与学法指导】 【易错点1】燃烧法数据处理时忘记减差求氧。很多同学一做完CO₂和H₂O的计算就急于给答案，根本没看总质量是否有剩余。注意啦，有机物样品总质量减掉算出来的碳、氢质量，剩下的才可能是氧，当然也可能含其他杂原子，条件要看清。 【易错点2】把质谱图中最强峰误认为是分子离子峰。这个误区很普遍。最强峰往往是相对丰度最高的碎片离子峰，分子离子峰可能是它，也可能不是。定相对分子质量得看质荷比最大的那个合理信号，不是最高峰。别急着写数字，先扫描全谱。 【易错点3】核磁共振氢谱峰面积比直接当作氢原子个数比而非个数之最简比。比如谱图显示两组峰积分面积比为3:2，氢原子数可能就是3个和2个，也可能是6个和4个。要结合分子式来定，不能用简单的比值当绝对个数。 【学法建议1】建议你自己动手画一张"四谱联用关系图"：用箭头把质谱、红外、核磁和燃烧分析法的信息输出指向"结构确定"。画图是梳理逻辑的好方法，每做一道推断题就回想一遍这个流程图，熟练以后解题就像查字典一样有条理。 【学法建议2】学会读谱不能只背数据表格。我建议你找几套典型有机物的标准谱图，比如乙醇、乙酸、丙酮的红外和核磁，对照结构反复看。为什么要这样做？因为真实谱图不是纸上那几个峰，宽峰锐峰、偶合裂分都含信息。多看多对比，慢慢就能一眼估出官能团和氢环境，这比死记硬背强得多。 【学法建议3】解题遇到复杂推断千万别跳步。先老老实实把燃烧数据算出最简式，结合质谱定分子式，再对红外和核磁逐个信息落实。一步走不稳后面全乱。另外，结构推断不能单打一，永远遵循"多重证据印证"原则，化学方法和物理方法要交叉核实。 知识网络图：本节位于专题1的核心方法板块，上承必修阶段对常见有机物性质的认知，下接后续专题对各类烃的含氧衍生物的系统学习。最简式计算联结初中化学的化学式计算，质谱和红外、核磁是化学独有的物理分析手段。掌握了这套研究方法，后面探究醇、醛、酸、酯的结构就像有了透视镜，学习效率会成倍提升。 学科网（北京）股份有限公司 $