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第一章
有机化合物的结构特点
与研究方法
第二节
研究有机化合物的一般方法
第2课时
有机物分子结构的确定
2
有机化合物实验式和分子式的确定
1
本节重点
本节难点
20世纪70年代初，屠呦呦等科学家提取了青蒿素，后通过元素分析和质谱法分析，确定其相对分子质量为282，分子式为C15H22O5。经红外光谱和核磁共振谱分析，确定其分子中含有酯基和甲基等结构片段。通过化学反应证明其分子中含有过氧基(—O—O—)。1975年底，我国科学家通过X射线衍射最终测定了它的分子结构。
元素
分析
质谱法
红外
光谱
核磁
共振
X射线
衍射
燃烧法(李比希法)
某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O ，其元素组成为_______________________。
最早定量分析有机化合物的元素的科学家
德国化学家李比希
(J. von Liebig，1803–1873)
李比希元素分析仪
如果碳与氢的百分含量相加达不到100%，而又检测不出其他元素，则差数就是氧的百分含量
肯定有C、H，可能有O
实验装置
将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定其实验式(又称为最简式)
确定实验式
简单的无机物
有机物
点燃
C→CO2
H→H2O
N→N2
S→SO2
Cl→HCl
元素定量分析的原理
表示化合物所含元素的原子种类及数目的式子，表示物质的真实组成
分子式
实验式(最简式)与分子式的关系：分子式=(最简式)n，若有机物的实验式中，碳原子已经达到饱和，则该物质的实验式与分子式相同
元素定量分析的原理
实验式 分子式
CH4 CH4
C2H6O C2H6O
CH2O C2H4O2
确定实验式
实验装置
吸收H2O
吸收CO2
确定实验式
根据吸收剂在吸收前后的质量差，计算出有机化合物中碳、氢元素的质量分数，剩余的就是氧元素的质量分数，据此计算可以得到有机化合物的实验式
m(C)＝ ×
12
44
m(CO2)
m(H)＝ ×
2
18
m(H2O)
若m(有机物) ＝ m(C)+m(H)，则说明该有机物中只含碳和氢两种元素
情况一
若m(有机物)>m(C)＋m(H)且完全燃烧只生成CO2和H2O，则说明有机物中含有C、H、O三种元素，其中m(O)=m(有机物)-m(C)-m(H)
情况二
确定实验式
【例题】某种含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%，试求该未知物A的实验式。
【解】(1)计算该有机化合物中氧元素的质量分数：
w(O)= 100%-52.2%-13.1%
= 34.7%
(2)计算该有机化合物分子内各元素原子的个数比：
= 2 : 6 : 1
答：该未知物A的实验式为C2H6O。
N(C) : N(H) : N(O) =
52.2%
12.01
13.1%
1.008
34.7%
16.00
:
:
李比希还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素定量分析方法，这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。
现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪，分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平
元素定量分析只能确定有机化合物分子中各组成原子的最简整数比，得到实验式。要确定它的分子式，还必须知道其相对分子质量。目前有许多测定相对分子质量的方法，质谱法是其中最精确而快捷的方法
质谱仪
质谱仪
分子离子
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_________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。
计算机对其分析后，得到它们的_________________的比值，即 。
原理
相对质量与电荷数
质荷比
确定分子式
如图为某有机物的质谱图：
从图中可知，该有机物的相对分子质量为____，即____________的数据就是样品分子的相对分子质量。
46
质荷比最大
质谱图
以_______为横坐标，以___________________为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。
质荷比
各类离子的相对丰度
确定分子式
【例1】某有机物的结构确定：
(1)测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%，则其实验式是________。
C4H10O
(2)确定分子式：如图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为______；分子式为_________。
C4H10O
74
【例2】某烃A蒸气的密度是相同状况下氢气密度的36倍，已知该烃中的碳、氢元素质量比为5∶1，则：
(1)该烃的相对分子质量为______。
72
解析　已知烃A蒸气的密度是相同状况下氢气密度的36倍，则烃A的摩尔质量为36×2 g·mol－1＝72 g·mol－1，所以该烃的相对分子质量为72。
(2)确定该烃的分子式为________。
C5H12
归纳总结：有机物相对分子质量的求算方法
根据气体A相对于气体B的相对密度D，MA＝D×MB
根据STP下气体的密度，Mr＝22.4×ρ
标态密度法
相对密度法
混合物的平均相对分子质量
读图法
质谱图中，质荷比最大值即为该有机物的相对分子质量
M＝m总/n总
确定分子式
红外光谱仪
核磁共振波谱仪
X射线衍射仪
确定比较复杂的有机化合物的分子结构，仅靠质谱法是很难完成的，需要借助其他现代分析仪器，进行红外光谱、核磁共振氢谱和X射线衍射等分析
红外光谱
原理
不同官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置
初步判断有机物中含有的 或 。
作用
官能团
化学键
确定分子结构
利用红外光谱来测定，分子中有O—H或—OH可确定其结构简式为______________
分子式为C2H6O的有机物，可能的结构：_____________或___________
红外光谱
示例
CH3CH2OH
CH3OCH3
CH3CH2OH
确定分子结构
核磁共振氢谱
原理
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，相应的信号在谱图上出现的位置不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与__________成正比。
测定有机物分子中氢原子的___________
作用
氢原子数
类型和数目
确定分子结构
核磁共振氢谱
示例
氢原子的类型数
氢原子个数比
吸收峰数目＝_______________，吸收峰面积比＝ ______________
由图可知，有____种不同化学环境的氢原子且个数比为___________，可推知该有机物的结构应为______________
分子式为C2H6O的有机物的核磁共振氢谱图
3
3∶2∶1
CH3CH2OH
确定分子结构
X射线衍射
原理
作用
X射线是一种波长很短的_________，它和晶体中的原子相互作用可以产生_______。
可获得分子结构的有关数据，如_______、______等，用于有机化合物_________的测定。
电磁波
衍射图
键长
键角
晶体结构
确定分子结构
【例1】为研究有机物X的组成与结构，进行了如下实验：
(1)有机物X的质谱图如图所示，该有机物X的相对分子质量为_______。
100
(2)将10.0 g X在足量O2中充分燃烧，并将其产物依次通过足量的无水CaCl2和KOH浓溶液，发现无水CaCl2增重7.2 g，KOH浓溶液增重22.0 g。该有机物X的分子式为_________。
C5H8O2
【例1】为研究有机物X的组成与结构，进行了如下实验：
(3)经红外光谱测定，有机物X中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰，峰面积之比为3∶1。该有机物X的结构简式为_______________。
(CH3)2C(CHO)2
解析　有机物X中含有醛基，有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰，则分子中含有2种不同化学环境的氢原子，其中一种是醛基中的氢原子，又峰面积之比为3∶1，则含两个醛基，故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
核磁共振氢谱图，可知：峰的个数即氢原子的种类数，而峰面积之比为各类氢原子个数之比
归纳总结：谱图法在确定有机物分子结构中的应用
红外光谱图，可知：有机物分子中含有哪些化学键、官能团，从而确定有机物的结构
X射线衍射图，可知：有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定
确定分子结构
确定有机物分子式(结构式)的一般思路
①C、H、O元素的质量或C、H、 O元素的质量比或C、H、 O元素的质量分数
②燃烧产物的物质的量或质量
①M=22.4ρ(标准状况下)
②M=dMr(d为相对密度，Mr为已知气体相对分子质量)
③质谱图
红外
光谱
核磁共
振氢谱
X射线
衍射
根据同分
异构体
根据化
学性质
求1 mol有机物中含各种元素原子的物质的量
有机物燃烧方程式、计算、讨论
分子式
结构式
实验式
相对分
子质量
紫外光谱
有机化学中应用最广泛的测定分子结构的方法就是四大光谱法：红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱。紫外吸收光谱(UV)和可见光谱一样，同属于电子光谱，都是由分子中价电子的能级跃迁产生的。主要用于有机化合物是否存在共轭体系的测定。
1．要确定某有机物的分子式，通常需要下列哪些分析方法
①元素分析法②质谱法③核磁共振氢谱法④红外光谱法
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
【答案】A
【详解】①元素分析法可用于确定有机物中的元素组成，②质谱法可以确定有机物的相对分子质量，③核磁共振氢谱法和④红外光谱法用于确定有机物的结构以及特殊的化学键结构，因此用于确定有机物分子式的是①②，故A正确；
故选：A。
2．某有机物的密度是相同条件下H2的28倍，则该有机物的键线式可能为
A．
B．
C．
D．
3．某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是
A．该化合物仅含碳、氢两种元素
B．该化合物中碳、氢原子个数比为1：8
C．无法确定该化合物是否含有氧元素
D．该化合物实验式为CH4O
【答案】D
【详解】A．根据以上分析，该化合物含碳、氢、氧三种元素，故A错误；
B．6.4g该化合物中含有0.2mol C、0.8mol H，碳、氢原子个数比为1：4，故B错误；
C．根据以上分析，该化合物含碳、氢、氧三种元素，故C错误；
D．6.4g该化合物中含有0.2mol C、0.8mol H、0.2mol O，该化合物实验式为CH4O，故D正确；
选D。
4．某有机物的质谱图如图所示，该有机物的结构简式可能是
A．
B．
C．
D．
【答案】A
【详解】由质谱图可知相对分子质量为78，78÷12=6 6，分子式为C6H6，为苯，故选：A。
5．某有机物A的质谱图、核磁共振氢谱图如下，则A的结构简式可能为
A．HCOOH B．CH3CH2CHO
C．CH3CH2OH D．CH2=CHOCH3
第二节
研究有机化合物的一般方法
第2课时
有机物分子结构的确定
质谱法
红外光谱
有机化合物实验式和分子式的确定
燃烧法(李比希法)
现代化的元素分析仪
核磁共振氢谱
X射线衍射
THANKS

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