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确定有机物的实验式、分子式与分子结构
第二节 研究有机化合物的一般方法
经过分离、提纯，得到纯净的有机物后，如何确定它的分子式，如何测定其结构，了解其化学性质的呢？
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定分子结构
蒸馏、
萃取、
重结晶等
元素定量分析
质谱法
波谱分析：
质谱、红外光谱、
核磁共振氢谱、
X射线衍射等
研究有机化合物的基本步骤：
一、确定实验式
测定有机化合物的元素组成，
以及各元素质量分数的化学方法
元素的定性分析
元素的定量分析
然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，确定实验式（最简式）
通过无机化合物的质量推算出该有机化合物所含各元素的质量分数
将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物，并进行定量测定
一、确定实验式
表示化合物分子中所含元素的原子数目最简整数比的式子。
实验式(也称最简式)：
1、元素分析
　
定性分析：鉴定有机物由哪些元素组成。
定量分析：鉴定分子内各元素原子的质量分数。
定量分析方法：
①李比希元素分析法
②现代元素分析仪
李比希元素分析法
取一定量仅含C、H、O的有机物
加CuO
氧化
CO2
H2O
测得前后的质量差
用无水CaCl2
吸收
用KOH浓溶液吸收
计算C、H原子质量分数
剩余得为O原子的质量分数
测得前后的质量差
一、确定实验式
“李比希法”的原理：
取一定量含C、H(O)的有机物
加CuO
做氧化剂
H2O
CO2
用无水
CaCl2吸收
用KOH
浓溶液吸收
得前后质量差
得前后质量差
计算C、H含量
计算O含量
得出实验式
H2O
CO2
有机物
CuO
定量测定有机物中C、H和O元素含量的一种分析方法。
如何计算
燃烧法　
有机物　
CO2→m(C）　
H2O→m(H）　
氧化　
若m(C)+ m(H)＝ 　
m(有机物）
m(有机物）
若m(C)+ m(H)＜ 　
只含C、H　
含C、H、O　
最简式(实验式)的求法：
定量分析方法一：李比希元素分析法
【例1】含C、H、O三元素的未知物A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%。试求该未知物A的实验式。
（2）再求各元素原子的个数比：
（1）先确定该有机化合物中氧元素的质量分数：
ω(O)＝100%－52.2%－13.1%＝34.7%
N(C)：N(H)：N(O)＝
52.2%
12.01
13.1%
1.008
34.7%
16.00
：
：
＝2：6：1
【答】该未知物A的实验式为C2H6O。
思路点拨
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。
现代化的元素分析仪
1.已知某有机物9.2g与足量氧气在密闭容器中完全燃烧后，将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰．浓硫酸增重10.8g，碱石灰增重17.6g，该有机物的化学式是
A．C2H6O B．C2H4O
C．CH4O D．C2H6O2
A
2. 有机物X是一种重要的有机合成中间体，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的实验式为_________。
C5H8O2
(1)产生的O2按从左到右方向流动,所选装置各导管的连接
顺序是____________________________________________；
(2)C装置中浓硫酸的作用是________________________；
(3)D装置中MnO2的作用是__________________________；
(4)燃烧管中CuO的作用是_______________________________；
g、f、e、h、i、c(或d)、d(或c)、a(或b)、b(或a)
吸收水分，得到干燥的O2
催化剂，加快生成O2的速率
使有机物充分氧化生成CO2和H2O
3.电炉加热时用纯O2氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物组成，如图装置是用燃烧法确定有机物分子式的常用装置。
3.电炉加热时用纯O2氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物组成，如图装置是用燃烧法确定有机物分子式的常用装置。
(5)样品经充分反应后，测得A管质量增加8.8 g，B管质量增加5.4 g，消耗氧气6.72 L(标准状况下)，则该有机物分子的实验式为_______；
(6)要确定该有机物的分子式，还要知道_____________。
C2H6O
相对分子质量
实验式：表示化合物分子中所含元素的原子数目最简整数比的式子。
分子式：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。
二、确定分子式
列式计算下列有机物的相对分子质量：
试归纳求有机物相对分子质量的方法。
思考：回顾所学知识，有哪些方法可以求相对分子质量？
28
(4)3.2g某饱和一元醇与足量金属钠反应得到1.12L(标况)氢气。
(1)标准状况下0.56g某气态烃的体积为448ml;
(2)某有机物在相同状况下对空气的相对密度为4；
(3)某有机物的蒸气密度是相同状况下氢气密度的14倍；
29×4=116
14×2=28
2R—OH + 2Na → 2R—ONa + H2↑
32
二、确定分子式
思考：回顾所学知识，有哪些方法可以求相对分子质量？
（1）定义法：M = m / n
(5) 质谱法——测定相对分子质量。
（3）已知标准状况下气体的密度ρ，求算摩尔质量。 M＝ρ×22.4 L·mol－1。
（2）根据有机物蒸气的相对密度 D
D =
=
（4）利用各类有机物的分子通式及相应的化学反应方程式
元素定量分析
实验式
各组成原子的
最简整数比
分子式
其中最精确、快捷的方法
相对分子质量
质谱法
质谱仪
计算法
二、确定分子式
质谱仪——确定相对分子质量的利器
阅读课本P16-17相关内容思考下列问题：
1、有机物分子被高能电子流轰击后形成什么？
2、什么叫质荷比？
3、如何根据质谱图确定有机物的相对分子质量？
1.质谱法——相对分子质量的测定
二、确定分子式
用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场作用下达到检测器的时间有差异，其结果被记录为质谱图。
有机物分子
高能电子流轰击
带电的
“碎片”
确定相对式量
碎片的质荷比
由于分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间最长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量）
质荷比是什么？
如何确定有机物的相对分子质量？
分子离子(或碎片离子)的相对质量与其电荷的比值
质荷比=
电荷
相对分子质量
怎样读图？
相对分子质量
质荷比最大的就是其相对分子质量
纵轴：信号强度，与相应碎片离子的多少有关。
横轴：最右边离子峰就是未知物的相对分子质量
质谱法小结
待测样品
带正电荷的分子离子和碎片离子等
高能电子流等轰击
有机分子失去电子
这些离子因质量、电荷不同，在电场和磁场中运动行为不同
得到它们相对质量与电荷数比值（质荷比）
计算机分析
以质荷比为横坐标，
以各类离子相对丰度为纵坐标
质谱图
未知物A的实验式为C2H6O，其质谱图中最右侧的分子离子峰（CH3CH2OH的信号）的质荷比数值为46，因此A的相对分子质量为46，由此可以推算出A的分子式也是C2H6O。
符合分子式为C2H6O的可能的结构有以下两种：
质谱图中的碎片峰对我们确定有机化合物的分子结构有一定帮助，但未知物A究竟是二甲醚还是乙醇？这还需要我们根据其他证据作出进一步推断。
H—C—O—C—H
H
二甲醚
H
H
H
H—C—C—O—H
H
乙醇
H
H
H
三、确定分子的结构
测定方法
化学方法：看是否与Na反应
物理方法：红外光谱法等
【方法导引】当化合物结构比较复杂时，若用化学方法，时间长、浪费试剂，因此科学上常常需要采取一些物理方法。与鉴定有机物结构有关的物理方法有质谱、红外光谱、核磁共振谱、X射线衍射等。
二甲醚
乙醇
三、确定分子的结构
1.红外光谱
应用：可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。
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。
红外光谱仪
从图中可以找到C—O、C—H和O—H的吸收峰，因此，可以初步推测该未知物A是含有羟基官能团的化合物，结构可表示为C2H5OH。
未知物A（化学式为C2H6O）的红外光谱图
2.核磁共振氢谱
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
氢原子核具有磁性
电磁波照射
含氢元素的化合物
氢核会吸收特定频率电磁波的能量
产生 核磁共振现象
用核磁共振仪可以记录有关信号
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
有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目等信息
2.核磁共振氢谱
吸收峰数目＝ ，
吸收峰面积比＝ 。
氢原子数之比
氢原子类型种类
测定有机物分子中氢原子的类型和它们的相对数目
2.核磁共振氢谱(NMR)
读谱要点
测定有机物中H 原子的种类和数目
信号个数
信号强度之比
峰面积
吸收峰数目＝氢原子类型
不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝
不同氢原子的个数之比
未知物A的核磁共振氢谱
二甲醚的核磁共振氢谱
由未知物A（分子式为C2H6O ）的核磁共振氢谱图，可以判断A的分子结构简式为 。
由未知物A（分子式为C2H6O ）的核磁共振氢谱图，可以判断A的分子结构简式为 。
下列有机物中有几种H原子以及个数之比？
CH3-CH-CH3
CH3
２种；９∶１
CH3-C-CH3
CH3
CH3
１种
CH3-CH2-CH-CH3
CH3
４种；３∶２∶１∶６
3.X-射线衍射
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谱图。
原理：
3.X-射线衍射
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。将X射线衍射技术用于有机化合物（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。
应用：
中国科学院上海有机化学研究所和中国中医研究院中药研究所等单位的科学家们通过元素分析和质谱法分析，确定青蒿素的相对分子质量为282，分子式为C15H22O5。 经红外光谱和核磁共振谱分析，确定青嵩素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青蒿素的分子结构。
青蒿素分子结构的确定
【科学 技术 社会】
研究有机化合物的一般步骤和方法
分离、提纯
步骤
方法
蒸馏、萃取、分液、重结晶
测定相对分子质量
确定分子式
质谱法
波谱分析
确定结构式
红外光谱
核磁共振氢谱
X射线衍射
元素定量分析
确定实验式
李比希法
现代元素分析仪
→确定相对分子质量
→确定化学键、官能团
→确定等效氢原子的类型和数目
→确定键长、键角等结构信息

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