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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 有机物实验式、分子式、结构式的确定
学习目标
1、通过李比希定量分析法,熟练掌握有机化合物中C、H、O含量的测定方法,认识定量分析在科学研究中的重要价值。
2、通过了解现代仪器分析在有机化合物组成和结构分析中的应用,能依据质谱法判断有机物相对分子质量,能依据波谱分析数据推断简单有机化合物的分子结构。
3、知道红外光谱、核磁共振等现代仪器分析方法在有机物分子结构测定中的应用。
观看视频：青蒿素发现历程
青蒿素
分子结构
思考：从提取青蒿素到确定青蒿素的分子结构，科学家运用了哪些方法 经历了怎样的历程呢？
【科学 技术 社会】青蒿素结构的测定
20世纪70年代初，我国屠呦呦等科学家使用乙醚从中药中提取并用柱色谱分离得到抗疟疾有效成分青蒿素。科学家们通过元素分析和质谱法分析，确定了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，确定青蒿素分子结构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团
（—O—O—）。1975年底，中国科学院的科学
家通过X射线衍射最终测定了青蒿素的分子结构。
观看视频：李比希燃烧法
一、确定实验式——元素分析法
表示有机化合物分子中所含元素的原子个数最简整数比的式子
1、元素分析：
定性分析
定量分析
化学方法测定
鉴定有机物的元素组成
测定有机物各元素的质量分数
2、原理：
将一定量的有机物燃烧
定量测定
转化为简单的无机物
推算有机物
各元素质量分数
计算有机物
各元素原子最简整数比
确定实验式
（最简式）
李比希元素分析仪示意图
李比希
仅含C、H、O元素的有机化合物
KOH浓溶液吸收
无水CaCl2吸收
CuO作
氧化剂
氧化
生成的CO2
生成的H2O
Δm1
Δm2
有机物中C、H质量分数，剩余的就是O的质量分数
实
验
式
计算
3、方法：
①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；
②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)。
李比希元素分析仪
现代元素分析仪
现代化的元素分析仪
李比希不仅建立了可以定量测定碳、氢 、氧元素的分析方法，还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素定量分析方法，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，分析的精确度和速率都达到了很高的水平。
:直接测出有机物各元素原子的质量分数
【青蒿素实验式的确定】含C、H、O三种元素的青蒿素，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为63.8%，氢的质量分数为7.8%，试求青蒿素的实验式。
解：（1）计算青蒿素中氧元素的质量分数：
w(O)＝100%－63.8%－7.8%＝28.4%
（2）计算青蒿素分子内各元素原子的个数比：
N(C):N(H):N(O)＝＝15:22:5
则：青蒿素的实验式为C15H22O5
思考：要确定青蒿素分子式至少还需知道哪个物理量呢？
可根据实验式和有机化合物的组成特点直接确定分子式的情况。
最简式 分子式
CH3 C2H6
CH3O C2H6O2
CH4 CH4
CH3Cl CH3Cl
CH4O CH4O
C2H6O C2H6O
有的可以，有的不可以
思考与交流：知道实验式能直接确定分子式吗？
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。
1、计算法
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
①标准状况密度法：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
④利用各类有机物的分子通式及相应的化学反应方程式
③混合气体平均摩尔质量：
相对分子质量的求算方法
二、确定分子式——计算法和质谱法求相对分子质量
质谱仪工作原理示意图
2、质谱法
有机物分子
确定相对分子质量
离子的质荷比
高能电子
流轰击
带正电荷的分子离子和碎片离子
磁场作用下先后
到达检测仪
质谱图
质谱仪
质谱图
相对质量与电荷数的比值
某未知物的实验式为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，因此其相对分子质量为46，由此可以推算出未知物的分子式也是C2H6O
读图方法：相对分子质量＝最大质荷比＝最右边的分子离子峰
【青蒿素相对分子质量的确定】
最大质荷比：282
结合实验式与相对分子质量可知，青蒿素的分子式为C15H22O5
【课堂练习1】关于李比希燃烧分析法，回答问题
（2）有人提出用CaCl2或浓硫酸替Mg(ClO4) 2，请说明替代Mg(ClO4) 2 物质的基本条件 。
（3）氧气的作用主要是 。
（4）为了提高实验的准确性，此装置还需要完善，请指出需要完善的地方
（1）氧化铜的作用主要是 。
只吸收水,不吸收CO2
氧化样品,将产物全部排入吸收装置
末端再连接盛有碱石灰的U型管．
a.在吸收剂之间加一个检验水是否吸收完全的装置b.在最后再加一个装有碱石灰的干燥管防止空气中的二氧化碳和水进入。
确保碳元素被氧化成CO 2
【课堂练习2】燃烧某有机物A 1.50g,生成1.12L(标况)CO2和0.05mol H2O。求该有机物的实验式。
【解答】
实验式为：CH2O
【课堂练习3】某有机物分子式的确定：
(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
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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
三、确定分子结构——光谱、氢谱和X射线衍射分析
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
1、红外光谱
CH3—C—O—CH3
O
读图分析：下图是分子式为C3H6O2的有机物的红外光谱图,推测其结构。
读图分析：下图是分子式为C15H22O5的青蒿素的红外光谱图,推测其所含的有关信息。
含有酯基，甲基
2、核磁共振氢谱
——测定有机化合物分子中氢原子的类型和数目。
核磁共振仪
氢原子核具有磁性。处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱图上出现的位置也不同。且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
(1)原理：
(2)核磁共振氢谱：
吸收峰数目＝等效氢原子种类数
峰面积之比＝等效氢原子数之比
(NMR)
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
读谱要点
【课堂练习4】（1）下列有机物中有几种H原子以及个数之比？
２种；
９∶１
１种
３种；３∶２∶１
４种；
３∶２∶１∶６
CH3-CH-CH3
CH3
CH3-C-CH3
CH3
CH3
CH3-CH2-CH-CH3
CH3
CH3-CH2-OH
CH2-CH2
Br Br
⑵化合物A和B的分子式都是C2H4Br2，A的NMR谱上只有1个峰，则A的结构简式为 .
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 。
X射线衍射仪
(2)衍射图
根据原子坐标，可以计算原子间的距离，判断哪些原子之间存在化学键,确定键长和键角，得出分子的空间结构。
单晶衍射图
—有机化合物（特别是复杂的生物大分子）晶体结构的测定
【课堂练习5】下列关于现代仪器分析的说法错误的是( )
A．通过核磁共振氢谱可以区分CH3CH2OH和CH3OCH3
B．通过X射线衍射可以测定有机物分子中键长和键角等数据
C．通过质谱可以直接测得有机物分子中的官能团
D．通过红外光谱可以获得有机物分子中化学键或官能团的信息
C
【课堂练习6】下列说法不正确的是（ ）
A．通过质谱法可以确认有机化合物的相对分子质量
B．甲苯分子的核磁共振氢谱中有4个不同的吸收峰
C．红外光谱可以帮助确定许多有机物的结构
D．某有机物完全燃烧只生成CO2和H2O，两者物质的量之比为1:2，则该有机物一定为甲烷
D
【课堂练习7】确定较复杂的有机化合物结构，需要借助现代分析仪器，
根据图谱进行分析确定。一组分析仪器的图片如图所示。下列有关说法正确
的是( C )
A．甲为核磁共振氢谱图，乙为质谱图
B．甲表明该有机化合物的相对分子质量为31
C．乙表明该有机化合物中含4种不同化学环境的H原子
D．丙表明该有机化合物中只含C－H、C－O、O－H三种化学键
【课堂练习8】某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为70.59%、含氢为 5.88%,其余含有氧。据图写出该有机化合物的相对分子质量和分子结构。
吸收峰之比为1:2:2:3
答案：苯甲酸甲酯

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