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第二节　研究有机化合物的一般方法
第2课时　有机化合物实验式、分子式及分子结构的确定
【核心素养要求】
1.宏观辨识与微观探析:通过质谱仪、红外光谱仪、核磁共振仪等测定、探析有机化合物的分子组成、结构,揭示有机化合物结构的异同;能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。
2.证据推理与模型认知:从官能团的鉴别,构建不同有机化合物的结构模型,结合官能团的性质,推理出各类有机化合物的特性。
◆ 学习任务一　确定实验式
【课前自主预习】
元素的定性、定量分析是用化学方法测定有机化合物的　　　　组成,以及各元素的　　　　　　。
1.定性分析
用化学方法鉴定有机化合物的元素组成。如完全燃烧后,一般情况下:
C→　　　　;H→　　　　;N→　　　　;S→　　　　。
某有机物完全燃烧后,若产物只有CO2和H2O ,其元素组成肯定有　　　　,可能有　　　　。
2.定量分析
(1)实验式:有机化合物分子内各元素原子的最简整数比,又称为　　　　　　。例如,乙酸的分子式为　　　　　　,实验式为　　　　。
(2)测定步骤(李比希法)
(3)实验式(最简式)与分子式的关系:分子式=(最简式)n。
(4)最简式规律
最简式 对应物质
CH 乙炔和苯
CH2 烯烃和环烷烃
CH2O 甲醛、乙酸、甲酸甲酯、葡萄糖、果糖
3.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52.16%,氢的质量分数为13.14%。则:
(1)氧的质量分数为　　　　。
(2)C、H、O的原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)≈　　　　。
(3)未知物A的实验式为　　　　。
[问题思考]
充分燃烧某有机化合物A 1.50 g,生成1.12 L(标准状况)CO2和0.05 mol H2O。该有机化合物的蒸气对空气的相对密度是1.04,试求A的分子式。
【核心知识讲解】
实验式与分子式
实验式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子;分子式是用元素符号表示一个分子中的原子种类和个数的式子。某些特殊组成的实验式,可根据其组成特点直接确定其分子式,如实验式为CH3,其分子式为C2H6,氢原子已达到饱和;实验式为CH3O,其分子式为C2H6O2。
【知识迁移应用】
例1 有机物A蒸气的密度是相同状况下氢气密度的45倍,现取1.8 g A在纯氧中完全燃烧,将产物依次通过浓硫酸和碱石灰,产物被完全吸收,浓硫酸质量增加1.08 g,碱石灰质量增加2.64 g。回答下列问题:
(1)1.8 g A中所含氢原子、碳原子的物质的量分别是　　　　、　　　　。
(2)通过计算确定该有机物的分子式。
[方法规律] 有机化合物中是否含氧元素的确定方法
一般来说,某有机化合物完全燃烧后,若产物只有CO2和H2O,其组成元素可能为碳、氢元素或碳、氢、氧元素。欲判断该有机化合物分子是否含氧元素,首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量,然后将C、H的质量之和与原有机化合物质量比较,若两者相等,则原有机化合物组成中不含氧元素;否则,原有机化合物组成中含氧元素。
◆ 学习任务二　确定分子式
【课前自主预习】
1.质谱法
质谱法是快速、精确测定相对分子质量的重要方法。
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　　　　不同、　　　　不同,在电场和磁场中运动行为不同。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　　　　。以质荷比为横坐标,以各类离子的　　　　　　为纵坐标记录测试结果,就得到有机化合物的质谱图。
2.相对分子质量确定
质谱图中　　　　的分子离子峰对应的质荷比或质荷比　　　　　表示样品中分子的相对分子质量。
3.示例说明
某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图如图所示,由此可确定该未知物的相对分子质量为　　　　。
[问题思考]
某物质的质谱图怎么去看 怎样利用质谱图
【核心知识讲解】
1.有机化合物分子式的确定方法
(1)直接法:有机化合物的密度(相对密度)→摩尔质量→1 mol有机化合物中各原子的物质的量→分子式。
(2)实验式法:各元素的质量分数→实验式分子式。
(3)商余法:用烃的相对分子质量除以14,看商和余数。
=商(碳原子数)……
其中商为烃中碳原子数,此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物等)。
(4)化学方程式法:根据有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系,利用有机化合物燃烧的化学方程式确定分子式。常用的化学方程式有
CxHy+(x+)O2xCO2+H2O
CxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O
由上述几种计算方法,可得出确定有机化合物分子式的基本途径:
2.常见相对分子质量相同的有机物
(1)同分异构体的相对分子质量相同。
(2)含有n个碳原子的一元醇与含(n-1)个碳原子的同类型一元羧酸和酯相对分子质量相同。
(3)含有n个碳原子的链状烷烃与含(n-1)个碳原子的饱和一元醛(或酮)相对分子质量相同,均为14n+2。
【知识迁移应用】
例2 为测定某有机化合物A的结构,进行如下实验:
(1)将一定量的有机物A置于氧气气流中充分燃烧,实验测得:生成5.4 g H2O和8.8 g CO2,消耗氧气6.72 L(标准状况下),则该物质的实验式是　　　　　　　。
(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量,得到如图所示的质谱图,则其相对分子质量为　　　　,该物质的分子式是　　　　。
(3)根据价键理论,预测A的可能结构并写出结构简式:　　　　　　　　　　　　　　。
例3 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　　　　。
(2)确定该烃的分子式为　　　　。
(3)该烃的同分异构体有　　　　种。
[方法规律] 确定有机化合物相对分子质量的方法
①根据标准状况下气体的密度为ρ(g·L-1),求算该气体的摩尔质量(g·mol-1)(数值上等于该气体的相对分子质量):M=22.4 L·mol-1×ρ(仅限于标准状况下)。
②依据气体的相对密度d,求气体的摩尔质量(数值上等于该气体的相对分子质量):MA=d·MB。
③求混合气体的平均摩尔质量:M=MA·φA+MB·φB+MC·φC+……(φA、φB、φC……为A、B、C……气体的体积分数或物质的量分数)。
④运用质谱法来测定有机化合物的相对分子质量。
◆ 学习任务三　确定分子结构
【课前自主预习】
1.红外光谱(IR)
(1)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。谱图中不同的化学键或官能团的吸收频率不同,因此分析有机化合物的红外光谱图,可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。
(2)作用:初步判断某有机化合物分子中含有何种　　　　　　或　　　　　　。若A的分子式为C2H6O,红外光谱图如图所示,则A的结构简式为　　　　　　　　　。
2.核磁共振氢谱(1H-NMR)
(1)原理:氢原子核具有磁性,如果用电磁波照射含氢元素的化合物,其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象,用核磁共振仪可以记录到有关信号。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,相应的信号在谱图上出现的　　　　也不同,具有不同的化学位移(用δ表示),而且吸收峰的面积与　　　　　　成正比。
(2)作用:测定有机化合物分子中不同化学环境氢原子的　　　　　　　　　　　。
(3)分析:吸收峰组数=　　　　　　　　　　　,吸收峰面积比=　　　　　　　　　　　　　　。如CH3CH2OH的核磁共振氢谱如图所示,则乙醇分子中氢原子有　　　　种,且个数比=　　　　　　　。
3.X射线衍射(XRD)
(1)原理: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图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据,包括　　　　、　　　　等分子结构信息。
(2)作用:测定物质结构的一种重要技术,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。
[问题思考]
①除利用红外光谱法判断某种有机化合物中含有的化学键或官能团外,是否还可以利用其他方法判断
②红外光谱和核磁共振氢谱分别通过什么确定有机化合物结构,二者有什么区别和联系
③分子式为C3H6O2的有机化合物,有两种核磁共振氢谱图。一种峰面积比为1∶1,另一种峰面积比为3∶2∶1。请写出符合该分子式的有机化合物可能的结构简式。
【核心知识讲解】
由分子式确定有机化合物结构简式的一般步骤
【知识迁移应用】
例4 已知有机化合物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示,下列说法错误的是 (　)
A.若A的分子式为C3H6O,则其结构简式为CH3COCH3
B.由核磁共振氢谱可知,该有机化合物分子中有三种处于不同化学环境的氢原子
C.由红光外谱可知,该有机化合物中至少有三种不同的化学键
D.由其核磁共振氢谱可得知其分子中的氢原子种类数及相对数目
例5 有机化合物X是一种重要的有机合成中间体,用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。为研究X的组成与结构,进行了如下实验:
(1)有机化合物X的质谱图如图所示,则其相对分子质量为　　　　。
(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的质量增加7.2 g,KOH浓溶液的质量增加22.0 g。该有机化合物X的分子式为　　　　。
(3)经红外光谱测定,有机化合物X中含有醛基;有机化合物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,峰面积之比为3∶1。该有机化合物X的结构简式为　　　　　　　　　　。
例6 有机化合物A可由葡萄糖发酵得到,也可从酸牛奶中提取。纯净的A为无色黏稠液体,易溶于水。为研究A的组成与结构,进行了如下实验:
实验步骤 解释或实验结论
　(1)称取9.0 g A,升温使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍 　通过计算填空: (1)A的相对分子质量为　　　
　(2)将此9.0 g A在足量O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者质量分别增加5.4 g和13.2 g 　(2)A的分子式为　　　
　(3)另取9.0 g A,跟足量的NaHCO3溶液反应,生成2.24 L CO2(标准状况),若与足量金属钠反应则生成2.24 L H2(标准状况) 　(3)用结构简式表示A中含有的官能团:　　　　、 　　　
　(4)A的核磁共振氢谱图 　(4)A中含有　　　　种氢原子
　(5)综上所述,A的结构简式为　　　　　　
[方法归纳] 确定有机物分子结构的常用方法
常用方法 确定步骤
根据价键 规律确定 　某些有机化合物根据价键规律只存在一种结构,则直接根据分子式确定其结构简式。例如,C2H6只能是CH3CH3
通过定性 实验确定 　通过实验,确定有机化合物的性质,得出相关结论,确定官能团,最后确定结构简式
(续表)
常用方法 确定步骤
通过定量 实验确定 　通过定量实验确定官能团的数目。例如,测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体,则可以说明1 mol该醇分子中含2 mol —OH
通过波谱 分析 　①红外光谱:红外光谱图可以确定有机化合物分子中含有的官能团、化学键等。 　②核磁共振氢谱:根据核磁共振氢谱可以确定有机化合物分子中含有几种不同化学环境的氢原子及它们的相对数目。如
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)元素分析法和质谱法能分别确定有机化合物的实验式和相对分子质量 (　)
(2)质谱图中最右侧的谱线表示的质荷比数值为该有机化合物的相对分子质量 (　)
(3)有机化合物的实验式和分子式一定不同(　)
(4)质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法均能确定有机化合物的分子结构 (　)
(5)核磁共振氢谱中,有几组吸收峰就说明有几个氢原子 (　)
(6)已知某有机化合物的实验式,必须知道相对分子质量才可以确定分子式 (　)
2.[2024·陕西泾河新城一中质检] 有机物A的质谱图、核磁共振氢谱图如图所示,则A的结构简式可能为 (　)
A.CH3OCH3 B.HCOOH
C.CH3CH2OH D.CH3CH2COOH
3.(1)某研究性学习小组在实验室合成了一种物质A。经分析,A的相对分子质量不超过100,A中C、H元素的质量分数分别为w(C)=69.76%,w(H)=11.63%,且完全燃烧后产物只有CO2和H2O。则A的摩尔质量为　　　　　　　　。
(2)质谱图表明某有机化合物的相对分子质量为70,
红外光谱表征到和—CHO的存在,核磁共振氢谱如图(峰面积之比为1∶1∶1∶3),分析核磁共振氢谱图,回答下列问题:
①分子中共有　　　　种处于不同化学环境的氢原子。
②该物质的分子式为　　　　。
③该有机化合物的结构简式为　　　　　　　　　　。

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