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人教版选择性必修3
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 有机化合物实验式、分子式和分子结构的确定

经过分离、提纯，我们得到了各种形色各异的有机物，那么，我们该如何测定其结构，了解其化学性质的呢？
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(一0一0一)。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。
怎样进行元素分析、质谱分析和分子结构的确定呢？
青蒿素的提取及元素和分子结构的确定
二、确定实验式
1.原理：将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物(如C→CO2，H→H2O)，并通过测定无机物的质量，推算出该有机化合物所含各元素的 ，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的___________，确定其实验式(也称最简式)。
质量分数
最简整数比
2.元素分析方法
①李比希法
②现代化的元素分析仪
①李比希法：定量测定有机物中碳、氢和氧元素含量的一种分析方法。
H2O CO2
“李比希元素分析法”的原理：
取定量含C、H（O）的有机物
加氧化铜
氧化
H2O
CO2
用无水
CaCl2吸收
得前后质量差
用KOH
吸收
得前后质量差
计算C、H含量
计算O含量
得出实验式
如何计算
最简式（实验式）的求法：
二、确定实验式
【例1】5.8 g某有机物完全燃烧，生成CO2 13.2 g , H2O 5.4 g 。含有哪些元素?
n(C)∶n(H)∶n(O)＝3.6／12 : 0.6／1 : 1.6／16
＝0.3：0.6：0.1＝3:6:1
∴实验式为 C3H6O
m(C) =
13.2×????????????????
?
= 3.6 g
m(H) =
5.????×????????????
?
= 0.6 g
m(O) =
5.8 – 3.6 – 0.6
= 1.6 g
该有机物的实验式：
练习：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
二、确定实验式
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。
思考与讨论1：回顾实验式和分子式的定义，知道了物质的实验式，
要确定它的分子式，还需要什么数据？
还需要知道其相对分子质量。
三、确定分子式
思考与讨论2：回顾所学知识，有哪些方法可以求相对分子质量？
（1）M = m / n
（2）根据有机蒸气的相对密度D，D =M1 / M2
（3）标况下有机蒸气的密度为ρg/L，M = 22.4L/mol ×ρg/L
质谱法——测定相对分子质量。
1.质谱法
①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 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。计算机对其进行分析后，得到它们的__________________的比值，即 。
分子离子
相对质量与电荷数
质荷比
质谱仪
三、确定分子式
如图为某有机化合物的质谱图：
从图中可知，该有机物的相对分子质量为 ，
1.质谱法
②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
46
质荷比=
电荷
相对分子质量
质荷比最大的就是其相对分子质量
已知未知物A的实验式C2H6O，则该有机物的分子式是 。
C2H6O
三、确定分子式
注意：
(2)在有机物的元素分析过程中，需要对燃烧产物CO2和H2O进行定量测定时，要注意CO2和H2O的测定顺序：先用浓硫酸(或无水CaCl2)吸收H2O，再用浓氢氧化钾(或碱石灰）吸收CO2。
(3)分子式是实验式的整数倍。
(1)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，如实验式为CH4、C2H6O的物质，其对应的分子式为CH4、C2H6O。
三、确定分子式
测定方法
化学方法：看是否与Na反应
物理方法：红外光谱法
【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
思考与讨论3： 有机物A的分子式为C2H6O，你怎样确定有机物A是乙醇，还是二甲醚？有哪些方法可以区分它们？
四、确定分子结构
(2)红外光谱图
分析红外光谱图，可判断分子中含有的 或 的信息。如分子式为
C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构：
或 ，利用红外光
谱来测定，分子中有O—H(或—OH)可
确定A的结构简式为 。
红外光谱法：
（3）作用： 测定 ① 化学键 ② 官能团
(1)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。
化学键
官能团
CH3CH2OH
CH3OCH3
CH3CH2OH
四、确定分子结构
化学键/官能团的测定—红外光谱法
当用红外线照射有机化合物分子时，不同的化学键、官能团对红外光的吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置
红外光谱仪
未知物A中含有C-O键、C-H键和O-H键
化学键/官能团的测定—红外光谱法
看吸收峰波谷上
标出的化学键或官能团
读图技巧：
【练习】
有机化合物X的分子式为C4H8O2，其红外光谱如下图所示，则该有机化合物可能的结构为 (双选，填字母)。
A B
图中信息：
①不对称—CH3
②C=O
③C－O－C
A. CH3COOCH2CH3
B. CH3CH2COOCH3
C. HCOOCH2CH2CH3
D. (CH3)2CHCOOH
练习：有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结构，请写出该分子的结构简式 　　 　　 　　
C―O―C
对称CH3
对称CH2
CH3CH2OCH2CH3
四、确定分子结构
2.核磁共振氢谱
思考与讨论4： 对于CH3CH2OH、CH3—O—CH3这两种物质来说，除了氧原子的位置、连接方式不同外，碳原子、氢原子的连接方式也不同(即等效氢的种数不同)。这两种物质的等效氢分别是多少种？它们在核磁共振氢谱中如何体现？？
(1)原理：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。
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。
CH3CH2OH
CH3—O—CH3
四、确定分子结构
(模拟)
三种H，个数比为2:1:3
读图技巧：
峰数目＝ 氢原子类型
（等效氢种类）
峰面积比
= 不同环境的氢原子个数比（等效氢个数比）
2、核磁共振氢谱法—氢原子的类型和数目
练习1.下图是某有机物的1H核磁共振谱图，则该有机物可能是 ( ）
　A. CH3CH2OH B. CH3CH2CH2OH
　C. CH3—O—CH3 D. CH3CHO
C
练习2.下列有机物在H’-NMR上只给出
一组峰的是( )
A.HCHO B.CH3OH C.HCOOH D.CH3COOCH3
A
练习3.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
(1)原理
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 。
(2)X射线衍射图
经过计算可获得分子结构的有关数据，如 、 等，用于有机化合物 的测定。
目前，X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。
电磁波
衍射图
键长
键角
晶体结构
3. X射线衍射
四、确定分子结构
3.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)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
设分子式为； (C4H10O)n
则 74n＝74
∴ n＝1 分子式为 C4H10O
1. 有机物Z的结构可能有 和 两种，为对其结构进行物理方法鉴定，可用红外光谱和核磁共振氢谱。
①有机物Z若为 ，则红外光谱中应该有___个振动吸收；核磁共振氢谱中应有___个峰。
②有机物Z若为 。红外光谱中应该有___个振动吸收；核磁共振氢谱中应有___个峰。
5
2
3
2
随堂演练
2
2.根据题意完成下列问题
AD
③A（C3H6O3）能与NaHCO3溶液发生反应生成气体，则A含有的官能团的名称是 。
④A分子的核磁共振氢谱图有4个峰，封面积之比是1：1：1：3，则A的结构简式是 。
羧基
3.列式计算下列有机物的相对分子质量：
(1) 某有机物A的蒸气密度是相同状况下氢气密度的 14倍；
(2) 某有机物在相同状况下对空气的相对密度为2；
(3) 标准状况下0.56g某气态烃的体积为44.8ml;
(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。
28
58
280
32
随堂演练
4.常温下，10mL某气态烃A和80mL氧气(过量)混合，点燃，使其充分燃烧后恢复到原状况，残留气体体积为65 mL。
(1)若A为烷烃，则A的分子式为__________。
(2)若A为烯烃，则A的分子式为__________。
(3)若A为炔烃，则A的分子式为__________。
C2H6
C3H6
C4H6
小结：研究有机物的一般步骤和方法
步骤
方法
分离、提纯
蒸馏、重结晶、萃取
元素定量分析
确定实验式
李比希元素分析
现代元素分析仪
测定相对分子质量
确定分子式
质谱
波谱分析
确定结构式
红外光谱
核磁共振氢谱
拓展视野
诺贝尔化学奖与物质结构分析(2002年)
引入了核磁共振光谱学观察到了DNA、蛋白质等大分子的真面目。
美国
芬恩
日本
田中耕一
瑞士
维特里希

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