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第2课时 有机物实验式、分子式和分子结构的确定
1.2.2 研究有机化合物的一般方法
【教学目标】
1.掌握李比希提出的燃烧有机物对产物的定量测定确定实验式；
2.了解质谱法确定分子式的原理与方法；
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。
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？
任务一：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
定量分析方法一：
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　
[李比希元素分析法]
任务一：确定实验式
最简式(实验式)的求法：
3g某有机化合物在足量氧气中完全燃烧，生成4.4g CO2和1.8g H2O。下列说法不正确的是
A．该有机化合物中只含有碳元素和氢元素
B．该有机化合物中一定含有氧元素
C．该有机化合物的分子式可能是C2H4O2
D．该有机化合物分子中碳原子数与氢原子数之比一定是1∶2
A
同步练习
该有机物中C、H两种元素质量和并不等于有机物总质量，
说明该有机物中还含有O元素
:可以直接测出有机物中各元素原子的质量分数
现代元素分析仪
“快、狠、准”
元素定量分析方法二：
求有机物的实验式：
【例题】某含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测定A中碳的质量分数为52.16%，氢的质量分数为13.14%，求A的实验式。
解：
(1)氧的质量分数为:
1－ 52.16%－ 13.14%
＝ 34.70%
(2)各元素原子个数比
N(C)：N(H)：N(O)
＝
＝
2 ：6 ：1
A的实验式为：
C2H6O
[课本P15]
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
同步练习
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
同步练习
(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
练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
练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。
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。
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
任务二：确定分子式
（1）定义法：M = m / n
(5) 质谱法——测定相对分子质量。
（3）标况下有机物蒸气的密度为ρ g/L
（2）根据有机物蒸气的相对密度D
D = ????????????????
?
= ????????????????
?
M = 22.4L/mol× ρ g/L
(4)利用各类有机物的分子通式及相应的化学反应方程式
思考：回顾所学知识，有哪些方法可以求相对分子质量？
任务二：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？
任务二：确定分子式
质谱法
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。
原理：
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）
2.质荷比是什么？
3. 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
质谱仪——确定相对分子质量的利器
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
1.质谱仪工作原理
相
对
丰
度
质荷比
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
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
练习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 。
②确定分子式：
右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
C4H10O
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
思考： 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？
任务三：确定分子的结构
(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
任务三：确定分子的结构
未知物A的红外光谱图
[例].下图是分子式为C3H6O2的有机物的红外光谱图,推测其结构。
CH3—C—O—CH3
O
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
同步练习
练习：有机物Y的分子式为C4H8O2，其红外光谱如图所示，则该有机物可能的结构简式为　　
A．CH3COOCH2CH3
B．OHCCH2CH2OCH3
C．HCOOCH2CH2CH3
D．(CH3)2CHCOOH
A
2.核磁共振氢谱
(1)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，在谱图上出现的位置也不同。各类氢原子的这种差异被称作化学位移δ；而且吸收峰的面积(或强度)与氢原子数成正比。
任务三：确定分子的结构
(NMR)
[课本P18]
不同吸收峰的面积之比(强度之比)＝不同氢原子的个数之比。
吸收峰数目＝氢原子类型,
2.核磁共振氢谱
CH3CH2OH
任务三：确定分子的结构
思考2： 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？
(NMR)
[课本P18]
3种氢原子
3:2:1
不同氢原子的个数之比
未知物A：
二甲醚
:吸收峰数目1种
CH3—O—CH3
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
2.核磁共振氢谱
任务三：确定分子的结构
(NMR)
练习
⑴具有下列结构的化合物，其核磁共振氢谱中有2个峰的是
A．CH3CH2OH B．CH3CH3 C．CH3OCH3 D．HOCH2CH2OH
D
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) 已知1-丙醇和2-丙醇的结构简式如下：
1-丙醇：
2-丙醇：
下图是这两种物质的其中一种的核磁共振谱，并且峰面积比分别为1:1:6，
该有机物属于哪一种？
2-丙醇
练习2.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
(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。
(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 。
电磁波
衍射图
键长
键角
晶体结构
3. X射线衍射
任务三：确定分子的结构
目前，X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。
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】
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
小结
研究有机化合物的一般步骤和方法
→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
知识导航
有机物分子式的推算
例：已知某烃w(C)=80%,相对分子质量为30，求分子式。
N(C)
N(H)
=
80%
12
20%
1
:
1
3
=
该分子实验式为CH3
结合其相对分子质量30，可知其分子式为：C2H6
特殊方法：
若有机物的实验式中H已达饱和，则该有机物的实验式就是分子式。（如：CH4、CH3Cl、C2H6O等）
部分特殊组成的实验式如：CH3 当n=2时即达饱和，在不知相对分子质量时也可求得
——实验式法
[例1]某烃含氢元素的质量分数为17.2%，求此烃的实验式。你能推测该烃的分子式吗？
【问题解决实例】
[解答]由于烃只含碳、氢两种元素，则碳元素
的质量分数为(100－17.2)%＝82.8%。
则该烃中各元素原子个数之比为：
该烃的实验式： C2H5
若设该烃有n个C2H5,
分子式为C4H10，达到饱和。
n=2时,
所以，该烃的分子式为C4H10
例. 5.8g某有机物完全燃烧,生成13.2gCO2,5.4g H2O .该有机物含有哪些元素?能否求出其分子式和结构式？
[解]:先确定5.8g该有机物中各组成元素的质量：
因m(C)=13.2g×12/44=3.6g ,m(H)=5.4g×2/18=0.6g, 则m(O)= 5.8g- 3.6g -0.6g = 1.6g
N(C) : N(H) : N(O) = ： ：
1.6g
3. 6g
0.6g
12
1
16
= 3 ：6 ：1
则该未知物A的实验式为C3H6O
再确定该有机物中各元素的原子数之比：
有机物分子式的推算
——燃烧法
[例2]:燃烧某有机物A 1.50g,生成1.12L(标况)CO2和0.05mol H2O。该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式。
【问题解决实例】
【解答】∵
∴实验式CH2O即为分子式。
又因该有机物的相对分子质量
则，实验式为：CH2O
有机物分子式的推算
——燃烧通式法
燃烧通式：
CxHy OZ+ (x+y/4-z/2) O2 xCO2 + y/2 H2O
1
x
y/2
该有机物的相对分子质量
所以，有机物A 1.50g,合0.05mol
0.05mol
0.05mol
0.05mol
X=1
y=2
又CH2 OZ分子量为30
Z=1
∴有机物A分子式：CH2O。
【解答】
[例2]:燃烧某有机物A 1.50g,生成1.12L(标况)CO2和0.05mol H2O。该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式。
1.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
2.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
课堂检测
练1：将C2H5OH与CH3OCH3样品分别送入以下仪器进行分析，能得到相同结果的是
①元素分析仪 ②质谱仪 ③红外光谱仪 ④核磁共振仪
A．① B．①② C．①②③ D．①②③④
A
课堂检测
2.某有机化合物3.2 g在氧气中充分燃烧只生成CO2和H2O，将生成物依次通入盛有浓硫酸的洗气瓶和盛有碱石灰的干燥管，实验测得装有浓硫酸的洗气瓶增重3.6 g，盛有碱石灰的干燥管增重4.4 g。则下列判断正确的是
A．该有机物只含碳、氢两种元素
B．该有机化合物中碳原子数和氢原子数之比是1:2
C．该有机物的分子式一定为CH4O
D．根据题目条件可求出该有机物的实验式，无法求出该有机物的分子式
C
课堂检测
A、B
课堂检测
3.化合物 X 的相对分子质量为 136，分子式为 C8H8O2。X 分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其红外光谱和核磁共振氢谱如图。下列关于 X 的说法中不正确的是
A．X 分子属于酯类化合物
B．X 在一定条件下可与3mol H2发生加成反应
C．符合题中 X 分子结构特征的有机物有 1 种
D．与 X 属于同类化合物的同分异构体只有 2 种
4. 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
课堂检测
A、D
5.验证某有机物是否属于烃，应完成的实验内容是（???????）
A．只测定它的C、H原子个数比
B．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2
C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值
D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量
课堂检测
A、D
6.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
课堂检测
7.为了测定某有机物A的结构，做如下实验：
①将2.3 g该有机物完全燃烧，生成0.1 mol CO2和2.7 g水；
②用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；
③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图所示图谱，试回答下列问题：
(1)有机物A的相对分子质量是_____。
(2)求该有机物A的实验式_______。
(3)则A的分子式_______
46
C2H6O
C2H6O
7.为了测定某有机物A的结构，做如下实验：
①将2.3 g该有机物完全燃烧，生成0.1 mol CO2和2.7 g水；
②用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；
③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图所示图谱，试回答下列问题：
(4)由图可知，该有机物A中含有__种不同类型的氢原子，
其个数之比是________。
(5)写出有机物A可能的结构简式_____________
3
1∶2∶3
CH3CH2OH

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