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基础课时4　有机物分子式和分子结构的确定
学习目标　1.学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法,并能据此确定有机化合物的分子式。2.能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。
一、确定实验式和分子式　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知识梳理
1.确定实验式
(1)定量分析原理
将一定量的有机化合物燃烧,转化为简单的无机物,并进行定量测定,通过无机物的质量推算出该有机化合物所含各元素的质量分数,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,确定其实验式,也称最简式。
(2)实验式的测定方法(李比希法)
2.确定分子式
(1)确定相对分子质量——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,形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。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,得到它们的相对质量与电荷数的比值,即质荷比。
②质谱图:以质荷比为横坐标,以各类离子的相对丰度为纵坐标,根据记录结果所建立的坐标图。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46,即质荷比最大的数据就是样品分子的相对分子质量。
(2)确定分子式
在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后,就可进一步确定其分子式。
计算依据:分子式是实验式的整数倍。
(二)互动探究
某含碳、氢、氧三种元素的有机化合物X,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%,且该有机化合物的质谱图如下。
【问题讨论】
问题1　怎样计算有机化合物X的实验式
提示　由题意可知,氧的质量分数为1-64.86%-13.51%=21.63%,各元素原子个数比:N(C)∶N(H)∶N(O)=∶∶≈4∶10∶1,故该有机化合物的实验式为C4H10O。
问题2　根据质谱图分析有机化合物X的相对分子质量,并分析确定其分子式。
提示　实验式的相对分子质量为74,观察该有机化合物的质谱图,质荷比最大的数值为74,所以其相对分子质量为74,则该有机化合物的分子式为C4H10O。
问题3　有机物的实验式和分子式有何异同
提示　实验式也叫“最简式”,表示最简单的原子个数比,而分子式表明了一个分子中的所含各元素原子的个数,有些物质的实验式和分子式相同,如CH4。
【探究归纳】　有机物分子式确定“四”步走
1.(2024·湖北武汉经济技术开发区第一中学高二期中)某化学小组同学利用如图装置测定有机化合物中元素C、H、O的质量比,将质量为m的CxHyOz样品放入石英管中加热使其充分反应,实验结束后,U形管c、d的质量增重分别为m1、m2。
下列说法错误的是 (　　)
A.开始实验时,依次点燃酒精喷灯b、a
B.实验测得元素C、H的质量比为27m2∶22m1
C.若调换装置c和d,则无法达成实验目的
D.若加热前未先通入一段时间氧气会导致测得氧元素的质量分数偏小
答案　B
解析　由实验装置图可知,a处发生的反应为有机物在加热条件下与氧气反应生成碳的氧化物和水,装置b处氧化铜与一氧化碳反应生成二氧化碳,装置c为水蒸气的吸收测定装置,装置d为二氧化碳的吸收测定装置,该装置的缺陷为没有吸收空气中水蒸气和二氧化碳的装置,会导致实验误差。
为使有机物不完全燃烧生成的二氧化碳完全转化为被碱石灰吸收的二氧化碳,实验开始时,应依次点燃酒精喷灯b、a,A正确;装置c为水蒸气的吸收测定装置,装置d为二氧化碳的吸收测定装置,则实验测得碳、氢元素的质量比为(×12)∶(×2×1)=27m2∶11m1,B错误;装置c为水蒸气的吸收测定装置,装置d为二氧化碳的吸收测定装置,若调换装置c和d,则碱石灰会吸收二氧化碳和水蒸气,无法测得反应生成二氧化碳和水蒸气的质量,无法达成实验目的,C正确;若加热前未先通入一段时间氧气排尽装置中的空气,实验测得水蒸气和二氧化碳的质量均偏高,会导致测得氧元素的质量分数偏小,D正确。
2.为了测定有机物M的分子式,取5.8 g M与一定量的O2置于一密闭容器中燃烧,定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气,测得的有关数据如下(箭头表示气流的方向,实验前系统内的空气已排尽):
该有机物M的分子式可能是 (　　)
A.C3H6O B.C2H4O2
C.CH2O2 D.C4H8
答案　A
解析　燃烧产物通入浓硫酸中增重5.4 g即水的质量为5.4 g,物质的量为0.3 mol,通入浓氢氧化钠溶液中,增重8.8 g即二氧化碳质量为8.8 g,物质的量为0.2 mol,通入浓硫酸中干燥,根据CO+CuOCO2+Cu,灼热氧化铜质量减少1.6 g即CuO物质的量为0.1 mol,则CO物质的量为0.1 mol,则m(C)=0.3 mol×12 g·mol-1=3.6 g,m(H)=0.6 mol×1 g·mol-1=0.6 g,则m(O)= 5.8 g-3.6 g-0.6 g=1.6 g,则氧原子物质的量=0.1 mol,因此n(C)∶n(H)∶n(O)=0.3 mol∶0.6 mol∶0.1 mol=3∶6∶1,A符合题意。
3.实验测得某碳氢化合物A中,碳的质量分数为80%,氢的质量分数为20%,该化合物的实验式为　　　　。又测得该化合物的相对分子质量是30,该化合物的分子式为　　　　。
答案　CH3　C2H6
解析　N(C)∶N(H)=∶=1∶3,该化合物的实验式是CH3。又因为该化合物的相对分子质量为30,所以该化合物的分子式是C2H6。
二、确定分子结构　　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知识梳理
1.红外光谱
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红外光谱图。
作用 可获得有机化合物分子中所含有的化学键或官能团的信息。
实例 上图中可找到C—O、C—H和O—H的吸收峰,因此可推知该有机化合物是含有羟基官能团的化合物。
2.核磁共振氢谱
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,相应的信号在谱图中出现的位置也不同,而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
作用 测定有机化合物分子中氢原子的类型和数目
分析 吸收峰数目=氢原子类型,吸收峰面积比=处于不同化学环境的氢原子数目之比。如CH3CH2OH的吸收峰面积比=3∶2∶1。
3.X射线衍射
(1)原理:X射线与晶体中的原子相互作用可产生衍射图。经过计算可以获得键长、键角等分子结构信息。
(2)应用:X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。1975年,我国科学家通过X射线衍射测定了青蒿素的分子结构。
(二)互动探究
有机物X是一种重要的有机合成中间体,可用于制造塑料、涂料等。为研究X的组成与结构,进行了如下实验:
【问题讨论】
问题1　有机物X的质谱图如图所示,该有机物X的相对分子质量是多少
提示　100。质谱图中质荷比最大数值即为相对分子质量,由质谱图可知有机物X的相对分子质量为100。
问题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增重7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。请确定该有机物X的分子式。
提示　C5H8O2。无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量,氢原子的物质的量为×2=0.8 mol,KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量,碳原子的物质的量为=0.5 mol,根据质量守恒,氧原子的质量为10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,则氧原子的物质的量为=0.2 mol,则该分子中碳、氢、氧原子的个数之比为 0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,结合X的相对分子质量可知,有机物X的分子式为C5H8O2。
问题3　经红外光谱测定,有机物X中含有醛基;有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,峰面积之比为3∶1。请写出该有机物X的结构简式。
提示　(CH3)2C(CHO)2。经红外光谱测定,有机物X中含有醛基,有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,则分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其中一种是醛基中的氢原子,又因为峰面积之比为3∶1,则含两个醛基,故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
【探究归纳】　分子结构确定的一般步骤
4.(2024·河北省月考)现代分析仪器对有机物M的分子结构进行测定,相关结果如下:
有关M的说法不正确的是 (　　)
A.根据图1信息,M的相对分子质量应为74
B.根据图1、图2信息,推测M的分子式是C4H10O
C.根据图1、图2、图3信息,可确定M属于醛类有机物
D.根据图1、图2、图3信息,M分子内有三种化学环境不同的H,个数比为6∶3∶1
答案　C
解析　图1中最大质荷比为74,因此M的相对分子质量为74,A正确;图2可知M中含有烷基与醚键,则其通式可表示为CnH2n+2O,因此14n+2+16=74,解得n=4,故其分子式为C4H10O,B正确;由图2可知M属于醚类,结合分子式C4H10O,可确定M是一元醚,C错误;由图3可知M中含有3种类型的氢原子,并且个数比为6∶3∶1,D正确。
5.(2024·安徽六安裕安区新安中学高二期中)青蒿素是我国科学家从传统中药中发现能治疗疟疾的有机化合物,其分子结构如下图所示,它可用单官能团有机溶剂A从中药中提取。
(1)青蒿素的分子式为　　　　。借助李比希法确定有机溶剂A的实验式(最简式)。利用如图所示的装置测定有机化合物A的组成,取4.4 g A与足量氧气充分燃烧,实验结束后,高氯酸镁的质量增加3.6 g,碱石棉的质量增加8.8 g。装置图中氧化铜的作用是　　　　。
(2)使用现代分析仪器对有机化合物A的分子结构进行测定,相关结果如下:
①根据图1,A的相对分子质量为　　　　。
②根据图2,推测A可能所属有机化合物的类别　　　　,分子式为　　　　。
③根据以上结果和图3(三组峰的面积比为3∶3∶2),推测A的结构简式可能为　　　　。(写出一种即可)
答案　(1)C15H22O5　使碳元素完全转化为CO2
(2)①88　②酯　C4H8O2　③CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3
解析　(1)青蒿素的分子式为C15H22O5;装置图中氧化铜能使可能存在不完全燃烧生成的CO完全转化为CO2,故氧化铜的作用是使碳元素完全转化为CO2;(2)①根据图1中信息得到A的相对分子质量为88;②取4.4 g A(物质的量为0.05 mol)与足量氧气充分燃烧,实验结束后,高氯酸镁的质量增加3.6 g(水的物质的量为0.2 mol),碱石棉的质量增加8.8 g(二氧化碳物质的量为0.2 mol),则根据质量守恒得到A中碳氢关系为C4H8,相对分子质量小于88,说明还含有氧,则分子式C4H8Ox,根据相对分子质量为88得到分子式为C4H8O2,根据图2,含有碳氧双键,还含有碳氧单键和甲基,则推测A可能所属有机化合物的类别酯,分子式为C4H8O2;③含有不对称的甲基,分子式为C4H8O2,有三组峰的面积比为3∶3∶2,推测A的结构简式为CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3。
6.某有机物A只含C、H、O三种元素,具有解毒、降脂等药效,用作饮品。经化学分析如下:
① 相对分子质量为134
② 13.4 g A充分燃烧,吸水剂增重9 g,二氧化碳吸收剂增重22 g
③ 13.4 g A分别与足量Na、足量NaHCO3反应放出3.36 L H2、2.24 L CO2(气体体积均在标准状况下测定)
(1)A的分子式是　　　　。
(2)结合数据分析1个A分子中有　　　　个羟基。
答案　(1)C5H10O4　(2)2
解析　(1)吸水剂增重9 g为H2O的质量,则n(H)=2n(H2O)=2×=2×=1 mol,二氧化碳吸收剂增重22 g,则n(C)=n(CO2)===0.5 mol,由质量守恒可得n(O)×16 g/mol+0.5×12 g+1×1 g=13.4 g,解得n(O)=0.4 mol,则n(C)∶n(H)∶n(O)=0.5∶1∶0.4=5∶10∶4,A的分子式是C5H10O4;(2)n(A)===0.1 mol,n(H2)===0.15 mol,n(CO2)===0.1 mol,0.1 mol A与足量NaHCO3放出0.1 mol CO2说明A中有1个羧基,0.1 mol A与足量Na反应产生0.15 mol H2说明还有2个羟基。
　　　　　　　　　　　　　　　　A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)分子式的确定
1.某有机化合物在氧气中充分燃烧,生成的水蒸气和CO2的物质的量之比为1∶1,由此得出的结论是 (　　)
A.该有机化合物分子中C、H、O原子个数比为1∶2∶3
B.分子中C、H原子个数比为1∶2
C.有机化合物中必定含有氧
D.有机化合物中一定不含氧
答案　B
解析　有机物的质量未知,无法判断有机物中是否含有O元素;CO2和水的物质的量比为1∶1,根据原子守恒可知,有机物分子中碳、氢原子个数比为1∶2。
2.喜树中含有一种被称为喜树碱的生物碱,这种碱的相对分子质量在300~400之间,实验分析得知其元素组成为C占69.0%、O占18.4%,且O含量为H的4倍,其余为N,则一个喜树碱分子中含有的原子总数为 (　　)
A.42 B.43
C.44 D.45
答案　A
解析　由O占18.4%,且O含量为H的4倍,则H元素的含量为4.6%,N元素的含量为1-69%-4.6%-18.4%=8%,则该物质中C、H、O、N的原子个数比为∶∶∶=10∶8∶2∶1,则该物质的化学式为(C10H8O2N)n,又碱的相对分子质量在300~400之间,300<(12×10+1×8+16×2+14)×n<400,则n=2符合,即物质的化学式为C20H16O4N2,则1个分子中含有20+16+4+2=42个原子,故选A。
3.(2024·福建宁德第一中学高二月考)将有机物完全燃烧,生成CO2和H2O。将12 g该有机物的完全燃烧产物通过浓硫酸,浓硫酸增重14.4 g,再通过碱石灰,碱石灰增重26.4 g。则该有机物的分子式为 (　　)
A.C4H10 B.C2H6O2
C.C3H8O D.C2H4O2
答案　C
解析　浓硫酸增重可知水的质量为14.4 g,可计算出n(H2O)==0.8 mol,n(H)=1.6 mol,m(H)=1.6 g;使碱石灰增重26.4 g,可知二氧化碳质量为26.4 g,n(C)=n(CO2)==0.6 mol,m(C)=7.2 g,m(C)+m(H)=8.8 g,有机物的质量为12 g,所以有机物中氧的质量为3.2 g,n(O)==0.2 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=0.6 mol∶1.6 mol∶0.2 mol=3∶8∶1,即实验式为C3H8O,由于C3H8O中碳原子已经饱和,所以分子式也为C3H8O。
4.某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是 (　　)
A.该化合物仅含碳、氢两种元素
B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶8
C.无法确定该化合物是否含有氧元素
D.该化合物实验式为CH4O
答案　D
解析　某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,n(CO2)=0.2 mol,n(H2O)=0.4 mol,根据元素守恒,6.4 g该化合物中含有0.2mol C、0.8 mol H,根据质量守恒定律,该化合物中含有O的物质的量为=0.2 mol。根据以上分析,该化合物含碳、氢、氧三种元素,A错误;6.4 g该化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H,碳、氢原子个数比为1∶4,B错误;6.4 g该化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H、0.2 mol O,该化合物实验式为CH4O,D正确。
(二)分子结构的确定
5.(2024·广东东莞高二月考)有机化合物的定性、定量分析会用到多种化学仪器,下列关于化学仪器的说法不正确的是 (　　)
A.质谱仪可以确定有机化合物的相对分子质量
B.醋酸的晶体结构可以通过X射线衍射法确定
C.红外光谱仪可以检测有机化合物的官能团
D.质谱仪常用来确定有机物的分子式
答案　D
解析　质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法,A正确;醋酸的晶体结构可以通过X射线衍射法确定,B正确;不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同位置,从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团,C正确; 质谱仪可以确定有机化合物的相对分子质量,而不是分子式,D错误。
6.(2024·江苏南师大附中高二期末)某有机化合物有碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,则该有机物的结构简式是 (　　)
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH2CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2OH D.HCOOCH3
答案　C
解析　有机物CH3CH2OCH3的相对分子质量为60,含有C—H键、C—O键,但不含有O—H键,A不符合题意;CH3CH2CH(OH)CH3的相对分子质量为74,B不符合题意;CH3CH2CH2OH的相对分子质量为60,分子中含有C—H键、O—H键、C—O键,C符合题意;HCOOCH3的相对分子质量为60,含有C—H键、C—O键,但不含有O—H键,D不符合题意。
7.(2024·广东东莞第十高级中学高二期中)按要求回答下列问题:
(1)研究有机物的方法有很多,常用的有①核磁共振氢谱 ②蒸馏 ③重结晶 ④萃取⑤红外光谱 ⑥过滤。其中用于分子结构确定的有　　　　(填序号)
(2)下列物质中,其核磁共振氢谱中只有一个吸收峰的是　　　　(填字母)。
A.CH3CH3 B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3OCH3
(3)其含C、H、O三种元素的有机物,经燃烧分析实验测定碳的质量分数是64.86%,氢的质量分数是13.51%。
①如下图是该有机物甲的质谱图,则其相对分子质量为　　　　,分子式为　　　　。
②确定甲的官能团:通过实验可知甲中一定含有羟基。
③确定甲的结构简式:
a.经测定有机物甲的核磁共振氢谱如下图1所示,则甲的结构简式为　　　　。
b.若乙为甲的一种同分异构体,乙的红外光谱如下图2所示,则该有机物乙的结构简式为　　　　。
答案　(1)①⑤　(2)AD
(3)①74　C4H10O
③C(CH3)3OH　CH3CH2OCH2CH3
解析　(1)在上述各种研究方法中,蒸馏、重结晶、萃取、过滤是有机物分离或提纯的方法,核磁共振氢谱、红外光谱常用于分子结构确定,答案选①⑤;(2)其核磁共振氢谱中只有一个吸收峰,说明有机物分子中只有一类氢原子, CH3CH3分子中只有一类氢原子,A正确;CH3COOH分子中含有两类氢原子,B错误;CH3COOCH3分子中含有两类氢原子,C错误;CH3OCH3分子中只有一类氢原子,D正确。(3)且设有机物质量为74 g,故n(C)∶n(H)∶n(O)=∶∶=4∶10∶1,故实验式为C4H10O;①根据分析可知,甲的实验式为C4H10O;根据质谱图知,其相对分子质量是74,结合其实验式知其分子式为C4H10O;③a.甲的核磁共振氢谱图中出现2组峰,说明该结构中有2种氢原子,则结构简式为C(CH3)3OH;b.乙为甲的一种同分异构体,乙的红外光谱含有对称—CH3,对称—CH2—和C—O—C结构,故结构简式为CH3CH2OCH2CH3,含有的官能团为醚键。
B级　素养培优练
8.某有机化合物的键线式及球棍模型如下:
该有机化合物分子的核磁共振氢谱图如下(单位是ppm)。下列关于该有机化合物的叙述不正确的是 (　　)
A.该有机化合物中不同化学环境的氢原子有8种
B.该有机化合物属于芳香族化合物
C.键线式中的Et代表的基团为—CH2CH3
D.该有机化合物的分子式为C9H12O4
答案　B
解析　根据该有机化合物的核磁共振氢谱图及球棍模型判断,不同化学环境的氢原子有8种,A正确;该有机化合物中不含苯环,所以不属于芳香族化合物,B错误;根据该有机化合物的键线式和球棍模型判断Et为乙基,C正确;根据该有机化合物的球棍模型可知,其分子式为C9H12O4,D正确。
9.(2024·陕西西安市铁一中学高二月考)某学习小组研究某烃的含氧衍生物A的组成和结构,研究过程如下:称取9 g A在足量氧气中充分燃烧,并使产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重5.4 g和13.2 g,对A进行波谱分析结果如图。下列说法错误的是 (　　)
A.由质谱图可知A的分子式为C3H6O3
B.结合红外光谱和核磁共振氢谱可知A的结构简式为CH3CH(OH)COOH
C.若取A和C2H6O的混合物1 mol进行燃烧实验,该混合物完全燃烧消耗氧气的物质的量取决于混合物中二组分的比例
D.B是A的位置异构体,则B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1
答案　C
解析　9 g A在足量氧气中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过足量的浓硫酸和碱石灰,发现两者分别增重5.4 g和13.2 g,说明完全燃烧生成水的质量为5.4 g,二氧化碳的质量为13.2 g,9 g A完全燃烧生成水的物质的量是==0.3 mol,9.0 g A完全燃烧生成二氧化碳的物质的量是==0.3 mol,n(O)===0.3 mol,所以A的实验式为CH2O,通过质谱法测得A相对分子质量为90,设分子式为(CH2O)n,则(12+2+16)n=90,n=3,故A的分子式为C3H6O3。 根据红外光谱知A中含有—OH和—COOH,由核磁共振氢谱可知,A中含有4种氢原子,其数目比为1∶1∶1∶3,故A的结构简式为CH3CH(OH)COOH,B正确;A的分子式为C3H6O3,假设有机物的物质的量都为1 mol,混合物中的两种有机物物质的量相同时,完全燃烧消耗的氧气的物质的量相等,无论以何种物质的量的比例混合,完全燃烧消耗氧气的量都为3 mol,C错误;B是A的位置异构体,则B为CH2(OH)CH2COOH,共有4种氢原子,个数比为2∶2∶1∶1,即B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1,D正确。
10.(2024·云南开远市第一中学校高二月考)有机物M可从酸牛奶中提取。已知纯净的M为无色黏稠液体,易溶于水。研究M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M 4.5 g,升温使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍。 试通过计算填空: (1)M的摩尔质量为　　　　。
(2)将此4.5 g M在足量纯O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重2.7 g和6.6 g (2)M的分子式为　　　　。
(3)通过M的红外光谱图发现该分子中既有羟基,还有羧基 (3)写出羟基电子式　　　　。
M的核磁共振氢谱如下图: (4)M中含有　　　　种氢原子 (5)写出M中所含官能团的名称:　　　　。 (6)综上所述,M的结构简式为　　　　　。
答案　(1)90 g/mol　(2)C3H6O3　(3)·︰H　(4)4　(5)羟基和羧基　(6)
解析　(1)相同条件下,气体的密度之比等于摩尔质量之比,所以摩尔质量是氢气的45倍,M的摩尔质量是45×2 g/mol=90 g/mol;(2)4.5 g M在足量纯O2中充分燃烧生成水、二氧化碳分别是2.7 g和6.6 g,则n(H2O)==0.15 mol,n(CO2)==0.15 mol,则4.5 g M中含C、H、O的物质的量分别为0.15 mol、0.15 mol×2=0.3 mol、
=0.15 mol ,C、H、O的物质的量之比为1∶2∶1,摩尔质量是90 g/mol,所以分子式为C3H6O3;(3)羟基的电子式·︰H;(4)根据M的核磁共振氢谱图,可知M有4组峰,即有4种等效氢,比值为1∶1∶1∶3,通过M的红外光谱图发现该分子中既有羟基,还有羧基,结合分子式可知含有1个羟基,1个羧基;(5)综上所述,M的结构简式为。基础课时4　有机物分子式和分子结构的确定
学习目标　1.学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法,并能据此确定有机化合物的分子式。2.能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。
一、确定实验式和分子式　　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知识梳理
1.确定实验式
(1)定量分析原理
将一定量的有机化合物燃烧,转化为简单的无机物,并进行定量测定,通过无机物的质量推算出该有机化合物所含各元素的质量分数,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,确定其实验式,也称最简式。
(2)实验式的测定方法(李比希法)
2.确定分子式
(1)确定相对分子质量——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　　　　　　。
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。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　　　　,即　　　　　　　　的数据就是样品分子的相对分子质量。
(2)确定分子式
在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后,就可进一步确定其分子式。
计算依据:　　　　　　　　　　　　　　。
(二)互动探究
某含碳、氢、氧三种元素的有机化合物X,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%,且该有机化合物的质谱图如下。
【问题讨论】
问题1　怎样计算有机化合物X的实验式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题2　根据质谱图分析有机化合物X的相对分子质量,并分析确定其分子式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题3　有机物的实验式和分子式有何异同
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】　有机物分子式确定“四”步走
1.(2024·湖北武汉经济技术开发区第一中学高二期中)某化学小组同学利用如图装置测定有机化合物中元素C、H、O的质量比,将质量为m的CxHyOz样品放入石英管中加热使其充分反应,实验结束后,U形管c、d的质量增重分别为m1、m2。
下列说法错误的是(　　)
A.开始实验时,依次点燃酒精喷灯b、a
B.实验测得元素C、H的质量比为27m2∶22m1
C.若调换装置c和d,则无法达成实验目的
D.若加热前未先通入一段时间氧气会导致测得氧元素的质量分数偏小
2.为了测定有机物M的分子式,取5.8 g M与一定量的O2置于一密闭容器中燃烧,定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气,测得的有关数据如下(箭头表示气流的方向,实验前系统内的空气已排尽):
该有机物M的分子式可能是(　　)
A.C3H6O B.C2H4O2 C.CH2O2 D.C4H8
3.实验测得某碳氢化合物A中,碳的质量分数为80%,氢的质量分数为20%,该化合物的实验式为　　　　。又测得该化合物的相对分子质量是30,该化合物的分子式为　　　　。
二、确定分子结构　　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知识梳理
1.红外光谱
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红外光谱图
作用 可获得有机化合物分子中所含有的　　　　或　　　　　　的信息
实例 上图中可找到C—O、C—H和O—H的吸收峰,因此可推知该有机化合物是含有　　　　　　官能团的化合物
2.核磁共振氢谱
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,相应的信号在谱图中出现的位置也不同,而且吸收峰的面积与　　　　　　成正比
作用 测定有机化合物分子中氢原子的类型和数目
分析 吸收峰数目=氢原子类型,吸收峰面积比=处于不同化学环境的氢原子数目之比。如CH3CH2OH的吸收峰面积比=　　　　　　　
3.X射线衍射
(1)原理:X射线与晶体中的原子相互作用可产生衍射图。经过计算可以获得键长、键角等分子结构信息。
(2)应用:X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。1975年,我国科学家通过X射线衍射测定了青蒿素的分子结构。
(二)互动探究
有机物X是一种重要的有机合成中间体,可用于制造塑料、涂料等。为研究X的组成与结构,进行了如下实验:
【问题讨论】
问题1　有机物X的质谱图如图所示,该有机物X的相对分子质量是多少
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题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增重7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。请确定该有机物X的分子式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题3　经红外光谱测定,有机物X中含有醛基;有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,峰面积之比为3∶1。请写出该有机物X的结构简式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】　分子结构确定的一般步骤
4.(2024·河北省月考)现代分析仪器对有机物M的分子结构进行测定,相关结果如下:
有关M的说法不正确的是(　　)
A.根据图1信息,M的相对分子质量应为74
B.根据图1、图2信息,推测M的分子式是C4H10O
C.根据图1、图2、图3信息,可确定M属于醛类有机物
D.根据图1、图2、图3信息,M分子内有三种化学环境不同的H,个数比为6∶3∶1
5.(2024·安徽六安裕安区新安中学高二期中)青蒿素是我国科学家从传统中药中发现能治疗疟疾的有机化合物,其分子结构如下图所示,它可用单官能团有机溶剂A从中药中提取。
(1)青蒿素的分子式为　　　　。借助李比希法确定有机溶剂A的实验式(最简式)。利用如图所示的装置测定有机化合物A的组成,取4.4 g A与足量氧气充分燃烧,实验结束后,高氯酸镁的质量增加3.6 g,碱石棉的质量增加8.8 g。装置图中氧化铜的作用是　　　　　　　　。
(2)使用现代分析仪器对有机化合物A的分子结构进行测定,相关结果如下:
①根据图1,A的相对分子质量为　　　　。
②根据图2,推测A可能所属有机化合物的类别　　　　,分子式为　　　　。
③根据以上结果和图3(三组峰的面积比为3∶3∶2),推测A的结构简式可能为　　　　　。(写出一种即可)
6.某有机物A只含C、H、O三种元素,具有解毒、降脂等药效,用作饮品。经化学分析如下:
① 相对分子质量为134
② 13.4 g A充分燃烧,吸水剂增重9 g,二氧化碳吸收剂增重22 g
③ 13.4 g A分别与足量Na、足量NaHCO3反应放出3.36 L H2、2.24 L CO2(气体体积均在标准状况下测定)
(1)A的分子式是　　　　。
(2)结合数据分析1个A分子中有　　　　个羟基。
:课后完成　第一章　基础课时4
章末测评验收卷(一)(共60张PPT)
基础课时 　有机物分子式和分子结构的确定
4
第二节　研究有机化合物的一般方法
第一章　有机化合物的结构特点与研究方法
1.学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法,并能据此确定有机化合物的分子式。2.能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。
学习目标
一、确定实验式和分子式　
二、确定分子结构
目
录
CONTENTS
课后巩固训练
一、确定实验式和分子式
对点训练
(一)知识梳理
1.确定实验式
(1)定量分析原理
将一定量的有机化合物燃烧,转化为简单的无机物,并进行定量测定,通过无机物的质量推算出该有机化合物所含各元素的质量分数,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,确定其实验式,也称最简式。
(2)实验式的测定方法(李比希法)
二氧
化碳
氧元素
2.确定分子式
(1)确定相对分子质量——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　　　　　　。
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。如图为某有机化合物的质谱图:
分子离子
相对质量与电荷数
质荷比
质荷比
各类离子的相对丰度
从图中可知,该有机物的相对分子质量为　　　　,即　　　　　　　　的数据就是样品分子的相对分子质量。
(2)确定分子式
在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后,就可进一步确定其分子式。
计算依据:　　　　　　　　　　　　　　。
46
质荷比最大
分子式是实验式的整数倍
(二)互动探究
某含碳、氢、氧三种元素的有机化合物X,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%,且该有机化合物的质谱图如下。
【问题讨论】
问题1　怎样计算有机化合物X的实验式
提示　由题意可知,氧的质量分数为1-64.86%-13.51%=21.63%,各元素原子个数比:N(C)∶N(H)∶N(O)=∶∶≈4∶10∶1,故该有机化合物的实验式为C4H10O。
问题2　根据质谱图分析有机化合物X的相对分子质量,并分析确定其分子式。
提示　实验式的相对分子质量为74,观察该有机化合物的质谱图,质荷比最大的数值为74,所以其相对分子质量为74,则该有机化合物的分子式为C4H10O。
问题3　有机物的实验式和分子式有何异同
提示　实验式也叫“最简式”,表示最简单的原子个数比,而分子式表明了一个分子中的所含各元素原子的个数,有些物质的实验式和分子式相同,如CH4。
【探究归纳】　有机物分子式确定“四”步走
1.(2024·湖北武汉经济技术开发区第一中学高二期中)某化学小组同学利用如图装置测定有机化合物中元素C、H、O的质量比,将质量为m的CxHyOz样品放入石英管中加热使其充分反应,实验结束后,U形管c、d的质量增重分别为m1、m2。
下列说法错误的是(　　)
A.开始实验时,依次点燃酒精喷灯b、a
B.实验测得元素C、H的质量比为27m2∶22m1
C.若调换装置c和d,则无法达成实验目的
D.若加热前未先通入一段时间氧气会导致测得氧元素的质量分数偏小
B
解析　由实验装置图可知,a处发生的反应为有机物在加热条件下与氧气反应生成碳的氧化物和水,装置b处氧化铜与一氧化碳反应生成二氧化碳,装置c为水蒸气的吸收测定装置,装置d为二氧化碳的吸收测定装置,该装置的缺陷为没有吸收空气中水蒸气和二氧化碳的装置,会导致实验误差。
为使有机物不完全燃烧生成的二氧化碳完全转化为被碱石灰吸收的二氧化碳,实验开始时,应依次点燃酒精喷灯b、a,A正确;装置c为水蒸气的吸收测定装置,装置d为二氧化碳的吸收测定装置,则实验测得碳、氢元素的质量比为(×12)∶(×2×1)=27m2∶11m1,B错误;装置c为水蒸气的吸收测定装置,装置d为二氧化碳的吸收测定装置,若调换装置c和d,则碱石灰会吸收二氧化碳和水蒸气,无法测得反应生成二氧化碳和水蒸气的质量,无法达成实验目的,C正确;若加热前未先通入一段时间氧气排尽装置中的空气,实验测得水蒸气和二氧化碳的质量均偏高,会导致测得氧元素的质量分数偏小,D正确。
2.为了测定有机物M的分子式,取5.8 g M与一定量的O2置于一密闭容器中燃烧,定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气,测得的有关数据如下(箭头表示气流的方向,实验前系统内的空气已排尽):
该有机物M的分子式可能是(　　)
A.C3H6O B.C2H4O2
C.CH2O2 D.C4H8
A
3.实验测得某碳氢化合物A中,碳的质量分数为80%,氢的质量分数为20%,该化合物的实验式为　　　　。又测得该化合物的相对分子质量是30,该化合物的分子式为　　　　。
CH3
C2H6
解析　N(C)∶N(H)=∶=1∶3,该化合物的实验式是CH3。又因为该化合物的相对分子质量为30,所以该化合物的分子式是C2H6。
二、确定分子结构
对点训练
(一)知识梳理
1.红外光谱
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红外光谱图
作用 可获得有机化合物分子中所含有的　　　　或　　　　　　的信息
实例
上图中可找到C—O、C—H和O—H的吸收峰,因此可推知该有机化合物是含有　　　　　　官能团的化合物
化学键
官能团
羟基
2.核磁共振氢谱
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,相应的信号在谱图中出现的位置也不同,而且吸收峰的面积与__________成正比
作用 测定有机化合物分子中氢原子的类型和数目
分析 吸收峰数目=氢原子类型,吸收峰面积比=处于不同化学环境的氢原子数目之比。如CH3CH2OH的吸收峰面积比=　　　　　　　
氢原子数
3∶2∶1
3.X射线衍射
(1)原理:X射线与晶体中的原子相互作用可产生衍射图。经过计算可以获得键长、键角等分子结构信息。
(2)应用:X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。1975年,我国科学家通过X射线衍射测定了青蒿素的分子结构。
(二)互动探究
有机物X是一种重要的有机合成中间体,可用于制造塑料、涂料等。为研究X的组成与结构,进行了如下实验:
【问题讨论】
问题1　有机物X的质谱图如图所示,该有机物X的相对分子质量是多少
提示　100。质谱图中质荷比最大数值即为相对分子质量,由质谱图可知有机物X的相对分子质量为100。
问题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增重7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。请确定该有机物X的分子式。
提示　C5H8O2。无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量,氢原子的物质的量为×2=0.8 mol,KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量,碳原子的物质的量为=0.5 mol,根据质量守恒,氧原子的质量为10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,则氧原子的物质的量为=0.2 mol,则该分子中碳、氢、氧原子的个数之比为 0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,结合X的相对分子质量可知,有机物X的分子式为C5H8O2。
问题3　经红外光谱测定,有机物X中含有醛基;有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,峰面积之比为3∶1。请写出该有机物X的结构简式。
提示　(CH3)2C(CHO)2。经红外光谱测定,有机物X中含有醛基,有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,则分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其中一种是醛基中的氢原子,又因为峰面积之比为3∶1,则含两个醛基,故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
【探究归纳】　分子结构确定的一般步骤
4.(2024·河北省月考)现代分析仪器对有机物M的分子结构进行测定,相关结果如下:
有关M的说法不正确的是(　　)
A.根据图1信息,M的相对分子质量应为74
B.根据图1、图2信息,推测M的分子式是C4H10O
C.根据图1、图2、图3信息,可确定M属于醛类有机物
D.根据图1、图2、图3信息,M分子内有三种化学环境不同的H,个数比为6∶3∶1
解析　图1中最大质荷比为74,因此M的相对分子质量为74,A正确;图2可知M中含有烷基与醚键,则其通式可表示为CnH2n+2O,因此14n+2+16=74,解得n=4,故其分子式为C4H10O,B正确;由图2可知M属于醚类,结合分子式C4H10O,可确定M是一元醚,C错误;由图3可知M中含有3种类型的氢原子,并且个数比为6∶3∶1,D正确。
C
5.(2024·安徽六安裕安区新安中学高二期中)青蒿素是我国科学家从传统中药中发现能治疗疟疾的有机化合物,其分子结构如下图所示,它可用单官能团有机溶剂A从中药中提取。
(1)青蒿素的分子式为　　　　。借助李比希法确定有机溶剂A的实验式(最简式)。利用如图所示的装置测定有机化合物A的组成,取4.4 g A与足量氧气充分燃烧,实验结束后,高氯酸镁的质量增加3.6 g,碱石棉的质量增加8.8 g。装置图中氧化铜的作用是　　　　　　　　　　　。
C15H22O5
使碳元素完全转化为CO2
(2)使用现代分析仪器对有机化合物A的分子结构进行测定,相关结果如下:
①根据图1,A的相对分子质量为　　　　。
②根据图2,推测A可能所属有机化合物的类别　　　　,分子式为　　　　。
88
酯
C4H8O2
③根据以上结果和图3(三组峰的面积比为3∶3∶2),推测A的结构简式可能为　　　　　　　　　　　　　　　　。(写出一种即可)
CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3
解析　(1)青蒿素的分子式为C15H22O5;装置图中氧化铜能使可能存在不完全燃烧生成的CO完全转化为CO2,故氧化铜的作用是使碳元素完全转化为CO2;(2)①根据图1中信息得到A的相对分子质量为88;②取4.4 g A(物质的量为0.05 mol)与足量氧气充分燃烧,实验结束后,高氯酸镁的质量增加3.6 g(水的物质的量为0.2 mol),碱石棉的质量增加8.8 g(二氧化碳物质的量为0.2 mol),则根据质量守恒得到A中碳氢关系为C4H8,相对分子质量小于88,说明还含有氧,则分子式C4H8Ox,根据相对分子质量为88得到分子式为C4H8O2,根据图2,含有碳氧双键,还含有碳氧单键和甲基,则推测A可能所属有机化合物的类别酯,分子式为C4H8O2;③含有不对称的甲基,分子式为C4H8O2,有三组峰的面积比为3∶3∶2,推测A的结构简式为CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3。
6.某有机物A只含C、H、O三种元素,具有解毒、降脂等药效,用作饮品。经化学分析如下:
① 相对分子质量为134
② 13.4 g A充分燃烧,吸水剂增重9 g,二氧化碳吸收剂增重22 g
③ 13.4 g A分别与足量Na、足量NaHCO3反应放出3.36 L H2、2.24 L CO2(气体体积均在标准状况下测定)
(1)A的分子式是　　　　。
(2)结合数据分析1个A分子中有　　　　　个羟基。
C5H10O4
2
解析　(1)吸水剂增重9 g为H2O的质量,则n(H)=2n(H2O)=2×=2×=1 mol,二氧化碳吸收剂增重22 g,则n(C)=n(CO2)===0.5 mol,由质量守恒可得n(O)×16 g/mol+0.5×12 g+1×1 g=13.4 g,解得n(O)=0.4 mol,则n(C)∶n(H)∶n(O)=0.5∶1∶0.4=5∶10∶4,A的分子式是C5H10O4;(2)n(A)===0.1 mol,n(H2)===0.15 mol,n(CO2)===0.1 mol,0.1 mol A与足量NaHCO3放出0.1 mol CO2说明A中有1个羧基,0.1 mol A与足量Na反应产生0.15 mol H2说明还有2个羟基。
课后巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)分子式的确定
1.某有机化合物在氧气中充分燃烧,生成的水蒸气和CO2的物质的量之比为1∶1,由此得出的结论是(　　)
A.该有机化合物分子中C、H、O原子个数比为1∶2∶3
B.分子中C、H原子个数比为1∶2
C.有机化合物中必定含有氧
D.有机化合物中一定不含氧
B
解析　有机物的质量未知,无法判断有机物中是否含有O元素;CO2和水的物质的量比为1∶1,根据原子守恒可知,有机物分子中碳、氢原子个数比为1∶2。
2.喜树中含有一种被称为喜树碱的生物碱,这种碱的相对分子质量在300~400之间,实验分析得知其元素组成为C占69.0%、O占18.4%,且O含量为H的4倍,其余为N,则一个喜树碱分子中含有的原子总数为(　　)
A.42 B.43 C.44 D.45
解析　由O占18.4%,且O含量为H的4倍,则H元素的含量为4.6%,N元素的含量为1-69%-4.6%-18.4%=8%,则该物质中C、H、O、N的原子个数比为∶∶∶=10∶8∶2∶1,则该物质的化学式为(C10H8O2N)n,又碱的相对分子质量在300~400之间,300<(12×10+1×8+16×2+14)×n<400,则n=2符合,即物质的化学式为C20H16O4N2,则1个分子中含有20+16+4+2=42个原子,故选A。
A
3.(2024·福建宁德第一中学高二月考)将有机物完全燃烧,生成CO2和H2O。将12 g该有机物的完全燃烧产物通过浓硫酸,浓硫酸增重14.4 g,再通过碱石灰,碱石灰增重26.4 g。则该有机物的分子式为(　　)
A.C4H10 B.C2H6O2 C.C3H8O D.C2H4O2
C
解析　浓硫酸增重可知水的质量为14.4 g,可计算出n(H2O)==0.8 mol, n(H)=1.6 mol,m(H)=1.6 g;使碱石灰增重26.4 g,可知二氧化碳质量为26.4 g, n(C)=n(CO2)==0.6 mol,m(C)=7.2 g,m(C)+m(H)=8.8 g,有机物的质量为12 g,所以有机物中氧的质量为3.2 g,n(O)==0.2 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=
0.6 mol∶1.6 mol∶0.2 mol=3∶8∶1,即实验式为C3H8O,由于C3H8O中碳原子已经饱和,所以分子式也为C3H8O。
4.某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是(　　)
A.该化合物仅含碳、氢两种元素
B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶8
C.无法确定该化合物是否含有氧元素
D.该化合物实验式为CH4O
D
解析　某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,n(CO2)=0.2 mol,n(H2O)=0.4 mol,根据元素守恒,6.4 g该化合物中含有0.2mol C、0.8 mol H,根据质量守恒定律,该化合物中含有O的物质的量为=0.2 mol。根据以上分析,该化合物含碳、氢、氧三种元素,A错误;6.4 g该化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H,碳、氢原子个数比为1∶4,B错误;6.4 g该化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H、0.2 mol O,该化合物实验式为CH4O,D正确。
(二)分子结构的确定
5.(2024·广东东莞高二月考)有机化合物的定性、定量分析会用到多种化学仪器,下列关于化学仪器的说法不正确的是(　　)
A.质谱仪可以确定有机化合物的相对分子质量
B.醋酸的晶体结构可以通过X射线衍射法确定
C.红外光谱仪可以检测有机化合物的官能团
D.质谱仪常用来确定有机物的分子式
D
解析　质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法,A正确;醋酸的晶体结构可以通过X射线衍射法确定,B正确;不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同位置,从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团,C正确; 质谱仪可以确定有机化合物的相对分子质量,而不是分子式,D错误。
6.(2024·江苏南师大附中高二期末)某有机化合物有碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,则该有机物的结构简式是(　　)
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH2CH(OH)CH3 C.CH3CH2CH2OH D.HCOOCH3
C
解析　有机物CH3CH2OCH3的相对分子质量为60,含有C—H键、C—O键,但不含有O—H键,A不符合题意;CH3CH2CH(OH)CH3的相对分子质量为74,B不符合题意;CH3CH2CH2OH的相对分子质量为60,分子中含有C—H键、O—H键、C—O键,C符合题意;HCOOCH3的相对分子质量为60,含有C—H键、C—O键,但不含有O—H键,D不符合题意。
7.(2024·广东东莞第十高级中学高二期中)按要求回答下列问题:
(1)研究有机物的方法有很多,常用的有①核磁共振氢谱 ②蒸馏 ③重结晶 ④萃取⑤红外光谱 ⑥过滤。其中用于分子结构确定的有　　　　(填序号)
(2)下列物质中,其核磁共振氢谱中只有一个吸收峰的是　　　　(填字母)。
A.CH3CH3 B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3OCH3
①⑤
AD
(3)其含C、H、O三种元素的有机物,经燃烧分析实验测定碳的质量分数是64.86%,氢的质量分数是13.51%。
①如下图是该有机物甲的质谱图,则其相对分子质量为　　　　,分子式为　　　　。
74
C4H10O
②确定甲的官能团:通过实验可知甲中一定含有羟基。
③确定甲的结构简式:
a.经测定有机物甲的核磁共振氢谱如下图1所示,则甲的结构简式为　　　　　。
b.若乙为甲的一种同分异构体,乙的红外光谱如下图2所示,则该有机物乙的结构简式为　　　　　　　　。
C(CH3)3OH
CH3CH2OCH2CH3
解析　(1)在上述各种研究方法中,蒸馏、重结晶、萃取、过滤是有机物分离或提纯的方法,核磁共振氢谱、红外光谱常用于分子结构确定,答案选①⑤;(2)其核磁共振氢谱中只有一个吸收峰,说明有机物分子中只有一类氢原子, CH3CH3分子中只有一类氢原子,A正确;CH3COOH分子中含有两类氢原子,B错误;CH3COOCH3分子中含有两类氢原子,C错误;CH3OCH3分子中只有一类氢原子,D正确。
(3)且设有机物质量为74 g,故n(C)∶n(H)∶n(O)=∶∶
=4∶10∶1,故实验式为C4H10O;①根据分析可知,甲的实验式为C4H10O;根据质谱图知,其相对分子质量是74,结合其实验式知其分子式为C4H10O;③a.甲的核磁共振氢谱图中出现2组峰,说明该结构中有2种氢原子,则结构简式为C(CH3)3OH;b.乙为甲的一种同分异构体,乙的红外光谱含有对称—CH3,对称—CH2—和C—O—C结构,故结构简式为CH3CH2OCH2CH3,含有的官能团为醚键。
B级　素养培优练
8.某有机化合物的键线式及球棍模型如下:
该有机化合物分子的核磁共振氢谱图如下
(单位是ppm)。下列关于该有机化合物的叙述不正确的是(　　)
A.该有机化合物中不同化学环境的氢原子有8种
B.该有机化合物属于芳香族化合物
C.键线式中的Et代表的基团为—CH2CH3
D.该有机化合物的分子式为C9H12O4
B
解析　根据该有机化合物的核磁共振氢谱图及球棍模型判断,不同化学环境的氢原子有8种,A正确;该有机化合物中不含苯环,所以不属于芳香族化合物,B错误;根据该有机化合物的键线式和球棍模型判断Et为乙基,C正确;根据该有机化合物的球棍模型可知,其分子式为C9H12O4,D正确。
9.(2024·陕西西安市铁一中学高二月考)某学习小组研究某烃的含氧衍生物A的组成和结构,研究过程如下:称取9 g A在足量氧气中充分燃烧,并使产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重5.4 g和13.2 g,对A进行波谱分析结果如图。下列说法错误的是(　　)
A.由质谱图可知A的分子式为C3H6O3
B.结合红外光谱和核磁共振氢谱可知A的结构简式为CH3CH(OH)COOH
C.若取A和C2H6O的混合物1 mol进行燃烧实验,该混合物完全燃烧消耗氧气的物质的量取决于混合物中二组分的比例
D.B是A的位置异构体,则B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1
答案　C
解析　9 g A在足量氧气中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过足量的浓硫酸和碱石灰,发现两者分别增重5.4 g和13.2 g,说明完全燃烧生成水的质量为5.4 g,二氧化碳的质量为13.2 g,9 g A完全燃烧生成水的物质的量是==0.3 mol,9.0 g A完全燃烧生成二氧化碳的物质的量是==0.3 mol,n(O)==
=0.3 mol,所以A的实验式为CH2O,通过质谱法测得A
相对分子质量为90,设分子式为(CH2O)n,则(12+2+16)n=90,n=3,故A的分子式为C3H6O3。 根据红外光谱知A中含有—OH和—COOH,由核磁共振氢谱可知,A中含有4种氢原子,其数目比为1∶1∶1∶3,故A的结构简式为CH3CH(OH)COOH,B正确;A的分子式为C3H6O3,假设有机物的物质的量都为1 mol,混合物中的两种有机物物质的量相同时,完全燃烧消耗的氧气的物质的量相等,无论以何种物质的量的比例混合,完全燃烧消耗氧气的量都为3 mol,C错误;B是A的位置异构体,则B为CH2(OH)CH2COOH,共有4种氢原子,个数比为2∶2∶1∶1,即B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1,D正确。
10.(2024·云南开远市第一中学校高二月考)有机物M可从酸牛奶中提取。已知纯净的M为无色黏稠液体,易溶于水。研究M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M 4.5 g,升温使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍。 试通过计算填空:
(1)M的摩尔质量为　　　　。
(2)将此4.5 g M在足量纯O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重2.7 g和6.6 g (2)M的分子式为　　　　。
90 g/mol
C3H6O3
实验步骤 解释或实验结论
(3)通过M的红外光谱图发现该分子中既有羟基,还有羧基
(3)写出羟基电子式　　　　　。
M的核磁共振氢谱如下图: (4)M中含有　　　　种氢原子
(5)写出M中所含官能团的名称:
　　　　　　　　。
(6)综上所述,M的结构简式为
　　　　　　　　。
·︰H　
4
羟基和羧基
解析　(1)相同条件下,气体的密度之比等于摩尔质量之比,所以摩尔质量是氢气的45倍,M的摩尔质量是45×2 g/mol=90 g/mol;(2)4.5 g M在足量纯O2中充分燃烧生成水、二氧化碳分别是2.7 g和6.6 g,则n(H2O)==0.15 mol, n(CO2)==0.15 mol,则4.5 g M中含C、H、O的物质的量分别为0.15 mol、0.15 mol×2=0.3 mol、=0.15 mol ,C、H、O的物质的量之比为1∶2∶1,摩尔质量是90 g/mol,所以分子式为C3H6O3;(3)羟基的电子式·︰H;

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