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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、分子式和分子结构的确定
课前·基础认知
一、确定实验式
1.元素分析。
(1)元素分析的目的。
元素的定性、定量分析是用化学方法测定有机化合物的
元素组成,以及各元素的质量分数。
(2)定量分析的原理。
将一定量的有机化合物燃烧,转化为简单的无机物,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.实验式的测定步骤(李比希法)。
3.实例。
某种含C、H、O三种元素的未知物A,经燃烧分析实验测得该未知物中碳的质量分数为52.2%,氢的质量分数为13.1%。则:
(1)氧元素的质量分数为34.7%。
(2)C、H、O的原子个数比(最简整数比)
N(C)∶N(H)∶N(O)≈2∶6∶1。
(3)该未知物的实验式为C2H6O。
微训练1 验证某有机化合物属于烃,应完成的实验内容是
(　　)。
A.只需验证该有机化合物是否易燃烧
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和CO2的物质的量之比
D.只测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量
答案:D
二、有机化合物相对分子质量的测定——质谱法
1.质荷比:带正电荷的分子离子、碎片离子的相对质量与其　电荷数　的比值。
2.质谱图中,质荷比的　最大值　就表
示了样品分子的相对分子质量。例如,
根据下图可知,样品分子的相对分子质
量为　46　。
微训练2 某有机化合物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷,相对丰度与该离子的多少有关),则该有机化合物可能是(　　)。
A.甲醇(CH3OH) B.甲烷
C.丙烷 D.乙烯
答案:B
三、分子结构的确定
1.红外光谱。
(1)原理:不同化学键或官能团的吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。
(2)作用:可以初步获得分子中含有的化学键或官能团的信息。
(3)实例:如根据下图某物质的红外光谱,可知该分子中有　O—H　、　C—H　和　C—O　,可以初步推测其含有的官能团是　—OH　。
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,相应的信号在谱图中出现的位置也不同,具有不同的化学位移,而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
(2)作用:测定有机化合物分子中氢原子的种类和数目。
(3)分析:吸收峰数目=　氢原子的种类　,吸收峰面积比=　氢原子个数比　。如CH3CH2OH的吸收峰面积比=　3∶2∶1　。
3.X射线衍射。
根据X射线与晶体中的原子相互作用产生的衍射图,可以获得　分子结构　的有关数据,包括　键长　、　键角　等分子结构信息。
微思考 除利用红外光谱法判断某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
提示:还可以根据有机化合物特殊的化学性质来判断。
课堂·重难突破
问题探究
1.我国科学家屠呦呦因发现治疗疟疾的有效药物——青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素来源于植物青蒿,其分子式是C15H22O5,其结构简式如右图所示:
已知青蒿素完全燃烧的产物只有CO2和H2O,如何通过实验判断该有机化合物中是否含有氧元素
一、 有机化合物分子式的确定
提示:先根据燃烧产物CO2和H2O的质量计算出碳元素和氢元素质量,若m(C)+m(H)=m(有机化合物),则不含有氧元素;若m(C)+m(H)2.有机化合物的实验式和分子式有何异同 试分析能否由实验式直接确定分子式
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,大多数有机化合物则不同,如乙烯的分子式是C2H4,实验式是CH2。有些实验式可以直接确定分子式,有些不可以。如实验式CH4、CH4O、CH3、C2H6O、CH3O等,根据氢原子饱和程度知对应的分子式只有CH4、CH4O、C2H6、C2H6O、C2H6O2,但绝大多数实验式无法直接确定分子式。
归纳总结
有机化合物分子式的确定方法。
(1)常用方法。
(2)化学方程式法。
利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。在有机化学中,常利用有机化合物完全燃烧的化学方程式推算分子式。常用的化学方程式:
(3)商余法。
如果该有机化合物为烃,在已经知道相对分子质量的情况下,可以用以下方法确定分子式。
用烃的相对分子质量除以14,看商数和余数。
其中商数A为烃中的碳原子数, 此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯、苯的同系物等)。
如某有机化合物为烃类,且相对分子质量为58,则58除以14,商4余2,则该有机化合物为烷烃,分子式为C4H10。
典型例题
【例1】 6.4 g某化合物在氧气中完全燃烧,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.该化合物中一定含有氧元素
答案:D
解析:化合物燃烧生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,根据元素守恒则一定含有C、H元素,8.8 g二氧化碳的物质的量为
n(H)=2n(H2O)=0.8 mol,m(H)=0.8 g,故化合物中N(C)∶N(H)= n(C)∶n(H)=0.2 mol∶0.8 mol=1∶4,由于m(C)+m(H)=2.4 g +0.8 g=3.2 g<6.4 g,所以该化合物中一定含有氧元素。
【例2】 某有机化合物分子式的确定。
(1)测定实验式:含C、H、O三种元素的某有机化合物,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:如图是该有机化
合物的质谱图,则其相对分子质量
为　　　　,分子式为　　　　。
答案:(1)C4H10O　(2)74　C4H10O
(2)由质谱图知其相对分子质量为74,而其实验式的相对分子质量为12×4+1×10+16=74,故其分子式为C4H10O。
二、 有机化合物结构式的确定
问题探究
1.某有机化合物的分子式为C4H8O2,其红外光谱图如下。
试推测该有机化合物可能的结构有哪些
提示:根据红外光谱图所示,该有机化合物有下列特征基团:不对称—CH3、C═O、C—O—C,结合分子式C4H8O2可知,该有机化合物可能为酯或含酮羰基的醚。有如下几种结构:
、CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3。
2.乙醇CH3CH2OH和二甲醚CH3OCH3的分子式都为C2H6O。列举2种能确定分子式为C2H6O的物质的类别的方法
提示:乙醇和二甲醚属于同分异构体,如用核磁共振氢谱根据氢原子吸收峰进行结构分析,能确定两者的类别;也可以借助官能团性质如与Na反应,确定两者的类别。
归纳总结
1.确定有机化合物结构式的物理方法。
(1)核磁共振氢谱法:核磁共振氢谱图中,吸收峰数目=氢原子的种类,吸收峰面积之比=不同化学环境氢原子个数之比。
(2)红外光谱法:不同化学键、官能团的吸收频率不同,在红外光谱图中所处的位置不同。因此,可根据红外光谱图,推知有机化合物分子中含有哪些化学键、官能团,从而确定有机化合物的结构。
2.确定有机化合物结构式的其他方法。
(1)根据价键规律确定。
根据价键规律可以判断出某些有机化合物只存在一种结构,则可直接根据分子式确定其结构式。如C2H6的结构只能是CH3CH3,CH4O的结构只能是CH3OH。
(2)进行定性实验。
官能团的特征反应→定性实验→实验中有机化合物表现出的性质及结论→官能团→确定结构式。如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机化合物分子中可能含有碳碳双键或碳碳三键。
(3)进行定量实验。
通过定量实验确定官能团的数目,如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol氢气,则可说明1 mol该醇分子中含2 mol —OH。
(4)进行“组装”确定。
根据实验测得的官能团种类、数目,结合价键规律等进行“组装”和“拼凑”来确定有机化合物的结构式。
典型例题
【例3】 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A 9.0 g,升温使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍 (1)A的相对分子质量为　　　
实验步骤 解释或实验结论
(2)将此9.0 g A在足量氧气中充分燃烧,并使产物缓缓通过足量的无水氯化钙和KOH浓溶液,发现两者质量分别增加5.4 g和13.2 g (2)A的分子式为　　　
答案:(1)90　(2)C3H6O3　(3)—COOH　—OH　(4)4　
(5)
解析:(1)A的密度是相同条件下H2密度的45倍,相对分子质量为45×2=90;9.0 g A的物质的量为0.1 mol。
(2)燃烧产物是5.4 g水和13.2 g二氧化碳,说明0.1 mol A燃烧生成0.3 mol H2O和0.3 mol CO2,即0.1 mol A中含有0.6 mol H、
0.3 mol C,氧元素为
=0.3 mol,则A的最简式为CH2O。设分子式为(CH2O)n,则30n=90,n=3,故分子式为C3H6O3。
(3)0.1 mol A与足量的NaHCO3粉末反应,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),说明分子中含有1个—COOH和1个—OH。
(4)A的核磁共振氢谱中有4组峰,说明分子中含有4种处于不同化学环境的氢原子,且个数比为1∶1∶1∶3。
(5)综上所述,A的结构简式为 。
规律方法 确定分子结构的步骤。
成 果 验 收 站
1.下列有关说法错误的是(　　)。
A.李比希法是定量研究有机化合物中元素组成的方法
B.元素分析仪可用于分析有机化合物中的元素组成
C.利用李比希法可以确定有机化合物的实验式
D.元素分析可以确定未知物的分子式
答案:D
解析:元素分析只能确定组成分子的各元素最简单的整数比,不能确定未知物的分子式。
2.乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体,其结构式分别如下:
和 。两种物质在下列检测仪上显
示出的信号完全相同的是(　　)。
A.李比希元素分析仪
B.红外光谱仪
C.核磁共振仪
D.质谱仪
答案:A
解析:李比希元素分析仪检测的是元素的种类,乙酸和甲酸甲酯的元素种类相同,都含有C、H、O三种元素,A项符合题意。红外光谱仪检测的是化学键和官能团的结构特征,乙酸中含有羧基,甲酸甲酯中含有酯基,信号不完全相同,B项不符合题意。核磁共振仪检测的是氢原子的种类,乙酸中含有2种处于不同化学环境的氢原子,有2组峰且峰面积之比为3∶1;甲酸甲酯中含有2种处于不同化学环境的氢原子,有2组峰且峰面积之比为1∶3,但峰的化学位移不完全相同,C项不符合题意。质谱仪检测的是有机化合物的相对分子质量,二者的相对分子质量相同,但分子碎片的相对质量不完全相同,D项不符合题意。
3.下列分子的核磁共振氢谱有两组峰,且峰面积比为1∶1的化合物是(　　)。
答案:A
解析:A的分子中,4个双键碳原子上的氢原子性质相同,2个
—CH2—上的氢原子性质相同,则其核磁共振氢谱有两组峰,且峰面积比为4∶4=1∶1,A项符合题意。B的分子中,所有碳原子的性质相同,氢原子的性质相同,则其核磁共振氢谱中只有一组峰,B项不符合题意。C的分子中,碳原子有两种,但中间碳原子上不连有氢原子,则8个氢原子的性质相同,其核磁共振氢谱中只有一组峰,C项不符合题意。D的分子中,氢原子有两种,个数比为4∶6=2∶3,其核磁共振氢谱中有两组峰,但峰面积比为2∶3,D项不符合题意。
4.某有机化合物完全燃烧,只生成CO2和H2O。将12 g该有机化合物完全燃烧后的产物通过浓硫酸,浓硫酸质量增加14.4 g,再通过碱石灰,碱石灰质量增加26.4 g。该有机化合物分子式为(　　)。
A.C4H10 B.C2H6O
C.C3H8O D.C2H4O2
答案:C
5.某有机化合物A的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示,则A的结构简式为(　　)。
A.CH3OCH2CH2CH3 B.CH3CH2OCH2CH3
C.CH3CH2CH2CH2OH D.(CH3)2CHOCH3
答案:B
解析:A项,分子式为C4H10O,两个亚甲基(—CH2—)、两个甲基(—CH3)都不对称,错误。B项,分子式为C4H10O,存在对称的甲基(—CH3)、对称的亚甲基(—CH2—)和醚键,可得出分子的结构为CH3CH2OCH2CH3,正确。C项,分子式为C4H10O,分子中不含醚键,错误。D项,分子式为C4H10O,没有亚甲基(—CH2—),有3个甲基(—CH3),错误。
6.某有机化合物的相对分子质量为70,红外光谱表征到碳碳双键和C═O的存在,核磁共振氢谱如下图(峰面积之比依次为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
　　　　　　。
答案:(1)4　(2)C4H6O　(3)CH3—CH═CH—CHO
解析:该有机化合物的红外光谱检测到有碳碳双键和C═O的存在,所以最简式可设为CnH2n-2O,可得:12n+2n-2+16=70,所以n=4,分子式为C4H6O。根据核磁共振氢谱可知该有机化合物中有4组峰,即有4种不同化学环境的氢原子。

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