【高中化学】有机物实验式、分子式和分子结构的确定 高二化学人教版（2019）选择性必修3

有机物实验式、分子式和分子结构的确定第一章

第二节第2课时

学习

目标第2课时

有机化合物实验式、分子式、分子结构的确定PART01PART02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；了解质谱法确定分子式的原理与方法；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

波谱分析确定结构式元素定量分析确定实验式研究有机化合物的一般步骤和方法李比希法现代元素分析仪定量分析：用化学方法鉴定有机物所含元素。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（C-CO2,H-H2O）并通过测定无机物的质量，计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，确定实验式(也称最简式)定性分析：鉴定分子内各元素原子的质量分数。元素分析一、确定实验式—元素分析2、元素分析方法：①李比希元素分析法②现代元素分析仪①李比希法简易装置图：原理：一定量有机物[含C、H、(O)]CuO氧化H2OCO2无水CaCl2吸收浓KOH吸收反应前后装置质量差计算C、H元素质量用C、H、O元素原子个数比确定实验式依据总质量减去C、H元素质量确定是否有O元素“李比希法”的原理：定量测定有机物中C、H和O元素含量的一种分析方法。H2OCO2一、确定实验式—元素分析

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]

最简式(实验式)的求法：

一、确定实验式—元素分析一、确定实验式—元素分析一、确定实验式—元素分析:可以直接测出有机物中各元素原子的质量分数②现代元素分析仪“快、狠、准

”

元素定量分析方法②：一、确定实验式—元素分析求有机物的实验式：【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:100%－52.16%－13.14%＝34.70%(2)各元素原子个数比：N(C)：N(H)：N(O)＝＝2：6：1A的实验式为：C2H6O[课本P17]一、确定实验式—元素分析3g某有机化合物在足量氧气中完全燃烧，生成4.4gCO2和1.8gH2O。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C2H4O2D．该有机化合物分子中碳原子数与氢原子数之比一定是1∶2A同步练习1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元素一、确定实验式—元素分析一、确定实验式—元素分析练习2:5.8g某有机物完全燃烧，生成CO213.2g,H2O5.4g。（1）试求该未知物A的实验式?（2）若要确定它的分子式，还需要什么条件？相对分子质量一、确定实验式—元素分析(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。

一、确定实验式—元素分析(5)样品经充分反应后，测得A管质量增加8.8g，B管质量增加5.4g，消耗氧气6.72L(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。一、确定实验式—元素分析分离、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

波谱分析确定结构式元素定量分析确定实验式研究有机化合物的一般步骤和方法李比希法现代元素分析仪质谱法→确定相对分子质量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=11614×2=282R—OH+2Na→2R—ONa+H2↑32二、确定分子式—测定相对分子质量（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

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？二、确定分子式—测定相对分子质量质谱仪——确定相对分子质量的利器阅读课本P17-18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？二、确定分子式—测定相对分子质量质谱仪工作原理示意图有机物分子确定相对分子质量离子的质荷比高能电子束轰击带正电荷的离子磁场作用下先后到达检测仪质谱图（较快速、精准的方法）质谱仪质谱图质谱法原理：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。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。以质荷比为横坐标,以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果,就得到有机化合物的质谱图。质谱图中最右侧的分子离子峰(即质荷比最大的峰）就是待测物的相对分子质量。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：二、确定分子式—测定相对分子质量相对丰度质荷比横轴：最右边离子峰(即质荷比最大的峰）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二、确定分子式—测定相对分子质量B的相对分子质量【练习1】下图是某有机化合物B的质谱图，请问B的相对分子质量为多少？二、确定分子式—测定相对分子质量练习2、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

.。C4H10O74C4H10O二、确定分子式—测定相对分子质量分离、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

波谱分析确定结构式元素定量分析确定实验式研究有机化合物的一般步骤和方法李比希法现代元素分析仪质谱法→确定相对分子质量红外光谱核磁共振氢谱X射线衍射→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？三、确定分子的结构--波谱分析(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：只能初步判断有机物所含化学键和官能团的种类，但不能确定化学键和基团的数目。(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CH3CH2OHCH3OCH3CH3CH2OH未知物A的红外光谱图三、确定分子的结构--波谱分析[例1].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—CH3O三、确定分子的结构--波谱分析[例2].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CH2CH3CH2OCH2CH3三、确定分子的结构--波谱分析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，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比,但不能确定所含氢原子的具体数目（即有几组特征吸收峰就表明有几种不同环境的氢原子)(NMR)[课本P19]吸收峰面积比＝氢原子个数比。吸收峰数目＝氢原子类型种类,三、确定分子的结构--波谱分析2.核磁共振氢谱CH3CH2OH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P19]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—CH3三、确定分子的结构--波谱分析练习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．HOCH2CH2OHD

CH2-CH2

BrBr⑵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

.

三、确定分子的结构--波谱分析(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-丙醇三、确定分子的结构--波谱分析练习2.下列有机物中有几种H原子以及个数之比？CH3-CH-CH3CH3２种；９∶１CH3-C-CH3CH3CH3１种CH3-CH2-CH-CH3CH3４种；３∶２∶１∶６三、确定分子的结构--波谱分析(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射线衍射目前，X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。三、确定分子的结构--波谱分析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%1220%1:13=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13.2gCO2,5.4gH2O.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=1.6gN(C):N(H):N(O)=：：

1.6g

3.6g

0.6g12116=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A1.50g,生成1.12L(标况)CO2和0.05molH2O。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：CxHyOZ+(x+y/4-z/2)O2xCO2+y/2H2O1xy/2该有机物的相对分子质量所以，有机物A1.50g,合0.05mol0.05mol0.05mol0.05molX=1y=2又CH2OZ分子量为30Z=1∴有机物A分子式：CH2O。

【解答】[例2]:燃烧某有机物A1.50g,生成1.12L(标况)CO2和0.05molH2O。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65mL。(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__________。C2H6C3H6C4H6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．①②③④A课堂检测2.某有机化合物3.2g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3.6g，盛有碱石灰的干燥管增重4.4g。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1:2C．该有机物的分子式一定为CH4OD．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3molH2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