1.2.2有机化合物实验式分子式分子结构的确定高二学案（人教版2019选择性必修3）

1.2.2有机化合物实验式、分子式、分子结构的确定学习目标学习目标1.弄懂p17中例题求实验式的方法。2.掌握质谱法测物质的相对分子质量，以确定有机物分子式3.能说出分子结构鉴定的红外光谱和核磁共振氢谱测的是什么，从而确定有机物的结构式重点、难点：实验式的求法、物质的相对分子质量求法、红外光谱和核磁共振氢谱测的是什么自主学习自主学习读课本1620页，完成以下问题：一、实验式的确定：李比希法求实验式例：5.8g某有机物A完全燃烧，生成CO213.2g,H2O5.4g。则该有机物含有哪些元素?能否直接确定含有氧?如何确定？试求该未知物A的实验式。读课本17页，掌握例题求实验式的方法二、分子式的确定：1、相对分子质量的测定——质谱法(1)原理：用高能电子流等轰击样品分子，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。分子离子、碎片离子各自具有不同的____________，它们在磁场作用下到达检测器的时间因质量不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。(2)质荷比：指分子离子或碎片离子的____________与其电荷的比值。在有机物的质谱图中，质荷比的最大值即为该有机物的相对分子质量。注：常见确定有机物相对分子质量的方法(1)根据标准状况下气体的密度ρ，求算该气体的摩尔质量，即数值上等于该气体的相对分子质量：M＝22.4ρ(限于标准状况下)。(2)依据气体的相对密度D，求气体的相对分子质量：MA＝D·MB。三、分子结构的鉴定：1、红外光谱(1)原理：不同的官能团或化学键对红外线的____________不同，在红外光谱图中处于不同的位置。(2)作用：初步判断某有机物中含有何种__________或___________。2、核磁共振氢谱(1)原理：处在不同化学环境中的氢原子在光谱图上出现的____________，而且吸收峰的面积与____________成正比。(2)作用：测定有机物分子中氢原子的_______和________。(3)分析：吸收峰数目＝_____________，吸收峰面积比＝_________________。3、X射线衍射：X射线是一种波长很短（约1010m）的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可获得键长、键角等分子结构信息。用于有机化合物晶体结构的测定。学习过程学习过程【新课导入】有机化合物的元素定量分析最早是德国化学家李比希于1831年提出。准确称量的样品置于一燃烧管中，经红热的氧化铜氧化后，再将其彻底燃烧成二氧化碳和水，用纯的氧气流把它们分别赶入烧碱石棉剂(附在石棉上粉碎的氢氧化钠)及高氯酸镁的吸收管内，前者将排出的二氧化碳变为碳酸钠，后者吸收水变为含有结晶水的高氯酸镁，这两个吸收管增加的重量分别表示生成的二氧化碳和水的重量，由此即可计算样品中的碳和氢的含量，如果碳与氢的百分含量相加达不到100，而又检测不出其他元素，则差数就是氧的百分含量。本法的特点是碳氢分析在同一样品中进行，且对仪器装置稍加改装后，即能连续检测其他元素。【新课讲授】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。元素定性分析一般是将一定量的有机物燃烧，转化为简单的无机物，以确定有机物的元素组成。元素定量分析通过无机物的质量推算出该有机物所含各元素的质量分数，然后计算出该有机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）。李比希后经多次实验，总结出测定仅含C、H、O的有机物组成的方法，被称为李比希法。他用CuO作氧化剂，将仅含C、H、O元素的有机化合物氧化，生成的CO2用KOH浓溶液吸收，H2O用无水CaCl2吸收。根据吸收剂在吸收前后的质量差，计算出有机化合物中碳、氢元素的质量分数，剩余的就是氧元素的质量分数，据此计算可以得到有机化合物的实验式。【学生活动1】含C、H、O三元素的未知物A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%。试求该未知物A的实验式。【学生展示】未知物A的实验式的确定氧的质量分数为34.7%；C、H、O的原子个数比：N（C）：N（H）：N(O)=2:6:1；该未知物的实验式为C2H6O。【讲解】李比希还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素定量分析法方法，这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪，分析的精确度和分析速度都达到了很高的要求。【过渡】元素定量分析只能确定有机化合物分子中各组成原子的最简整数比，得到实验式。要确定它的分子式，还必须知道其相对分子质量。日前有许多测定相对分子质量的方法，质谱法是其中最精确、快捷的方法。【讲解】质谱法是快速、精确测定相对分子质量的重要方法，测定时只需要很少量的样品。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。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。【展示】未知物A的质谱图【讲解】由上题可知未知物A的实验式为C2H6O，观察质谱图，发现最右侧的分子离子（）的质荷比为46，因此A的相对分子质量为46。由此可以推算出A的分子式也是C2H6O。目前的高分辨率质谱仪还可以根据高精度的相对分子质量数据直接计算出分子式。【展示】质谱仪【设疑】质谱图中的碎片峰对我们确定有机化合物的分子结构有一定帮助，但未知物A究竟是二甲醚还是乙醇？【过渡】确定比较复杂的有机化合物的分子结构，仅靠质谱法是很难完成的，需要借助其他现代分析仪器，进行红外光谱、核磁共振氢谱、Ⅹ射线衍射谱等波谱分析。【讲解】红外光谱利用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该有机化合物的红外光谱图。谱图中不同化学键或官能团的吸收频率不同，因此分析有机化合物的红外光谱图，可获得分子中所含有化学键或官能团的信息。【展示】红外光谱仪、未知物A的红外光谱【学生活动2】观察未知物A的红外光谱，分析未知物A的官能团。【讲解】从图中可以找到C—O，C—H，O—H的吸收峰，因此可以初步推测该未知物A是含有羟基官能团的化合物，结构可表示为C2H5OH。【讲解】氢原子核具有磁性，如果用电磁波照射含氢元素的化合物，其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象，用核磁共振仪可以记录有关信号。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（用δ表示），而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。核磁共振氢谱图可以获得该有机化合物分子中有几种不同类型的氢原子及他们都相对数目等信息。吸收峰的数目等于氢原子的种类，吸收峰面积比等于氢原子数目之比。【学生活动3】观察乙醇和乙醚的核磁共振氢谱图，结合未知物A的核磁共振氢谱图，分析未知物A的结构。【讲解】未知物A的核磁共振氢谱图可以判断A中含有3种处于不同化学环境的氢原子，其个数比为3：2：1，与乙醇的核磁共振氢谱图相同，故A的结构简式为CH3CH2OH。【讲解】X射线是一种波长很短（约10m）的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射谱图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。将X射线衍射技术用于有机化合物（特别是复杂的生物大分子）晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。目前，X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术【展示】我国科学家通过X射线衍射获得的青蒿素的分子结构。【课堂小结】回顾本节课的内容，有机物结构的确定方法：利用化学方法确定实验式，再利用质谱确定相对分子质量，由实验式和相对分子质量可得出分子式，可利用红外光谱法、核磁共振氢谱、特征反应判断官能团的性质、空间排列、基团的位置，最终确定结构式。课堂练习课堂练习1．头孢克肟是第三代头孢菌素抗生素，其分子式为C16H15N5O7S2。下列有关说法不正确的是A．头孢克肟的相对分子质量是453 B．只有具备用药常识，才能避免抗生素药物的滥用C．头孢克肟中含有的5种元素均是非金属元素 D．“OTC”药物是指处方药【答案】D【详解】A.由分子式可知，头孢克肟的相对分子质量是：(12×16+1×15+14×5+16×7+32×2)=453，故A正确；B.过量使用抗生素对人体有害，只有具备用药常识，才能避免抗生素药物的滥用，故B正确；C.头孢克肟中含有的5种元素分别为：C、H、N、O、S，均是非金属元素，故C正确；D.“OTC”药物是指非处方药，故D错误；答案选D。2．下列除去括号内杂质的有关操作方法不正确的是A．苯(苯酚)：加NaOH溶液，充分振荡，分液，弃水层B．乙醇(乙酸)：加KOH溶液，分液C．乙醇(水)：加新制生石灰(CaO)，蒸馏D．肥皂液(甘油)：加食盐搅拌、盐析，过滤【答案】B【详解】A．苯酚与氢氧化钠反应生成可溶性的苯酚钠，然后振荡，分液，弃水层即可，故A正确；B．乙醇与乙酸互溶，乙酸与KOH反应后，增大与乙醇沸点差异，可以蒸馏分离，不能用分液，故B错误；C．水可以和生石灰反应生成氢氧化钙，通过蒸馏可以将乙醇分离出来，故C正确；D．向肥皂液（甘油）中加食盐搅拌，降低肥皂的溶解度，发生盐析，然后过滤得到肥皂，故D正确；答案选B。3．下列有关化学用语表示正确的是A．中子数为20的氯原子：20Cl B．乙醇的实验式：C2H6OC．COCl2中碳原子杂化类型为sp3 D．CCl4的电子式为：【答案】B【详解】A．中子数为20的氯原子、其质量数为37：37Cl

，A错误；B．乙醇的实验式即最简式：C2H6O，B正确；C．COCl2中含碳氧双键，则碳原子杂化类型为sp2，C错误；

D．CCl4分子中，除了共用电子对，每个氯原子还有3对孤电子对，电子式为：，D错误；答案选B。4．下列四幅谱图是结构简式为CH3CH2OH、CH3OCH3、CH3CH2CH2OH和(CH3)3COH的四种有机物的核磁共振氢谱。其中属于CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱图的是A． B．C． D．【答案】A【详解】CH3CH2CH2OH中有4种不同环境下的氢原子，所以1H核磁共振谱图中有4种峰，只有A符合，故A正确。故选A。【点睛】本题主要考查H核磁共振谱图的运用，较简单，侧重学生的分析能力的考查，注意把握判断的方法，①分子中同一甲基上连接的氢原子等效；②同一碳原子所连的氢原子等效；③处于镜面对称位置(相当于平面成像时，物与像的关系)上的氢原子等效。5．某有机化合物的核磁共振氢谱图如图所示，该物质可能是A． B．CH3CH2CHOC．HCOOCH2COOH D．CH2=CHCH=CH2【答案】B【分析】从图中可以看出，该有机物含有3种氢原子，且原子个数不相等。【详解】A．分子中含有3种氢原子，且原子个数比为1:1:3，A不符合题意；B．CH3CH2CHO分子中含有3种氢原子，且原子个数比为1:2:3，B符合题意；C．HCOOCH2COOH分子中含有3种氢原子，且原子个数比为1:2:1，C不符合题意；D．CH2=CHCH=CH2分子中含有2种氢原子，且原子个数比为2:1，D不符合题意；故选B。6．下列化合物分子中，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号的是A． B．C． D．【答案】D【详解】A．CH3CH2CH3中两个甲基等效，则只有两种氢，在核磁共振氢谱图中能给出两种信号，A项错误；B．中两个乙基等效，则只有两种氢，在核磁共振氢谱图中能给出两种信号，B项错误；C．CH3OCH3中两个甲基等效，则只有一种氢，在核磁共振氢谱图中能给出一种信号，C项错误；D．是对称结构，其中有三种氢，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号，D项正确；答案选D。7．分子式为C5H8且核磁共振氢谱显示只有一种化学环境氢原子，符合条件的同分异构体有A．3种 B．2种 C．1种 D．不存在这种有机物【答案】C【解析】略8．某混合气体由两种气态烃组成。2.24L该混合气体完全燃烧后，得到4.48L二氧化碳(气体已折算成标准状况)和3.6g水。则这两种气体可能是A．CH4和C3H8 B．CH4和C3H4 C．C2H4和C3H4 D．C2H4和C2H6【答案】B【详解】2.24L该混合气体即0.1mol完全燃烧后，得到4.48L二氧化碳(气体已折算成标准状况)和3.6g水。即二氧化碳的物质的量为0.2mol，水的物资的量为0.2mol，则平均分子式为C2H4。A．CH4和C3H8的平均分子式中氢原子个数不可能是4，A错误；B．CH4和C3H4若按1:1混合，平均分子式为C2H4，B正确；C．C2H4和C3H4混合气体平均分子式中碳原子个数不可能为2，C错误；D．C2H4和C2H6混合气体平均分子式中氢原子个数不可能是4，D错误；故选B。9．某气态烷烃与烯烃的混合气9g，其密度为相同状况下氢气密度的11.2倍，将混合气体通过足量的溴水，溴水增重4.2g，则原混合气体的组成为A．甲烷与乙烯 B．甲烷与丙烯 C．乙烷与乙烯 D．甲烷与丁烯【答案】B【详解】相对密度之比等于摩尔质量之比，其密度为相同状况下氢气密度的11.2倍，则混合气体的平均摩尔质量为22.4g/mol，摩尔质量小于22.4g/mol的烃，只有甲烷，则混合物中一定含有甲烷，将混合气体通过足量的溴水，溴水增重4.2g，即烯烃的质量为4.2g，甲烷的质量=9g4.2g=4.8g，物质的量为0.3mol，混合物的总物质的量==0.402mol，烯烃的摩尔质量=4.2g÷0.1mol=42g/mol，即CnH2n的摩尔质量为42g/mol，n=3，烯烃为丙烯，答案为B。10．下列分子中只有两种不同化学环境的氢，且数目比为1∶1的化合物有A． B． C． D．【答案】A【分析】只有两种不同化学环境的氢，且数目比为3：2，结合有机物的结构对称性判断H的种类及个数，以此来解答。【详解】A．含2种H，标注为，结合C原子价电子为4，可知分子中H原子个数比为4：4=1：1，A符合题意；B．含1种H，B不符合题意；C．含1种H，C不符合题意；D．含2种H，标注为，结合C原子价电子为4，可知分子中H原子个数比为6：4=3：2，D不符合题意；故合理选项是A。11．某有机物W由C、H、O三种元素组成，相对分子质量为90。将9.0gW完全燃烧的产物依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重5.4g和13.2g。W能与NaHCO3溶液发生反应，且2个W发生分子间脱水反应生成六元环化合物。有关W的说法正确的是A．W的分子式为C3H8O3B．W催化氧化的产物能发生银镜反应C．0.1molW与足量Na反应产生1.12LH2（标准状况）D．W在一定条件下可以发生缩聚反应生成高分子材料【答案】D【分析】浓硫酸增重5.4g，说明生成H2O的质量为5.4g，n(H2O)==0.3mol，n(H)=0.6mol，m(H)=0.6mol×1g/mol=0.6g，碱石灰增重13.2g，说明生成CO2的质量为13.2g，n(CO2)==0.3mol，n(C)=0.3mol，m(C)=0.3mol×12g/mol=3.6g，9.0gW含O的质量为9.0g0.6g3.6g=4.8g，n(O)==0.3mol，因此n(C)：n(H)：n(O)=1：2：1，W的实验式为CH2O，相对分子质量为90，则分子式为C3H6O3，W能与NaHCO3溶液发生反应，可知W含羧基，2分子W之间脱水可生成六元环化合物，可推出W含有羟基，因此W的结构简式为。【详解】A．根据分析，W的分子式为C3H6O3，A错误；B．根据分析，W为，可被催化氧化为，酮羰基不能发生银镜反应，B错误；C．羟基和羧基均和钠反应，因此0.1molW与足量Na反应产生0.1molH2，体积为0.1mol×22.4L/mol=2.24L，C错误；D．W含有羧基和羟基两种官能团，可发生缩聚反应生成，属于高分子材料，D正确；故选D。12．下列各组有机物中，只需加入溴水就能一一鉴别的是A．甲苯、苯、己烯 B．苯、丙炔、乙烯C．乙烯、甲苯、四氯化碳 D．辛烷、甲苯、环己烷【答案】C【详解】A．甲苯、苯都不溶于水，且密度比水小，溴水不能鉴别，A项错误；B．丙炔、乙烯均含有不饱和键，能与溴水发生加成反应，溴水不能鉴别，B项错误；C．乙烯含有碳碳双键，与溴水发生加成反应，使溴水褪色，甲苯和四氯化碳不与溴水反应，但甲苯密度比水小，有色层在上层，而四氯化碳密度比水大，有色层在下层，溴水可鉴别，C项正确；D．辛烷、甲苯、环己烷都不溶于水，且密度都比水小，溴水不能鉴别，D项错误；答案选C。13．下列化合物的核磁共振氢谱有两组峰，且峰面积之比为2：1的是A．对苯二甲酸() B．氯乙烷()C．2甲基丙烷[] D．乙酸甲酯()【答案】A【详解】A．对苯二甲酸()中有两种氢，在核磁共振氢谱中峰面积之比为2：1，A正确；B．氯乙烷()中有两种氢，在核磁共振氢谱中峰面积之比为，B错误；C．2甲基丙烷[]中有两种氢，在核磁共振氢谱中峰面积之比为，C错误；D．乙酸甲酯()中有两种氢，在核磁共振氢谱中峰面积之比为，D错误；答案选A。14．下列仪器不能用于测量有机物结构的是A．元素分析仪 B．质谱仪 C．核磁共振仪 D．红外光谱仪【答案】A【详解】A．元素分析仪是用来确定有机化合物中的元素组成，不能用于测量有机物结构，故A正确；B．质谱仪主要用于有机物的结构鉴定，提供化合物的分子量、元素组成即官能团的结构信息，故B错误；C．核磁共振仪能测出有机物中氢原子的种类以及数目之比，故C错误；D．红外光谱仪用于检测有机物中特殊官能团及机构特征，主要适用于定性分析有机化合物结构，故D错误；故答案选A。15．已知某有机物分子中H原子个数为偶数，若将2.25克该有机物在足量氧气中完全燃烧，得到4.4克CO2和2.25克的H2O，则下列说法不正确的是A．可以确定该有机物的相对分子量为90B．可以确定该有机物的分子式为C4H10O2C．该有机物中碳、氢、氧原子个数比为2:5:1D．因为不知道其相对分子质量，故无法确定其分子式【答案】D【详解】4.4g二氧化碳的物质的量是0.1mol，其中氧原子的质量是0.1mol×2×16g/mol＝3.2g；2.25g水的物质的量是2.25g÷18g/mol＝0.125mol，其中氧原子的质量是0.125mol×16g/mol＝2g。根据质量守恒定律参加反应的氧气质量是4.4g+2.25g2.25g＝4.4g，所以2.25g有机物中氧原子的质量是3.2g+2g4.4g＝0.8g，物质的量是0.8g÷16g/mol＝0.05mol，则有机物分子中C、H、O原子的个数之比为0.1mol：0.25mol：0.05mol＝2：5：1，即最简式为C2H5O，由于氢原子是偶数，则其分子式为C4H10O2，相对分子质量为90，选项ABC正确，D错误。答案选D。16．某同学用丙烯酸和某种醇为原料合成了一种丙烯酸酯，并对其进行分离、提纯后，依据所设计的结构测定方案，对获得的丙烯酸酯进行了结构表征。该同学测得的相关数据和谱图如图：(1)经元素分析测得，目标化合物中各元素的含量：C，65.60%；H，9.44%；O，24.96%。(2)测得的目标化合物的质谱图如图：(3)测得的目标化合物的红外光谱图如图：(4)测得的目标化合物的核磁共振氢谱图如图：根据元素分析、质谱、红外光谱、核磁共振氢谱所测得的信息，请确认所合成的丙烯酸酯的结构简式。【答案】CH2=CHCOOCH2CH2CH2CH3【详解】由质谱图可知该丙烯酸酯的相对分子质量为128，则所含C原子数为=7，所含H原子数为=12，所含O原子数为=2，所以分子式为C7H12O2；该物质为丙烯酸酯，所以可初步确定结构为CH2=CHCOOC4H9；核磁共振氢谱中有6组峰，面积比为1∶2∶2∶2∶2∶3，即含有6种环境的氢原子，且个数比为1∶2∶2∶2∶2∶3，则C4H9只能为CH2CH2CH2CH3，所以该丙烯酸的结构简式为CH2=CHCOOCH2CH2CH2CH3。17．某芳香烃A的质谱图如图所示：(1)A的名称为。(2)A的一氯代物共有种。(3)A中最多有个原子共平面。(4)A分子的核磁共振氢谱有个峰，峰面积之比为。【答案】(1)甲苯(2)4(3)13(4)41:2:2:3【解析】（1）根据芳香烃知必含苯环，根据质荷比为92可知相对分子质量为92，可得A为甲苯；（2）甲苯中苯环上的一氯代物有三种，分别为与甲基相邻、相间、相对，甲基上还有一种，共4种；（3）苯环上的12个原子肯定在一个平面上，甲基中的碳原子相当于苯环上的一个氢原子肯定在平面上，甲烷分子中与碳原子共平面的氢原子最多有两个，将甲基的共面问题类比甲烷的共面，所以最多有13个原子共平面；（4）A为甲苯，有4种等效氢，则A分子的核磁共振氢谱有4个峰，峰面积之比为1:2:2:3。18．回答下列问题：(1)下列几组物质中，互为同位素的是，互为同素异形体的是，互为同系物的是，互为同分异构体的是，属于同种物质的是。(用序号填空)①O2和O3②35Cl和37Cl③CH3CH3和CH3CH2CH3④和⑤环丙烷()和丙烯⑥H2、D2、T2⑦乙烯与CH3—CH＝CH2⑧CH3(CH2)5CH3和CH3CH2CH2CH(CH3)C2H5(2)完全燃烧0.1mol某烃，燃烧产物依次通过浓硫酸、浓碱溶液，实验结束后，称得浓硫酸质量增加9g，浓碱溶液质量增加17.6g。该烃的化学式为，并写出其所有可能的结构简式：。【答案】(1)②①③⑦⑤⑧④⑥(2)C4H10CH3—CH2—CH2—CH3、【分析】（1）理解基本概念即可判断。同素异形体为同种元素形成的不同单质。同位素是指质子数相同中子数不同的同种元素的原子。同系物指结构相似在分子组成上相差一个或若个个CH2原子团的物质。同分异构体是指分子式相同，但结构不同的物质。（2）根据浓硫酸增重为水的质量，碱石灰增重为二氧化碳的质量分别计算氢和碳原子的物质的量，与烃的物质的量相比即可得烃的分子式。根据烃的结构特点书写结构简式。【详解】（1）①O2和O3为同素异形体；②35Cl和37Cl为同位素；③CH3CH3和CH3CH2CH3为同系物；④和是同一种物质；⑤环丙烷()和丙烯是同分异构体；⑥H2、D2、T2都是氢气的单质；⑦乙烯与CH3—CH＝CH2是同系物；⑧CH3(CH2)5CH3和CH3CH2CH2CH(CH3)C2H5是同系物。（2）完全燃烧0.1mol某烃，燃烧产物依次通过浓硫酸、浓碱溶液，实验结束后