1.2.2有机化合物分子式和分子结构的确定高二化学教学讲与练（人教版2019选择性必修3）

第一章有机化合物的结构特点与研究方法第二节研究有机化合物的一般方法第2课时有机化合物分子式和分子结构的确定课程标准核心素养目标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。1．通过体验科学研究的艰辛和喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐，培养学生“科学研究与创新意识”的学科素养。2．通过感受现代物理学及计算机技术对有机化学发展的推动作用，培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。一、有机化合物实验式和分子式的确定1．确定实验式(1)相关概念①实验式：有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，又称为最简式。例如，乙酸的分子式为C2H4O2，实验式为CH2O。②元素分析分类定性分析定量分析含义用化学方法测定有机化合物的元素组成将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物(如C→CO2，H→H2O)，并定量测定各产物的质量，从而推算出有机物中各组成元素的质量分数，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(2)实验式的测定步骤(李比希法)(3)实验式(最简式)与分子式的关系：分子式＝(最简式)n。2．确定分子式(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。如下图为某有机物的质谱图：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。【方法技巧】有机物相对分子质量的求算方法(1)标态密度法：根据标准状况下气体的密度，求算该气体的相对分子质量：Mr＝22.4×ρ。(2)相对密度法：根据气体A相对于气体B的相对密度D，求算该气体的相对分子质量：MA＝D×MB。(3)混合物的平均相对分子质量：eq\x\to(M)＝eq\f(m总,n总)。(4)读图法：质谱图中，质荷比最大值即为该有机物的相对分子质量。二、有机物分子结构的确定1．红外光谱(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。(2)作用：初步判断有机物中含有的官能团或化学键。如分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构：CH3CH2OH或CH3OCH3，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CH3CH2OH。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，相应的信号在谱图上出现的位置不同，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：测定有机物分子中氢原子的类型和数目。(3)分析：吸收峰数目＝氢原子的类型数，吸收峰面积比＝氢原子个数比。如分子式为C2H6O的有机物A的核磁共振氢谱如图，可知A中有3种不同化学环境的氢原子且个数比为3∶2∶1，可推知该有机物的结构应为CH3CH2OH。3．X射线衍射(1)原理：X射线是一种波长很短的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。(2)作用：可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，用于有机化合物晶体结构的测定。探究一谱图法在确定有机物分子结构中的应用有机物X是一种重要的有机合成中间体，用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。为研究X的组成与结构，进行了如下实验：(1)有机物X的质谱图如图所示，该有机物X的相对分子质量为____________。(2)将10.0gX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7.2g，KOH浓溶液增重22.0g。该有机物X的分子式为______________。(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个吸收峰，峰面积之比为3∶1。该有机物X的结构简式为________。【答案】(1)100(2)C5H8O2(3)(CH3)2C(CHO)2【解析】(1)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。(2)无水CaCl2增重的7.2g是水的质量，10.0gX中氢元素的物质的量为eq\f(7.2g,18g·mol－1)×2＝0.8mol，KOH浓溶液增重的22.0g是二氧化碳的质量，10.0gX中碳元素的物质的量为eq\f(22.0g,44g·mol－1)＝0.5mol，根据质量守恒，氧元素的质量为10.0g－0.8mol×1g·mol－1－0.5mol×12g·mol－1＝3.2g，则氧元素的物质的量为eq\f(3.2g,16g·mol－1)＝0.2mol，则该分子中碳、氢、氧原子的个数之比为0.5mol∶0.8mol∶0.2mol＝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。(3)有机物X中含有醛基，有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰，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。1．谱图法在确定有机物分子结构中的应用(1)核磁共振氢谱图中，峰的个数即氢原子的种类数，而峰面积之比为各类氢原子个数之比。(2)可根据红外光谱图推知有机物分子中含有哪些化学键、官能团，从而确定有机物的结构。(3)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。2．确定有机物结构式的一般思路（1）根据价键规律确定有些有机物根据价键规律只存在一种结构，根据分子式直接确定其结构式。例如：分子式C2H6H饱和结构简式CH3—CH实验式：CH4O价键规律分子式CH4OH饱和（2）根据性质和定量实验确定特征反应→确定官能团eq\o(――――――――→,\s\up7(反应机理及实验数据),\s\do5(计算分析))官能团的数目和位置→确定结构简式。例如：测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体，则可说明该醇分子中含2个羟基。（3）根据物理实验方法确定①质谱图→确定相对分子质量。②红外光谱→确定有机物中的化学键和官能团信息。③核磁共振氢谱→确定有机物中氢原子的类型及数目。3.有机物分子式的确定（1）直接法（2）实验式法各元素的质量分数最简式摩尔质量（3）商余法Mr表示烃的相对分子质量①②Mr12=x……（4）方程式法利用反应物与生成物之间量的关系求分子式，如：①利用官能团的数目与反应物和生成物量的关系；②利用有机燃烧通式及消耗O2的量或生成物的量通过计算确定有机物分子式。常用方程式为CxHy＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x＋\f(y,4)))O2点燃xCO2＋eq\f(y,2)H2OCxHyOz＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x＋\f(y,4)－\f(z,2)))O2点燃xCO2＋eq\f(y,2)H2O（5）通式法物质性质等有机物类别及组成通式相对分子质量n值（6）平均分子式法直接计算1mol有机混合物中各元素原子的物质的量→分子中各原子个数→平均分子式讨论【例1】(2023·辽宁沈阳二中高一期中)某有机物A用质谱仪测定如图①，核磁共振氢谱示意图如图②，则A的结构简式可能为()A．HCOOH B．CH3CHOC．CH3CH2OH D．CH3CH2CH2COOH【答案】C【解析】根据图示可知，该有机物的最大质荷比为46，则A的相对分子质量为46，故B、D错误；根据图示核磁共振氢谱可知，A分子的核磁共振氢谱有3组吸收峰，则其分子中有3种处于不同化学环境的氢原子，且峰面积之比为3∶2∶1，HCOOH分子中含有2种处于不同化学环境的氢原子，CH3CH2OH分子中含有3种处于不同化学环境的氢原子，且峰面积之比为3∶2∶1，故C正确。1.(2023·河北秦皇岛一中高一期末)实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%，含氢20%，求该化合物的实验式________。又测得该化合物的相对分子质量是30，求该化合物的分子式________。【答案】CH3；C2H6【解析】方法一：n(C)∶n(H)＝eq\f(80%,12)∶eq\f(20%,1)＝1∶3，化合物A的实验式是CH3。设化合物A分子中含有n个CH3，则：n＝eq\f(Mr(A),Mr(CH3))＝eq\f(30,15)＝2，化合物A的分子式是C2H6。方法二：化合物A分子式中各元素原子的数目：n(C)＝eq\f(30×80%,12)＝2，n(H)＝eq\f(30×20%,1)＝6化合物A的分子式是C2H6。1．（2023下·河北唐山一中高二月考）下列有机物分子中，在核磁共振氢谱中只给出一种峰(信号)的是A． B．CH3CH2CH3 C． D．【答案】D【分析】核磁共振氢谱中峰值数等于有机物中氢原子的种类数．核磁共振氢谱中只给出一种峰，说明该分子中的H原子都是等效的，只有1种H原子，据此解答。【解析】A．CH3OH中甲基中的H原子与羟基中的H原子所处化学环境不同，CH3OH有2种H原子，核磁共振氢谱中有2个峰，故A不选；B．CH3CH2CH3中有3种H原子，核磁共振氢谱中有3个峰，故B不选；C．CH3COOH中甲基中的H原子与羧基中的H原子所处化学环境不同，CH3COOH有2种H原子，核磁共振氢谱中有2个峰，故C不选；D．CH3COCH3中2个甲基连在同一个羰基上，6个H原子都是等效的，核磁共振氢谱中只给出一种峰，故D选。故选D。2．（2023下·浙江杭州高二联考）下列说法不正确的是A．质谱仪可用于测定分子的相对分子质量B．通过晶体的x—射线衍射实验可以确定键长、键角和键能C．计可用于酸碱中和滴定终点的判断D．用红外光谱仪可区别与【答案】B【解析】A．质谱仪测定的最大质荷比为相对分子质量，则利用质谱仪可测定分子的相对分子质量，A正确；B．通过晶体的x—射线衍射实验可以确定键长、键角，不能确定键能，B错误；C．计用来测定溶液的，可用于酸碱中和滴定终点的判断，C正确；D．红外光谱仪可区别测定未知物中的化学键或官能团，所以可以区别与，D正确；故选B。3．（2023下·广东茂名一中高二校考）下列化合物的核磁共振氢谱中出现三组峰的是A．正丁烷 B．2，3，4三甲基戊烷C．3，4二甲基己烷 D．2，5二甲基己烷【答案】D【解析】A．正丁烷的结构简式为CH3CH2CH2CH3，有两种氢原子，核磁共振氢谱中出现两组峰，故A不选；B．2，3，4三甲基戊烷的结构简式为(CH3)2CHCH(CH3)CH(CH3)2，有4种氢原子，核磁共振氢谱中出现4组峰，故B不选；C．3，4二甲基己烷的结构简式为CH3CH2CH(CH3)CH(CH3)CH2CH3，有4种氢原子，核磁共振氢谱中出现4组峰，故C不选；D．2，5二甲基己烷的结构简式为(CH3)2CHCH2CH2CH(CH3)2，有3种氢原子，核磁共振氢谱中出现3组峰，故D选；故选D。4．（2023·湖南外国语学校高二月考）现代化学常用的测定分子的相对分子质量的方法是A．质谱法 B．晶体射线衍射法C．核磁共振氢谱法 D．红外光谱法【答案】A【解析】现代化学常用质谱法测定分子的相对分子质量，故选A。3．（2023下·河北唐山·高二开滦第一中学校考）现有一物质的1H核磁共振谱图如图所示：则该物质可能是下列中的A．CH3CH2CH3 B．CH3CH2CH2OH C．CH3CH2CH2CH3 D．CH3CH2CHO【答案】B【分析】核磁共振氢谱图显示有4组峰，说明该物质含有4种不同环境的H原子，且峰面积之比为3:2:2:1。【解析】A．CH3CH2CH3中含有2种H原子，A不符合题意；B．CH3CH2CH2OH中含有4种H原子，且个数比为3:2:2:1，B符合题意；C．CH3CH2CH2CH3中含有2种H原子，C不符合题意；D．CH3CH2CHO中含有3种H原子，D不符合题意；故选B。5．（2023下·湖北武汉高二联考）下列化合物在核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为2∶1的是A．CH3COOCH3 B．

C．

D．

【答案】C【解析】A．CH3COOCH3有两种等效氢，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为1∶1，故不选A；B．

有两种等效氢，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为3∶2，故不选B；C．

有两种等效氢，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为1∶2，故选C；

D．

有两种等效氢，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为1∶9，故不选D；

故选C。6．（2023·山东淄博高二月考）已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中错误的是A．由红外光谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子C．仅由A的核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数D．若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3OCH3【答案】D【解析】A．红外光谱图中给出的化学键有CH键、OH键和CO键三种，A项正确；B．核磁共振氢谱图中峰的个数即代表氢的种类数目，故该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子，B项正确；C．核磁共振氢谱峰的面积表示氢的数目比，在没有明确化学式的情况下，无法得知氢原子总数，C项正确；D．若A为CH3OCH3，则无OH键，与所给红外光谱图不符，且其核磁共振氢谱图应只有1个峰，与核磁共振氢谱图不符，D项错误；故选D。7．（2023下·黑龙江大庆高二统考）为测定某有机物的结构，用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱，则该有机物可能是A． B．(CH3)3CH C．CH3CH2OH D．CH3CH2CH2COOH【答案】A【解析】A．由核磁共振氢谱可知，该有机物中有两种位置的氢原子，比值为3：2，故A项符合题意；B．(CH3)3CH的核磁共振氢谱有两组峰，峰面积之比为9：1，故B项不符合题意；C．CH3CH2OH的核磁共振氢谱有三组峰，故C项不符合题意；D．CH3CH2CH2COOH的核磁共振氢谱有四组峰，故D项不符合题意；故选A。8．（2023下·河北衡水中学高二期中）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【答案】D【分析】化合物X的分子式为C8H8O2，X分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其核磁共振氢谱有4个峰且面积之比为1：2：2：3，说明分子中含有4种H原子，根据含有一个取代基的苯环上有三种氢原子，个数分别为1、2、2，所以剩余侧链上的3个氢等效，为CH3，结合红外光谱可知，分子中存在酯基，且存在结构，故有机物X的结构简式为。【解析】A．X为，含有酯基，属于酯类化合物，故A正确；B．X含有一个苯环，苯环在一定条件下可与3molH2发生加成反应，故B正确；C．结合分析，X只有一种，故C正确；D．含有酯基、苯环，若为羧酸与醇形成的酯有：甲酸苯甲酯，苯甲酸甲酯，若为羧酸与酚形成的酯，可以是乙酸酚酯，可以是甲酸与酚形成的酯，甲基有邻、间、对三种位置，所以共6种异构体，与A属于同类化合物的同分异构体只有5种，故D错误；故选D。9．（2023·山西忻州一中高二期中）有机物X是一种重要的有机合成中间体。为研究X的组成与结构，进行了如下实验：(1)有机物X的质谱图如下所示。(2)将在足量中充分燃烧，并将其产物依次通过足量的无水和浓溶液，发现无水增重，浓溶液增重。(3)经红外光谱测定，有机物X分子中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰，且峰面积之比为。下列有关说法中，正确的是A．该有机物X的分子式为B．该有机物X的相对分子质量为55C．该有机物X的结构简式为D．与X官能团种类、数量完全相同的X的同分异构体有3种【答案】D【解析】A．无水CaCl2增重7.2g，说明燃烧生成的水是7.2g，n(H)=×2=0.8mol，m(H)＝0.8g,KOH浓溶液增重22.0g,说明生成的CO2是22g，n(CO2)==0.5mol,m(C)=6g，剩余的是氧元素的质量，m(O)=10.0g0.8g6g=3.2g，n(O)=0.2mol，则该分子中碳、氢、氧原子的个数比是0.5mol:0.8mol:0.2mol=5:8:2，则有机物X的实验式是C5H8O2，由质谱图可知X的相对分子质量是100，则X的分子式是C5H8O2，A错误；B．质谱图中质荷比最大值即为相对分子质量，由质谱图可知有机物X的相对分子质量是100，B错误；C．有机物X中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰，则分子中含有两种氢原子，又因为分子式是C5H8O2，且两种氢原子之比是3:1，所以X的结构简式为(CH3)2C(CHO)2，C错误；D．有机物X含有两个醛基，还有三个碳原子，符合条件的同分异构体为CH3CH2CH(CHO)2、CH3CH(CHO)CH2CHO、CH2(CH2CHO)2共3种，D正确；故选D。10．（2023下·福建福州高二联考）室温时，20mL某气态烃与过量的氧气混合，将完全燃烧后的产物通过浓硫酸，再恢复至室温，气体体积减少了50mL。将剩余的气体再通过足量氢氧化钠溶液后干燥，体积又减少了40mL。下列关于该气态烃的说法正确的是A．该烃的最简式为CH3B．该烃的分子式为C4H10C．1mol该烃完全燃烧消耗3mol氧气D．该烃可使酸性高锰酸钾溶液褪色【答案】A【分析】产物通过浓硫酸，再恢复至室温，气体体积减少了50mL为生成的水蒸气，NaOH溶液吸收40mL为燃烧生成CO2的体积，该气态烃的组成为CxHy，则：，，解得x=2，=，解得y=6，故该烃的分子式为C2H6，据此分析解题。【解析】A．由分析可知，该烃的分子式为C2H6，则其最简式为CH3，A正确；B．由分析可知，该烃的分子式为C2H6，B错误；C．由分析可知，该烃的分子式为C2H6，故1mol该烃完全燃烧消耗3.5mol氧气，C错误；D．由分析可知，该烃的分子式为C2H6，该烃为饱和烃，则不可使酸性高锰酸钾溶液褪色，D错误；故选A。11．（2023下·辽宁沈阳高二联考）9.6g某有机化合物在足量氧气中完全燃烧，生成13.2g和10.8g。下列说法不正确的是A．该有机化合物仅含碳、氢两种元素 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 D．该有机化合物中碳、氢原子个数之比为【答案】A【解析】13.2g的物质的量为，，，10.8g的物质的量为，，，由于，故该有机化合物中还含有氧元素；，则该有机化合的中，故该有机化合物的分子式可能是，根据以上分析，该有机化合物含碳、氢、氧三种元素，故A错误。故选A。12．（2023上·江苏常州期中联考）麻黄素有平喘作用，我国药物学家从中药麻黄中提取麻黄素作为平喘药。某实验兴趣小组用李比希法、现代仪器等测定麻黄素的分子式，测得含C、H、O、N四种元素中的若干种，其中含氮8.48%；同时将5.0g麻黄素完全燃烧可得，，据此，判断麻黄素的分子式为A． B． C． D．【答案】C【解析】5.0g麻黄素其中含氮8.48%，含N质量5.0g8.48%=0.424g，含N的物质的量为=0.03mol；完全燃烧可得，物质的量为=0.30mol，C为0.30mol、C质量为0.30mol12g/mol=3.6g；的物质的量为=0.227mol，其中H为0.45mol、H质量为0.45g；则含有氧元素质量为5.0g3.6g0.45g0.424g=0.526g，为0.03mol，则C、H、N、O原子数目比为0.3:0.45:0.03:0.03=10:15:1:1，对照4个答案可知，分子式为；故选C。13．（2023上·江苏无锡一中高二期中）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【答案】C【分析】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，故,，盛有碱石灰的干燥管增重4.4g，故二氧化碳的物质的量为。有机化合物中O元素的质量为：，，n(C):n(H):n(O)=0.1:0.4:0.1=1:4:1，该有机物的实验式为CH4O；【解析】A．根据分析可知该有机物含有C、H、O三种元素，故A错误；B．根据分析可知该有机化合物中碳原子数和氢原子数之比是1：4，故B错误；C．该物质氢元素已经达到饱和，可以确定该有机物的分子式一定为CH4O，故C正确；D．根据题目条件可求出该有机物的实验式，该有机物氢原子已经饱和可以确定有机物的分子式，故D错误；故选C。14．（2023上·北京海淀人大附中期中）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．该有机化合物只含碳、氢两种元素B．该有机化合物肯定含有碳、氢、氧三种元素C．该有机化合物肯定含有碳、氢元素，可能含有氧元素D．该有机化合物肯定含有碳、氢元素，无法判断是否含有氧元素【答案】B【解析】有机物在氧气中充分燃烧只生成CO2和H2O，根据元素守恒可知，有机物A一定含有C元素、H元素，而n(C)=n(CO2)==0.1mol，n(H)=2n(H2O)=2×=0.4mol，所有m(C)+m(H)=0.1mol×12g/mol+0.4mol×1g/mol=1.6g＜3.2g，故有机物还含有O元素，故选B。15．（2023下·浙江宁波高二质检）测定有机化合物结构的分析方