《科学家怎样研究有机物》参考教案

1/18第二单元科学家怎样研究有机物智能定位1.了解有机化合物组成的研究方法，知道如何确定最简式。2.了解有机化合物结构的研究方法，了解李比希提出的“基团理论”。3.认识反应机理在化学反应中的重要性，能用同位素示踪法解释简单的化学反应。情景切入“没有什么分子像DNA分子结构那样动人。它让科学家着迷，给艺术家灵感，向社会发出挑战。从任何意义说，它都是一种现代的标志。”——《自然》杂志。你能理解结构的测定在科学研究中的重要作用吗？自主研习m(CO2)m(H2O)一、有机化合物组成的研究1.研究方法氧化法：有机物→碳、氢质量分数碳、氢原子最简整数比最简式→→钠融法：定性确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。铜丝燃烧法：可定性确定有机物中是否存在卤素2.仪器——元素分析仪（1）工作原理：使有机化合物充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。（2）特点①自动化程度高。②所需样品量小。③分析速度快。④可同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析。二、有机化合物结构的研究1.有机化合物的结构（1）在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。（2）1831年，德国化学家李比希提出了“基团理论”。常见的基团有：羟基（—OH），醛基（—CHO），羧基（—COOH），氨基（—NH2），烃基（—R）等，它们有不同的结构和性质特点。2.测定有机化合物结构的分析方法（1）核磁共振法在1H核磁共振谱中：①特征峰的个数就是有机物中不同化学环境的氢原子的种类；②特征峰的面积之比就是不同化学环境的氢原子的个数比。如乙醚（CH3CH2OCH2CH3）分子中有10个氢原子，在1H核磁共振谱中会出现2个峰，峰的面积之比为3:2。（2）红外光谱法①原理：不同基团的特征吸收频率不同，对红外光吸收的波长不同。②应用：初步判定有机物中基团的种类。（3）质谱法用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，分析带电“碎片”的特征谱，从而分析有机物的结构。三、有机化学反应的研究1.甲烷和氯气取代反应的反应机理（1）反应机理：自由基型链反应Cl2·Cl+·ClCl2、CH4为反应物·Cl+CH4·CH3+HCl·Cl、·CH3为自由基·CH3+Cl2·Cl+CH3ClHCl、CH3Cl为生成物(2)反应产物：共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。2.同位素示踪法研究酯的水解反应（1）方法：将乙酸乙酯与H218O在H2SO4催化下加热水解，检测18O的分布情况，判断酯水解时的断键情况。(2)反应机理由此可以判断，酯在水解过程中断开的是酯中的①键，水中的—18OH连接在①键上。思考讨论1.某有机物燃烧产物只有CO2和H2O，能否推测该有机物一定为烃类？提示：不能确定一定为烃类，因为含氧衍生物（如乙醇）的燃烧产物也只有CO2和H2O2.CH3CH2OH和在浓硫酸作用下反应一段时间后，能够检测出含的物质有哪些？提示：根据酯的水解反应可知，酸和醇的酯化反应的机理是酸脱羟基、醇脱氢，所以能够检测出含18O的物质有和H218O。课堂师生互动知识点1确定有机物的方法有机物分子式的确定1.有机物组成元素的推断一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为C、H或C、H、O。欲判断该有机物是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将C、H的质量之和与原来有机物质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧元素；否则，原有机物的组成中含氧元素。2.确定分子式的方法（1）直接法有机物的密度（或相对密度）→摩尔质量→1mol有机物中各原子的物质的量→分子式。（2）最简式法各元素的质量分数→最简式分子式。（3）余数法用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。余2为烷烃＝=A……除尽：为烯烃或环烷烃差2为炔烃或二烯烃差6为苯或苯的同系物其中商数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)。(4)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，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：CxHy+(x+)O2xＣO2+H2OCxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O特别提醒（1）某些特殊组成的实验式，可根据其组成特点直接确定其分子式，如实验式为CH3的有机物，其分子式为C2H6时，氢原子已达到饱和；实验式为CH3O的有机物，其分子式为C2H6O2(乙二醇)。(2)求算有机化合物相对分子质量的方法①根据标准状况下气体密度的ρ0，求算该气体的摩尔质量，即该气体的相对分子质量Mr=ρ0×22.4（限于标准状况下使用）。②根据气体的相对密度D，求气体的相对分子质量：Mr(A)=D·Mr(B)。③求混合气体的平均相对分子质量：=Mr(A)×A%+Mr（B）×B%+Mr(C)×C%……（A%、B%、C%……为A、B、C……气体在混合气体中的体积分数）。④运用质谱法测定相对分子质量。考例1为了测定一种气态烃A的分子式，取标准状况下A气体置于密闭容器内燃烧，实验表明产物是CO2、CO和H2O,学生甲、乙设计如下两个方案，均认为根据自己的方案能求出A的最简式，他们测定的数据如图所示（假设每次处理均反应完全）（1）根据两方案，你认为能否测得A的最简式（填“能”或“不能”）。甲方案，乙方案。根据能测出A的最简式方案，回答下列问题：（2）A的最简式为。（3）若要确定A的化学式是否需要测定其他数据（填“是”或“否”），如果需要，测定数据是。［解析］（1）甲方案碱石灰增加的质量为CO2和H2O的质量之和，再通过灼热的CuO减少的质量或石灰水增加的质量，可求出烃不完全燃烧生成CO的质量，但不能求出CO2及水各自的质量，故无法确定有机物的最简式；而乙方案浓H2SO4增加的质量为水的质量，再通过灼热的CuO减少的质量可求出CO的质量，最后通过碱石灰可求出CO2的总质量，结合上述三个数据可求出烃中C、H的质量比，即得最简式。(2)根据乙方案可知，n(H2O)==0.3mol,则n(H)=0.6mol;再由最后碱石灰增加的质量，可求出CO2的总物质的量为n(CO2)==0.3mol，据此可求出该烃的最简式为CH2。（3）因为题目已知烃在标准状况下为气体，故只要知道了气体的体积，即可求出烃的物质的量，进而可求出1mol烃中所含C、H原子的物质的量，即可求出烃A的分子式。［答案］（1）不能能（2）CH2(3)是烃A的体积变式探究1某有机物蒸气对H2的相对密度为23，其中C、H、O的质量分数分别为52.17%、13.04%、34.78%。(1)该有机物实验式为，分子式为，可能的结构简式为和。（2）实验测得4.6g该有机物和足量钠反应，标准状况下放出气体1.12L，则该有机物的结构简式为。［答案］（1）C2H6OC2H6OCH3CH2OHCH3OCH3（2）CH3CH2OH［解析］(1)n(C)：n(H)：n(O)=：：=2：6：1,故实验式为C2H6O，Mr=23×2=46，分子式亦为C2H6O，可能的结构简式有CH3CH2OH和CH3OCH3。(2)该有机物能和钠反应放出氢气，故结构简式为CH3CH2OH。知识点2推导有机物的结构式1.由分子式确定有机物结构式的一般步骤其结构式的确定过程可表示如下：2.有机物结构式的确定方法(1)根据价键规律确定某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定结构式。例如C2H6，只能是CH3CH3。(2)通过定性实验确定实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。（3）通过定量实验确定①通过定量实验确定有机物的官能团，如乙醇结构式的确定；②通过定量实验确定官能团的数目，如测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体，则可说明醇分子中含2个—OH。（4）根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律，如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼凑”。（5）可用红外光谱、1H核磁共振谱确定有机物中的官能团和各类氢原子数目，确定有机物的结构式。考例2下图中的1H核磁共振谱图表示的可能是下列哪种有机物的核磁共振谱()A.CH3CH2CH3B.CH3CH2OHC.CH3CH2CH2ClD.CH2===CHCH2CH3［解析］由图分析可知，该图表示的有机物应有3种不同化学环境下的氢原子，且3种氢原子的个数比大约是1:2:3,再分析选项中各有机物中不同化学环境下的氢原子（注意分子的对称性）：A中有两种氢原子；B中有3种氢原子，其个数比恰为1:2:3;C中也有3种氢原子，但其个数比为3:2:2；D中有4种氢原子，其个数比为3：2:2:1。［答案］B变式探究2某含氧有机化合物可以作为无铅汽油的抗爆震剂，其相对分子质量为88.0，含C的质量分数为0.682，含H的质量分数为0.136，其余为O。（1）试确定该化合物的分子式。（2）经红外光谱和1H核磁共振谱显示该分子中有4个甲基。请写出其结构简式。［答案］（1）C5H12O(2)［解析］（1）（实验式法）该化合物中ω（O）=1.000-0.682-0.136=0.182N（C）：N(H)：N（O）=：：≈5：12：1设该化合物的分子式为（C5H12O）n,则（12×5+1×12+16）×n=88.0，解得n=1该有机物的分子式为C5H12O。(2)由于该有机物分子中有4个甲基，除去这4个甲基外，还有，所以，C和O应被4个甲基包围在中间。考例3仅由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，经测定其相对分子质量为46。取该有机化合物样品4.6g，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重5.4g和8.8g。（1）试求该有机化合物的分子式。（2）若该有机化合物的1H核磁共振谱图如下图所示，请写出该有机化合物的结构简式。［解析］（1）该有机物的物质的量为：4.6g÷46g·mol-1=0.1mol其中：n(C)=n(CO2)=8.8g÷44g·mol-1=0.2moln(H)=2n(H2O)=2×（5.4g÷18g·mol-1）=0.6mol则该有机物一个分子中含有2个C原子和6个H原子，由此推知其中含O的个数为：（46-12×2-6×1）÷16=1所以，其分子式为C2H6O（2）从该有机化合物的1H核磁共振谱图可以看出，其中只有1个“峰”，即只有一种“H”。因此，其结构简式为CH3OCH3。［答案］（1）C2H6O(2)CH3OCH3变式探究3现有分子式均为C3H6O2的四种有机物A、B、C、D，且分子中均含甲基，将它们分别进行下列实验加以鉴别，实验记录如下：NaOH溶液银氨溶液新制Cu（OH）2悬浊液金属钠A中和反应-溶解产生氢气B-有银镜加热后有砖红色沉淀产生氢气C水解反应有银镜加热后有砖红色沉淀-D水解反应则A、B、C、D的结构简式分别为：A，B，C，D［答案］CH3CH2COOHCH3COOCH3课后强化作业基础巩固1.一种有机物燃烧后，产生二氧化碳、水和二氧化硫。据此可以推测该化合物中一定含有()A.C、S、OB.C、H、O、SC.C、H、SD.C、H、O［答案］C2.2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机物分子进行结构分析的质谱法。其方法是让极少量的（10-9g）化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎成更小的离子。如C2H6离子化后可得到C2H+6、C2H+5、C2H+4……然后测定其质荷比。设H+的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如下图所示（假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关），则该有机物可能是()A.甲醇B.甲烷C.丙烷D.乙烯［答案］B［解析］根据质谱法的原理，质荷比最大的为分子离子峰，其对应的数值即为未知物的相对分子质量。通过该有机物的质谱图，可以发现最右边的分子离子峰为16，即该有机物的相对分子质量为16。3.核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子核所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振图谱中坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同。则下列物质的氢谱图中有三个峰的是()A.CH3CH2CH3B.CH3CH2CH2OHC.(CH3)2CHCH3D.CH3CH2CHO［答案］D［解析］解题时要注意碳原子的实际构型及空间的对称性。选项A中两个甲基相同，所以其氢谱图的峰数是2；选项B中两个亚甲基因连有的基团不同而使其中的氢原子环境不同，所以其氢谱图的峰数是4；选项C中三个甲基完全相同，所以其氢谱图的峰数是2；选项D中氢谱图的峰数是3。4.下列化合物分子，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号峰的是()A.CH3CH2CH3B.C.CH3—O—CH3D.［答案］B［解析］有机物中含有几种不同类型的氢原子，在核磁共振氢谱上就能出现几种信号峰，现题给有机物在核磁共振氢谱中有三种信号峰，这表明有机物分子中含有3种不同类型的氢原子。5.某烃的衍生物的分子式可写成（CH2）m（CO2）n（H2O）p，当它完全燃烧时生成的CO2与消耗的O2在同温同压下体积比为1：1，则m、n的比值为()A.1:1B.2:3C.1:2D.2:1［答案］D［解析］在（CH2）m(CO2)n（H2O）p中，耗氧量由（CH2）m决定。由题意得：(m+=1:1所以m:n=2:16.M1和M2分子中X、Y元素的质量分数如下所示，若已知M1的实验式为XY3，则M2的实验式为()w(X)w(Y)M180%20%M275%25%A.XY4B.X3YC.X2Y2D.XY2［答案］A［解析］设X、Y的相对原子质量为别为x、y，则x:3y=80%:20%，所以x=12y。再设M2的实验式为XaYb，则ax:by=75%:25%，代入x=12y得：a:b=1:4，故选A。7.在同温同压下，2体积的气态碳氢化合物完全燃烧生成4体积的CO2和4体积的水蒸气，则该碳氢化合物为()A.CH4B.C2H2C.C2H4D.C2H6［答案］C［解析］由CxHy+(x+)O2xCO2+H2O知：x=2，y=4，故选C。8.芳香族化合物M的分子式为C8H8O2,其与NaHCO3溶液反应放出气体。其1H核磁共振谱有4个峰。则M的结构简式为()A.B.C.D.［答案］A［解析］与NaHCO3反应放出气体的有机物一定含有—COOH，则M的可能结构简式分别为它们的1H核磁共振谱分别有4、6、6、5种峰，故选A项。9.某同学为测定维生素C中碳、氢的质量分数，取维生素C样品研碎，称取该试样0.352g，置于铂舟并放入燃烧管中，不断通入氧气流。用酒精灯持续加热样品，将生成物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重0.144g和0.528g，生成物完全被吸收。试回答以下问题：（1）维生素C中碳的质量分数是，氢的质量分数是。（2）维生素中是否含有氧元素？为什么？（试通过计算说明）（3）如果需要你确定维生素C的分子式，你还需要哪些信息？［答案］（1）40.91%4.55%（2）已知,m(H)=0.144g÷18g/mol×2=0.016g，m(C)=0.528g÷44g/mol×12g/mol=0.144g，m(H)+m(C)=0.016g+0.144g=0.160g<0.352g，又因产物只有H2O和CO2，故维生素C中必含有氧元素。(3)若要确定其分子式，还要知其相对分子质量。能力提升1.某有机物在氧气中充分燃烧，生成的水蒸气和二氧化碳的物质的量之比为1:1，由此可以得出的结论是()A.该有机物中碳、氢、氧原子个数比为1:2:3B.分子中碳、氢原子个数比为1:2C.该有机物中一定含氧元素D.该有机物中一定不含氧元素［答案］B［解析］根据有机物燃烧的产物可以推断原有机物的元素组成。有机物+O2CO2+H2O，从该反应可以看出，该有机物中必定含有C、H两种元素。又因为生成的CO2和H2O的物质的量之比为1:1，可以推出原有机物中C、H两种元素的原子个数比为1:2。只有产物是CO2和H2O，不能确定原有机物中是否含有氧元素，因为不管其中是否含有氧元素，其充分燃烧产物都为CO2和H2O。若知道原有机物、O2以及生成物CO2、H2O的物质的量，则可以通过计算确定原有机物中是否含氧元素。故选B。2.下列化合物的核磁共振氢谱中出现三组峰的是()A.2，2，3，3-四甲基丁烷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］分析题中各项分子中有几种不同的氢，则就有几组峰。A中只有一种氢，B中有四种，C中有四种，D中有三种。3.若乙酸分子中的氧原子都是18O，乙醇分子中的氧原子都是16O，二者在浓H2SO4作用下发生酯化反应，一段时间后，分子中含有18O的物质有()A.1种B.2种C.3种D.4种［答案］C［解析］本题主要考查了用同位素示踪法分析有机反应机理。乙酸和乙醇的酯化反应规律是乙酸脱羟基、乙醇脱氢，所以产物乙酸乙酯和H2O中都含有18O。由于酯化反应是可逆反应，所以乙酸中也含有18O，因此含有18O的物质有3种。故正确答案为C。4.在核酸共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为3：2的化合物是()A.B.C.D.［答案］D［解析］根据核磁共振氢谱中出现两组峰的情况分析，A中有两种处于不同化学环境的氢原子，个数之比为3：1，B的核磁共振氢谱中出现的是三组峰，C中有两种处于不同化学环境的氢原子，个数之比为3：4，故选D。5.两种气态烃组成的混合气体0.1mol，完全燃烧可得0.16molCO2和3.6gH2O。下列说法正确的是()A.一定有甲烷B.一定是甲烷和乙烯C.一定有乙烷D.一定有乙炔［答案］A［解析］混合烃的平均组成为C1.6H4，则混合烃中必有一种烃分子中碳原子数少于1.6，故必有CH4，又因CH4中含4个H原子，而平均分子式中也含4个H原子，所以另一种烃分子中必含4个H原子，可能是C2H4或C3H4。6.amL三种气态烃的混合物与足量的氧气混合点燃爆炸后，恢复到原来的状态(常温、常压)，体积共缩小2amL，则三种烃可能是()A.CH4、C2H4、C3H4B.C2H6、C3H6、C4H6C.CH4、C2H6、C3H8D.C2H4、C2H2、CH4［答案］A［解析］设混合烃的平均分子式为CxHyCxHy+(x+)O2xCO2+H2OΔV1x+x1+a2a1+=2,y=4。7.某有机物CxHyOz完全燃烧时需O2的物质的量是该有机物的x倍，生成CO2和H2O的物质的量之比为1：1。该有机物分子式中x,y,z的关系是()A.x=2y=zＢ.x=y=zC.x=y=2zD.x=y=z［答案］B［解析］由题意可知，（x+-）=x和x：y=1：2，所以x=y=z。8.在一定温度下，向一个容积不变的密闭容器中，加入一定量的SO2和18O2及催化剂，发生反应：2SO2（g）+O2(g)2SO3（g），反应一段时间后18O存在于()A.SO2B.O2C.SO3D.全部气体中［答案］D［解析］此反应是可逆反应，因此只要是含氧元素的物质就有18O。9.某气态化合物X含C、H、O三种元素，现已知下列条件：①X中C的质量分数；②X中H的质量分数；③X在标准状况下的体积；④X对氢气的相对密度；⑤X的质量。欲确定化合物X的分子式，所需的最少条件是()A.①②④B.②③④C.①③⑤D.①②［答案］A［解析］C、H的质量分数已知，则O的质量分数可以求出，从而可推出该有机物的最简式，结合相对分子质量即可求出它的分子式。10.如图所示，分别是A、B两种物质的核磁共振氢谱。已知A、B两种物质都是烃类，都含有6个氢原子。请根据这两种物质的核磁共振氢谱图选择出可能属于A、B的两种物质()A.A是C3H6;B是C6H6B.A是C2H6;B是C3H6C.A是C2H6;B是C6H6D.A是C3H6;B是C2H6［答案］B［解析］核磁共振氢谱是通过记录不同氢原子核对电磁波的吸收情况来推知氢原子种类的谱图。根据题中所给谱图，A中