第04讲实验式分子式分子结构的确定（学生版）高二化学讲义（人教2019选择性必修3）

第0第04讲实验式、分子式、分子结构的确定知识导航知识导航知识精讲知识精讲一、确定实验式——元素分析1.元素分析（1）定性分析：确定有机物的元素组成。（2）定量分析：确定有机物的实验式。2.李比希法确定实验式二、确定分子式——质谱法1.质谱法原理质谱仪用高能电子流等轰击样品（很少量），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。2.质荷比有机分子离子或碎片离子的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。质谱图中质荷比的最大值等于样品分子的相对分子质量（与相对丰度无关）。三、确定分子结构——波谱分析确定分子结构的常用方法包括质谱法、红外光谱法、核磁共振氢谱法和X射线衍射等。1.红外光谱原理：①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。②谱图中不同的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的化学键或官能团的信息。2.核磁共振氢谱（1）原理：①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到有关信号。②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。③由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它们的相对数目等信息。（2）分析方法：吸收峰数目＝氢原子种类数，吸收峰面积比＝不同种类氢原子个数比3.X射线衍射（1）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谱图。（2）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。（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，可以获得更为直接而详尽的结构信息。对点训练对点训练题型一：实验式的确定【变12】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∶2【例2】咖啡和茶类饮料中都含有兴奋剂咖啡因。经元素分析测定，咖啡因中各元素的质量分数是：碳49.5%，氢5.2%，氮28.9%，氧16.5%。(1)咖啡因的实验式为___________。(2)质谱法测得咖啡因的相对分子质量为194，则咖啡因的分子式为___________。题型二：质谱法【变32】为了测定某有机物A的结构，进行如下实验：①将2.3g该有机物完全燃烧，生成0.1molCO2和2.7g水，②用质谱仪测定其相对分子质量，得到如图所示的质谱图。试回答下列问题：(1)有机物A的相对分子质量是________。(2)有机物A的实验式是________。(3)能否根据A的实验式确定其分子式?____(填“能”或“不能”，并对应回答后面问题)。若能，则A的分子式是________，若不能，请说明原因：_________________。题型三：分子式的确定【例4】已知某有机物9.2g与足量氧气在密闭容器中完全燃烧后，将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰．浓硫酸增重10.8g，碱石灰增重17.6g，该有机物的化学式是A．C2H6O B．C2H4O C．CH4O D．C2H6O2题型四：红外光谱【变5】有机物Y的分子式为C4H8O2，其红外光谱如图所示，则该有机物可能的结构简式为（）A．CH3COOCH2CH3 B．OHCCH2CH2OCH3C．HCOOCH2CH2CH3 D．（CH3）2CHCOOH题型五：核磁共振氢谱【变62】据质谱图分析知某烷烃的相对分子质量为86，其核磁共振氢谱图有4个峰，峰面积比为6：4：3：1，则其结构简式为A． B．C． D．【例7】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，进行如下实验：(1)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的实验式为____。(2)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____。(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组吸收峰，峰面积之比为3∶1。该有机物X的结构简式为____。题型六：实验式、分子式、分子结构的确定综合【变8】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．红外光谱可以帮助确定许多有机物的结构D．某有机物完全燃烧只生成和，两者物质的量之比为1:2，则该有机物一定为甲烷【例11】某有机化合物经李比希法测得其中含碳的质量分数为54.5%、含氢的质量分数为9.1%，其余为氧。用质谱法分析知该有机物的相对分子质量为88.请回答下列有关问题：(1)该有机物的分子式为_______。(2)若该有机物的水溶液呈酸性，且结构中不含支链，则其核磁共振氢谱图中的峰面积之比为_______。(3)若实验测得该有机物中不含结构，利用红外光谱仪测得该有机物的红外光谱如图所示。则该有机物的结构简式可能是_______、_______(写出两种即可)。提分特训提分特训【题1】和互为同分异构体，将其中一种放在下列检测仪上进行检测，显示出的信号不能判断是哪种物质的是A．质谱仪 B．红外光谱仪 C．核磁共振仪 D．X射线衍射仪【题2】实验室常用燃烧法分析有机物的组成与结构。某化合物样品在足量O2中充分燃烧，生成物只有CO2和H2O。燃烧产物依次经过浓硫酸和碱石灰充分吸收，浓硫酸和碱石灰依次增重7.2g和17.6g。有关该物质的组成和结构推测不合理的是（

）A．该物质可能是烃类化合物B．该物质结构中可能含C=CC．该物质结构中可能含苯环D．该物质结构中可能含羧基【题3】核磁共振氢谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的吸收峰(信号)，根据吸收峰可以确定分子中氢原子的种类和数目。例如氯甲基甲醚(ClCH2OCH3)的核磁共振氢谱如图甲所示，两个吸收峰的面积之比为3：2。金刚烷的分子立体结构如图乙所示，它的核磁共振氢谱图中吸收峰数目与峰面积之比分别为A．5，1：6：2：3：4 B．3，1：3：12 C．4，1：6：3：6 D．2，1：3【题5】某研究性学习小组为确定一种从煤中提取的液态烃X的结构，对其进行了如下实验探究。步骤一：这种烃X的蒸气通过热的氧化铜，可被氧化成二氧化碳和水，再用无水氯化钙吸收水，氢氧化钠浓溶液吸收二氧化碳。实验测得，2.12g烃X的蒸气通过热的氧化铜被氧化生成7.04g二氧化碳和1.80g水。步骤二：通过仪器分析知X的相对分子质量为106。步骤三：如图Ⅰ，用核磁共振仪测出X的核磁共振氢谱有2组峰，其面积之比为2∶3。步骤四：利用红外光谱仪测得X分子的红外光谱如图Ⅱ。试回答下列问题：(1)X的分子式为___________，名称为___________。(2)步骤二中的仪器分析方法为___________。(3)写出符合下列条件的X的同分异构体的结构简式：___________。①芳香烃②苯环上的一氯代物有三种(4)以X为原料可制得另一种重要的化工产品邻苯二甲酸(PTA)，查阅资料得知PTA在水中的溶解度随着温度的升高明显增大。若得到的PTA粗产品中有部分不溶性杂质，请简述实验室中提纯PTA的方法：___________。提分作业提分作业【练1】验证某有机物是否属于烃，应完成的实验内容是（

）A．只测定它的C、H原子个数比B．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量【练2】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【练3】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．HOCH2CH2OH【练4】分子式为C2H6O的有机物有两种同分异构体：乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)，则通过下列方式或方法不可能将二者区别开来的是A．红外光谱 B．核磁共振氢谱C．元素分析法 D．与钠反应【练6】为了测定某有机物A的结构，做如下实验：①将2.3g该有机物完全燃烧，生成