第一章 第二节 研究有机化合物的一般方法 第2课时 有机化合物实验式、分子式与分子结构的确定 学案（含解析）
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| 名称 | 第一章 第二节 研究有机化合物的一般方法 第2课时 有机化合物实验式、分子式与分子结构的确定 学案（含解析） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 763.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2022-03-15 23:01:18 | ||
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文档简介
第2课时 有机化合物实验式、分子式与分子结构的确定
【课程标准要求】
1.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。
2.通过测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，能确定有机化合物分子式，并能根据特征结构和现代物理技术确定物质结构。
一、确定实验式
1.实验式
有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，也称为最简式。
2.李比希定量分析一般过程
【微自测】
1.某种含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为52.16%，氢的质量分数为13.14%。则：
(1)氧的质量分数为________。
(2)C、H、O的原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)≈________。
(3)该未知物A的实验式为________。
答案 (1)34.70% (2)2∶6∶1 (3)C2H6O
二、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。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，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
质荷比指分子离子或碎片离子的相对质量与其电荷数的比值。质谱图中，质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。
【微自测】
2.设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，相对丰度与该离子的质量有关)，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 根据图示可知该有机物的相对分子质量为16。
三、确定分子结构
1.红外光谱
(1)原理：不同的官能团或化学键对红外光线的吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置。
(2)作用：获得某有机化合物分子中含有化学键或官能团的信息。
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位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
(2)作用：测定有机化合物分子中氢原子的类型和相对数目。
(3)分析：吸收峰数目＝氢原子种类，吸收峰面积比＝氢原子数目比。
3.X射线衍射
(1)原理：X射线是一种波长很短(约10－10 m)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。
(2)作用：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。
【微自测】
3.下列描述中，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)根据实验式CH4O可以确定分子式为CH4O( )
(2)根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类( )
(3)核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子( )
(4)CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱中，有3个吸收峰，且吸收峰面积为4∶3∶1( )
(5)某有机化合物的核磁共振氢谱图如下图所示，该有机化合物有4种类型的氢原子，个数比为1∶1∶1∶1( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)×
有机物分子式和分子结构的确定
【活动探究】
为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：
(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成5.4 g H2O和8.8 g CO2，消耗氧气6.72 L(标准状况下)。
(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如图①所示质谱图。
(3)经测定，有机物A的核磁共振氢谱如图②所示。
1.该有机物的实验式是什么？
提示 根据题意，n(H2O)＝0.3 mol，则n(H)＝0.6 mol；n(CO2)＝0.2 mol，则n(C)＝0.2 mol；根据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3 mol＋2×0.2 mol－2×＝0.1 mol，则该物质分子中各元素原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)＝n(C)∶n(H)∶n(O)＝2∶6∶1，该有机物的实验式为C2H6O。
2.该分子的相对分子质量是多少？该物质的分子式是什么？
提示 由质谱图知其相对分子质量为46，假设该有机物的分子式为(C2H6O)m，则46m＝46，即m＝1，故其分子式为C2H6O。
3.预测A的可能结构并写出结构简式。
提示 由A的分子式为C2H6O可知，A为饱和有机化合物，可推测其结构简式为CH3CH2OH或CH3OCH3。
4.确定A的结构简式是什么？
提示 分析A的核磁共振氢谱图可知：A有三种不同化学环境的氢原子，CH3OCH3只有一种化学环境的氢原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。
【核心归纳】
1.元素定量分析的方法步骤
2.元素分析与分子式的确定
3.有机物分子结构的确定(物理方法)
余数法确定分子式
用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。
＝＝
A……
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、苯和苯的同系物等)。
【实践应用】
1.燃烧0.2 mol某有机物，得到0.4 mol CO2和0.6 mol H2O，由此可得出的结论是( )
A.该有机物含有2个碳原子和6个氢原子
B.该有机物中碳元素和氢元素的原子个数比为3∶1
C.该有机物中含有2个CO2和3个H2O
D.该有机物的1个分子里含有2个碳原子和6个氢原子，还可能含有氧原子
答案 D
解析 A项，该有机物的1个分子里含有2个碳原子和6个氢原子；B项，该有机物中碳元素和氢元素的原子个数比为1∶3，C项，有机物燃烧生成CO2和水，不是该有机物中含二氧化碳和水。
2.某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为72.0%、含氢为6.67%，其余为氧。现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。
方法一：用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。
方法二：核磁共振仪测出A的核磁共振氢谱有5组峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3，如图A所示。
方法三：利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图B所示。
请填空：
(1)A的分子式为________。
(2)一个A分子中含一个甲基的依据是________(填字母)。
a.A的相对分子质量
b.A的分子式
c.A的核磁共振氢谱图
d.A分子的红外光谱图
(3)A的结构简式为________(写出三种)。
答案 (1)C9H10O2 (2)bc
(3)
解析 (1)由题意知，有机物A中O的质量分数为1－72.0%－6.67%＝21.33%，Mr(A)＝150得N(C)＝＝9，N(H)＝≈10，N(O)＝≈2，则A的分子式为C9H10O2。(2)由分子式知，A中含有10个H，核磁共振氢谱中有5组峰，说明A中有5种氢，峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3，由于3个H相同的只有一种即有一个—CH3。(3)A中含苯环结构，且苯环与C原子相连形成的结构，含C===O和C—O，可联想(酯基) ，含C—C和C—H，综合可知A的结构简式为 。
核心体系建构
1.某有机物完全燃烧只生成CO2和H2O，两者的物质的量之比为2∶3，因而可以说( )
A.该有机物中含C、H、O三种元素
B.该化合物是乙烷
C.该化合物中C、H原子个数比为2∶3
D.该化合物中含C原子和H原子，但不能确定是否含有O原子
答案 D
解析 有机物燃烧生成CO2和H2O的物质的量之比为2∶3，说明有机物中含有C、H元素，且物质的量之比为1∶3，而有没有O元素则不能确定，可能是乙烷，也可能是乙醇或者甲醚等。
2.验证某有机物属于烃，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CO2
C.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
答案 D
解析 当CO2和H2O中m(C)＋m(H)＝m(有机物)时，说明有机物中没有氧元素。
3.下列说法错误的是( )
A.从核磁共振氢谱图上可以推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目
B.红外光谱是用高能电子流等轰击样品分子，使分子失去电子变成分子离子或碎片离子
C.质谱法具有快速、微量、精确的特点
D.通过红外光谱图可以初步判断有机物所含的官能团
答案 B
解析 核磁共振氢谱可测定有机物分子中氢原子的种类及各种类氢原子的个数比；质谱法是快速、微量、精确测定有机物相对分子质量的方法，它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；从红外光谱图上可以获得分子中含有的化学键或官能团的信息。
4.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.C2H5OH
B.
C.CH3CH2CH2COOH
D.
答案 A
解析 由题图可知，该分子中有3种氢原子。乙醇分子中有3种氢原子，A正确；连在同一个碳原子上的甲基上的氢原子相同，所以B有2种氢原子，错误；C有4种氢原子，错误；该分子结构对称，D有2种氢原子，错误。
5.乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别为，通过下列方法或检测仪得出的信息或信号完全相同的是( )
A.李比希元素分析法 B.红外光谱仪
C.核磁共振仪 D.质谱仪
答案 A
解析 二者互为同分异构体，则通过李比希元素分析法得出的信息完全相同，A项符合题意；官能团不同，红外光谱信号不同，B项不符合题意；二者含有的氢原子的种类和个数虽然相同，但峰出现的位置不同，核磁共振氢谱信号不完全相同，C项不符合题意；二者的相对分子质量相等，质谱法测定的最大质荷比相同，但信号不完全相同，D项不符合题意。
6.汽车污染主要来源于汽车配件和材料、操控台、座椅、车顶毡、脚底垫和所使用的零配件、胶水、涂料、泡沫、塑料、橡胶、皮革、皮革着色剂、填充料等汽车本身的物件，它们都会产生大量的有毒气体，这些有毒气体大都是有机物。其中一种有毒气体的质谱图如下图，
则由图可知该气体的相对分子质量是________，若该分子含有苯环，核磁共振氢谱中有4个吸收峰，则有机物的名称为________，其苯环上的一氯代物有________种。
答案 92 甲苯 3
解析 从质谱图中可以看出，该分子的相对分子质量为92，再根据核磁共振氢谱中有4个吸收峰，可以判断出应是甲苯，其苯环上的一氯代物有3种。
一、选择题(本题包含12个小题，每小题只有一个选项符合题意)
1.物理方法鉴定有机物结构具有微量、快速、准确、信息量大等特点。下列不属于鉴定有机物结构的物理方法是( )
A.色谱法 B.质谱法
C.红外光谱法 D.核磁共振氢谱法
答案 A、B
解析 A.色谱法又称“色谱分析”、“色谱分析法”、“层析法”，是一种分离和分析方法，不属于鉴定有机物结构的物理方法，A符合；B.质谱法可快速、准确测定有机物的相对分子质量，B符合；C.红外光谱法可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息，C不符合；D.核磁共振氢谱法可推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目之比，D不符合。
2.以下用于研究有机物的方法的叙述中错误的个数是( )
①蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物
②燃烧法是研究确定有机物结构的有效方法之一
③红外光谱通常用于分析有机物的相对分子质量
④质谱仪常用于检验有机物分子中的化学键或官能团
A.1 B.2
C.3 D.4
答案 C
解析 ①蒸馏是利用互溶液态混合物中各成分的沸点不同而进行物质分离的方法，液态有机物混合物中各成分的沸点不同，所以可用蒸馏的方法进行物质分离，①正确；②利用燃烧法，能将有机物分解为简单无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定实验式，②错误；③不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上处于不同的位置，所以红外光谱图能确定有机物分子中的化学键或官能团，③错误；④质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能测定出有机物的化学键和官能团，④错误。
3.某有机物在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，则该物质可能是( )
①CH4 ②C2H4 ③C2H5OH ④CH3OH
A.②③ B.①④
C.①③ D.②④
答案 B
解析 该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，即N(H2O)∶N(CO2)＝2∶1，则该物质中N(H)∶N(C)＝4∶1，分子式满足N(C)∶N(H)＝1∶4的有①CH4、④CH3OH。
4.已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中不正确的是( )
A.由红外光谱可知，该有机物分子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的氢原子
C.仅由核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数
D.若A的分子式为C3H8O，则其结构简式可能为
答案 D
解析 由红外光谱可知有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键，A正确；由核磁共振氢谱可知有机物分子中三种不同的氢原子的个数比，但不知总的氢原子数，B、C正确；因为中的不同化学环境的氢原子个数比为1∶1∶6，与图像不符，D错误。
5.某有机化合物6.4 g在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O，下列关于该有机物的说法中错误的是( )
A.该有机物仅含碳、氢两种元素
B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4
C.该有机物属于醇类
D.该有机物相对分子质量为32
答案 A
解析 该有机物燃烧生成8.8 g CO2(0.2 mol)、7.2 g H2O(0.4 mol)，所以6.4 g该有机物中n(C)＝0.2 mol，m(C)＝2.4 g；n(H)＝0.8 mol，m(H)＝0.8 g，所以6.4 g有机物中m(O)＝(6.4－2.4－0.8) g＝3.2 g，n(O)＝0.2 mol。根据上述分析，该有机物分子中一定含有C、H、O三种元素，故A错误。n(C)∶n(H)＝0.2 mol∶0.8 mol＝1∶4，故B正确。n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.2∶0.8∶0.2＝1∶4∶1，则该有机物最简式为CH4O；由于最简式碳原子已饱和，所以该有机物分子式就是CH4O；该氧原子只能作醇羟基，该有机物属于醇类，故C正确；分子式为CH4O，则相对分子质量为32，故D正确。故选A。
6.下列对有机化合物的命名错误的是( )
A.CH3Cl 一氯甲烷
B.CH3C(CH3)2CH2CH3 2，2－二甲基丁烷
C.CH3CH(CH3)CH2CH(CH3)2 2，4－二甲基戊烷
D.CH3CH(CH3)CH2CH3 3－甲基丁烷
答案 D
解析 CH3Cl为一氯甲烷，A正确；CH3C(CH3)2CH2CH3为2，2－二甲基丁烷，B正确；CH3CH(CH3)CH2CH(CH3)2为2，4－二甲基戊烷，C正确；CH3CH(CH3)CH2CH3为2－甲基丁烷，D错误。
更换如下：
6.A是一种含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。已知A中碳元素的质量分数为44.1%，氢元素的质量分数为8.82%。则A的实验式是( )
A.C5H12O4 B.C5H12O3
C.C4H10O4 D.C5H10O4
答案 A
解析 氧元素的质量分数为100%－44.1%－8.82%＝47.08%，N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈5∶12∶4，所以A的实验式为C5H12O4。
7.质谱图表明某有机物的相对分子质量为70，红外光谱表征到C===C和C===O的存在，1H核磁共振谱如下图(峰面积之比依次为1∶1∶1∶3)，下列说法正确的是( )
A.分子中共有5种化学环境不同的氢原子
B.该物质的分子式为C4H8O
C.该有机物的结构简式为CH3CH===CHCHO
D.在一定条件下，1 mol该有机物可与3 mol的氢气加成
答案 C
解析 A.根据核磁共振氢谱可知分子中共有4种化学环境不同的氢原子，A错误；B.质谱图表明某有机物的相对分子质量为70，红外光谱表征到C===C和C===O的存在，1H核磁共振谱如图(峰面积之比依次为1∶1∶1∶3)，则该有机物的结构简式为CH3CH===CHCHO，因此该物质的分子式为C4H6O，B错误；C正确；D.碳碳双键和醛基均能与氢气加成，则在一定条件下，1 mol该有机物可与2 mol的氢气加成，D错误。
8.某有机物X对氢气的相对密度为30，分子中含碳40%，含氢6.7%，其余为氧，X可与碳酸氢钠溶液反应。下列关于X的说法不正确的是( )
A.X的相对分子质量为60
B.X的分子式为C2H4O2
C.X的官能团为羧基
D.X的结构简式为HCOOCH3
答案 D
解析 某有机物X对氢气的相对密度为30，所以该有机物的相对分子质量为60，分子中含碳40%，含氢6.7%，其余为氧，C原子的个数为＝2，H原子的个数为＝4，O原子的个数为≈2，所以X的分子式中C2H4O2，X可与碳酸氢钠溶液反应，可知X含有羧基，结构简式是CH3COOH。故A、B、C正确，D错。
9.有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O。将12 g该有机物完全燃烧后的产物通过足量浓硫酸，浓硫酸增重14.4 g，再将剩余气体通过足量碱石灰，碱石灰增重26.4 g，则该有机物的分子式是( )
A.C4H10 B.C2H6O
C.C3H8O D.C2H4O2
答案 C
解析 浓硫酸增加的质量是H2O的质量，碱石灰增加的质量是CO2的质量，即m(H2O)＝14.4 g，m(CO2)＝26.4 g，由此易求出m(C)＝7.2 g，m(H)＝1.6 g，则m(O)＝3.2 g，据此可求出有机物中C、H、O的原子个数比为3∶8∶1，即有机物A的实验式为C3H8O，因氢原子数已达饱和，故此实验式就是有机物A的分子式。
10.在核磁共振氢谱图中出现三组峰，且峰面积之比为1∶1∶1的化合物是( )
答案 C
解析 A.CH3CH===CHCH3分子中只有2种不同化学环境的H，故其在核磁共振氢谱中出现2组峰，且峰面积之比为1∶3，A项错误；B分子中有4种不同化学环境的H，且峰面积之比为1∶2∶2∶1，B项错误；D项中分子有3种不同化学环境的H，故其在核磁共振氢谱中出现三组峰，且峰面积之比为3∶4∶1，D项错误。
11.鉴别二甲醚和乙醇可采用化学方法或物理方法，下列方法不能对二者进行鉴别的是( )
A.利用金属钠或金属钾法
B.利用红外光谱法
C.利用元素分析仪
D.利用核磁共振氢谱法
答案 C
解析 CH3CH2OH能跟金属钠或金属钾反应，CH3OCH3不与钠、钾反应，A不符合题意；CH3CH2OH分子中有O—H键，CH3OCH3中没有，利用红外光谱可以鉴别二者，B不符合题意；CH3OCH3和CH3CH2OH互为同分异构体，组成元素相同，分子式相同，利用元素分析仪不能对二者进行鉴别，C符合题意；CH3CH2OH分子中有3种氢原子，CH3OCH3分子中只有1种氢原子，利用核磁共振氢谱可以鉴别二者，D不符合题意。
12.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，该有机物的相对分子质量是74，则该有机物的结构简式是( )
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2CH2OH D.CH3CH2CHO
答案 C
解析 A项中无O—H键，不符合；D项中无O—H、C—O键，有C===O键，不符合；B项的相对分子质量为60，不符合；只有C项符合。
二、非选择题(本题共2小题)
13.0.2 mol某烃A在氧气中完全燃烧后，生成CO2和H2O各1.2 mol。试回答：
(1)烃A的分子式为________。
(2)若取一定量的该烃A完全燃烧后，生成CO2和H2O各3 mol，则燃烧时消耗标准状况下的氧气________ L。
(3)若烃A不能使溴水褪色，但在一定条件下能与氯气发生取代反应，其一氯取代物只有一种，则烃A的结构简式为________。
(4)若烃A能使溴水褪色，在催化剂作用下，与H2加成，其加成产物经测定分子中含有4个甲基，烃A可能有的结构简式有三种，它们分别为_______________、
________________、________________。
答案 (1)C6H12
(2)100.8 (3)
(4)(CH3)3C—CH===CH2
(CH3)2C===C(CH3)2
CH3CH(CH3)C(CH3)===CH2
解析 (1)0.2 mol某烃A在氧气中完全燃烧后，生成CO2和H2O各1.2 mol，说明1个烃分子中含有6个碳原子和12个氢原子，分子式为C6H12。(2)若取一定量的该烃A完全燃烧后，生成CO2和H2O各3 mol，说明该烃的物质的量为0.5 mol，根据方程式C6H12＋9O26CO2＋6H2O分析，消耗4.5 mol氧气，标况下体积为22.4 L·mol－1×4.5 mol＝100.8 L; (3)若烃A不能使溴水褪色，说明没有不饱和键，但在一定条件下能与氯气发生取代反应，其一氯取代物只有一种，说明结构对称性很强，只有一种碳原子和一种氢原子，所以结构为; (4)若烃A能使溴水褪色，在催化剂作用下，与H2加成，其加成产物经测定分子中含有4个甲基，结构可能为(CH3)3C—CH2CH3或(CH3)2CHCH(CH3)2，所以烃A可能有的结构简式有三种：(CH3)3C—CH===CH2、(CH3)2C===C(CH3)2 ，CH3CH(CH3)—C(CH3)===CH2。
14.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，对其进行探究。
步骤一：这种碳氢化合物蒸气通过热的氧化铜(催化剂)，氧化成二氧化碳和水，再用装有无水氯化钙和固体氢氧化钠的吸收管完全吸收。2.12 g有机物X的蒸气氧化产生7.04 g二氧化碳和1.80 g水；
步骤二：通过仪器分析得知X的相对分子质量为106；
步骤三：用核磁共振仪测出X的1H核磁共振谱有2个峰，其面积之比为2∶3 (如图Ⅰ)
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：
(1)步骤二中的仪器分析方法称为________。
(2)X的分子式为________。
(3)X的结构简式为________；名称为：________。
答案 (1)质谱法
(2)C8H10
(3) 对二甲苯(或者 1，4－二甲苯)
解析 (1)测定相对分子质量的仪器分析方法称为质谱法。(2)液态烃X中只含碳氢两种元素，2.12 g有机物X的蒸气氧化产生7.04 g二氧化碳和1.80 g水；X的相对分子质量为106，n(X)＝＝0.02 mol；n(CO2)＝＝0.16 mol；n(C)＝0.16 mol；n(H2O)＝＝0.1 mol，n(H)＝0.2 mol，所以X的分子式为C8H10；(3)根据X分子的红外光谱如图，X的结构中含有，核磁共振谱有2个峰，其面积之比为2∶3，X的结构简式为；名称为对二甲苯。
【课程标准要求】
1.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。
2.通过测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，能确定有机化合物分子式，并能根据特征结构和现代物理技术确定物质结构。
一、确定实验式
1.实验式
有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，也称为最简式。
2.李比希定量分析一般过程
【微自测】
1.某种含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为52.16%，氢的质量分数为13.14%。则：
(1)氧的质量分数为________。
(2)C、H、O的原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)≈________。
(3)该未知物A的实验式为________。
答案 (1)34.70% (2)2∶6∶1 (3)C2H6O
二、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。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，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
质荷比指分子离子或碎片离子的相对质量与其电荷数的比值。质谱图中，质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。
【微自测】
2.设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，相对丰度与该离子的质量有关)，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 根据图示可知该有机物的相对分子质量为16。
三、确定分子结构
1.红外光谱
(1)原理：不同的官能团或化学键对红外光线的吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置。
(2)作用：获得某有机化合物分子中含有化学键或官能团的信息。
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位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
(2)作用：测定有机化合物分子中氢原子的类型和相对数目。
(3)分析：吸收峰数目＝氢原子种类，吸收峰面积比＝氢原子数目比。
3.X射线衍射
(1)原理：X射线是一种波长很短(约10－10 m)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。
(2)作用：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。
【微自测】
3.下列描述中，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)根据实验式CH4O可以确定分子式为CH4O( )
(2)根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类( )
(3)核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子( )
(4)CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱中，有3个吸收峰，且吸收峰面积为4∶3∶1( )
(5)某有机化合物的核磁共振氢谱图如下图所示，该有机化合物有4种类型的氢原子，个数比为1∶1∶1∶1( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)×
有机物分子式和分子结构的确定
【活动探究】
为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：
(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成5.4 g H2O和8.8 g CO2，消耗氧气6.72 L(标准状况下)。
(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如图①所示质谱图。
(3)经测定，有机物A的核磁共振氢谱如图②所示。
1.该有机物的实验式是什么？
提示 根据题意，n(H2O)＝0.3 mol，则n(H)＝0.6 mol；n(CO2)＝0.2 mol，则n(C)＝0.2 mol；根据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3 mol＋2×0.2 mol－2×＝0.1 mol，则该物质分子中各元素原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)＝n(C)∶n(H)∶n(O)＝2∶6∶1，该有机物的实验式为C2H6O。
2.该分子的相对分子质量是多少？该物质的分子式是什么？
提示 由质谱图知其相对分子质量为46，假设该有机物的分子式为(C2H6O)m，则46m＝46，即m＝1，故其分子式为C2H6O。
3.预测A的可能结构并写出结构简式。
提示 由A的分子式为C2H6O可知，A为饱和有机化合物，可推测其结构简式为CH3CH2OH或CH3OCH3。
4.确定A的结构简式是什么？
提示 分析A的核磁共振氢谱图可知：A有三种不同化学环境的氢原子，CH3OCH3只有一种化学环境的氢原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。
【核心归纳】
1.元素定量分析的方法步骤
2.元素分析与分子式的确定
3.有机物分子结构的确定(物理方法)
余数法确定分子式
用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。
＝＝
A……
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、苯和苯的同系物等)。
【实践应用】
1.燃烧0.2 mol某有机物，得到0.4 mol CO2和0.6 mol H2O，由此可得出的结论是( )
A.该有机物含有2个碳原子和6个氢原子
B.该有机物中碳元素和氢元素的原子个数比为3∶1
C.该有机物中含有2个CO2和3个H2O
D.该有机物的1个分子里含有2个碳原子和6个氢原子，还可能含有氧原子
答案 D
解析 A项，该有机物的1个分子里含有2个碳原子和6个氢原子；B项，该有机物中碳元素和氢元素的原子个数比为1∶3，C项，有机物燃烧生成CO2和水，不是该有机物中含二氧化碳和水。
2.某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为72.0%、含氢为6.67%，其余为氧。现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。
方法一：用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。
方法二：核磁共振仪测出A的核磁共振氢谱有5组峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3，如图A所示。
方法三：利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图B所示。
请填空：
(1)A的分子式为________。
(2)一个A分子中含一个甲基的依据是________(填字母)。
a.A的相对分子质量
b.A的分子式
c.A的核磁共振氢谱图
d.A分子的红外光谱图
(3)A的结构简式为________(写出三种)。
答案 (1)C9H10O2 (2)bc
(3)
解析 (1)由题意知，有机物A中O的质量分数为1－72.0%－6.67%＝21.33%，Mr(A)＝150得N(C)＝＝9，N(H)＝≈10，N(O)＝≈2，则A的分子式为C9H10O2。(2)由分子式知，A中含有10个H，核磁共振氢谱中有5组峰，说明A中有5种氢，峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3，由于3个H相同的只有一种即有一个—CH3。(3)A中含苯环结构，且苯环与C原子相连形成的结构，含C===O和C—O，可联想(酯基) ，含C—C和C—H，综合可知A的结构简式为 。
核心体系建构
1.某有机物完全燃烧只生成CO2和H2O，两者的物质的量之比为2∶3，因而可以说( )
A.该有机物中含C、H、O三种元素
B.该化合物是乙烷
C.该化合物中C、H原子个数比为2∶3
D.该化合物中含C原子和H原子，但不能确定是否含有O原子
答案 D
解析 有机物燃烧生成CO2和H2O的物质的量之比为2∶3，说明有机物中含有C、H元素，且物质的量之比为1∶3，而有没有O元素则不能确定，可能是乙烷，也可能是乙醇或者甲醚等。
2.验证某有机物属于烃，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CO2
C.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
答案 D
解析 当CO2和H2O中m(C)＋m(H)＝m(有机物)时，说明有机物中没有氧元素。
3.下列说法错误的是( )
A.从核磁共振氢谱图上可以推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目
B.红外光谱是用高能电子流等轰击样品分子，使分子失去电子变成分子离子或碎片离子
C.质谱法具有快速、微量、精确的特点
D.通过红外光谱图可以初步判断有机物所含的官能团
答案 B
解析 核磁共振氢谱可测定有机物分子中氢原子的种类及各种类氢原子的个数比；质谱法是快速、微量、精确测定有机物相对分子质量的方法，它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；从红外光谱图上可以获得分子中含有的化学键或官能团的信息。
4.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.C2H5OH
B.
C.CH3CH2CH2COOH
D.
答案 A
解析 由题图可知，该分子中有3种氢原子。乙醇分子中有3种氢原子，A正确；连在同一个碳原子上的甲基上的氢原子相同，所以B有2种氢原子，错误；C有4种氢原子，错误；该分子结构对称，D有2种氢原子，错误。
5.乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别为，通过下列方法或检测仪得出的信息或信号完全相同的是( )
A.李比希元素分析法 B.红外光谱仪
C.核磁共振仪 D.质谱仪
答案 A
解析 二者互为同分异构体，则通过李比希元素分析法得出的信息完全相同，A项符合题意；官能团不同，红外光谱信号不同，B项不符合题意；二者含有的氢原子的种类和个数虽然相同，但峰出现的位置不同，核磁共振氢谱信号不完全相同，C项不符合题意；二者的相对分子质量相等，质谱法测定的最大质荷比相同，但信号不完全相同，D项不符合题意。
6.汽车污染主要来源于汽车配件和材料、操控台、座椅、车顶毡、脚底垫和所使用的零配件、胶水、涂料、泡沫、塑料、橡胶、皮革、皮革着色剂、填充料等汽车本身的物件，它们都会产生大量的有毒气体，这些有毒气体大都是有机物。其中一种有毒气体的质谱图如下图，
则由图可知该气体的相对分子质量是________，若该分子含有苯环，核磁共振氢谱中有4个吸收峰，则有机物的名称为________，其苯环上的一氯代物有________种。
答案 92 甲苯 3
解析 从质谱图中可以看出，该分子的相对分子质量为92，再根据核磁共振氢谱中有4个吸收峰，可以判断出应是甲苯，其苯环上的一氯代物有3种。
一、选择题(本题包含12个小题，每小题只有一个选项符合题意)
1.物理方法鉴定有机物结构具有微量、快速、准确、信息量大等特点。下列不属于鉴定有机物结构的物理方法是( )
A.色谱法 B.质谱法
C.红外光谱法 D.核磁共振氢谱法
答案 A、B
解析 A.色谱法又称“色谱分析”、“色谱分析法”、“层析法”，是一种分离和分析方法，不属于鉴定有机物结构的物理方法，A符合；B.质谱法可快速、准确测定有机物的相对分子质量，B符合；C.红外光谱法可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息，C不符合；D.核磁共振氢谱法可推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目之比，D不符合。
2.以下用于研究有机物的方法的叙述中错误的个数是( )
①蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物
②燃烧法是研究确定有机物结构的有效方法之一
③红外光谱通常用于分析有机物的相对分子质量
④质谱仪常用于检验有机物分子中的化学键或官能团
A.1 B.2
C.3 D.4
答案 C
解析 ①蒸馏是利用互溶液态混合物中各成分的沸点不同而进行物质分离的方法，液态有机物混合物中各成分的沸点不同，所以可用蒸馏的方法进行物质分离，①正确；②利用燃烧法，能将有机物分解为简单无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定实验式，②错误；③不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上处于不同的位置，所以红外光谱图能确定有机物分子中的化学键或官能团，③错误；④质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能测定出有机物的化学键和官能团，④错误。
3.某有机物在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，则该物质可能是( )
①CH4 ②C2H4 ③C2H5OH ④CH3OH
A.②③ B.①④
C.①③ D.②④
答案 B
解析 该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，即N(H2O)∶N(CO2)＝2∶1，则该物质中N(H)∶N(C)＝4∶1，分子式满足N(C)∶N(H)＝1∶4的有①CH4、④CH3OH。
4.已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中不正确的是( )
A.由红外光谱可知，该有机物分子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的氢原子
C.仅由核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数
D.若A的分子式为C3H8O，则其结构简式可能为
答案 D
解析 由红外光谱可知有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键，A正确；由核磁共振氢谱可知有机物分子中三种不同的氢原子的个数比，但不知总的氢原子数，B、C正确；因为中的不同化学环境的氢原子个数比为1∶1∶6，与图像不符，D错误。
5.某有机化合物6.4 g在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O，下列关于该有机物的说法中错误的是( )
A.该有机物仅含碳、氢两种元素
B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4
C.该有机物属于醇类
D.该有机物相对分子质量为32
答案 A
解析 该有机物燃烧生成8.8 g CO2(0.2 mol)、7.2 g H2O(0.4 mol)，所以6.4 g该有机物中n(C)＝0.2 mol，m(C)＝2.4 g；n(H)＝0.8 mol，m(H)＝0.8 g，所以6.4 g有机物中m(O)＝(6.4－2.4－0.8) g＝3.2 g，n(O)＝0.2 mol。根据上述分析，该有机物分子中一定含有C、H、O三种元素，故A错误。n(C)∶n(H)＝0.2 mol∶0.8 mol＝1∶4，故B正确。n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.2∶0.8∶0.2＝1∶4∶1，则该有机物最简式为CH4O；由于最简式碳原子已饱和，所以该有机物分子式就是CH4O；该氧原子只能作醇羟基，该有机物属于醇类，故C正确；分子式为CH4O，则相对分子质量为32，故D正确。故选A。
6.下列对有机化合物的命名错误的是( )
A.CH3Cl 一氯甲烷
B.CH3C(CH3)2CH2CH3 2，2－二甲基丁烷
C.CH3CH(CH3)CH2CH(CH3)2 2，4－二甲基戊烷
D.CH3CH(CH3)CH2CH3 3－甲基丁烷
答案 D
解析 CH3Cl为一氯甲烷，A正确；CH3C(CH3)2CH2CH3为2，2－二甲基丁烷，B正确；CH3CH(CH3)CH2CH(CH3)2为2，4－二甲基戊烷，C正确；CH3CH(CH3)CH2CH3为2－甲基丁烷，D错误。
更换如下：
6.A是一种含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。已知A中碳元素的质量分数为44.1%，氢元素的质量分数为8.82%。则A的实验式是( )
A.C5H12O4 B.C5H12O3
C.C4H10O4 D.C5H10O4
答案 A
解析 氧元素的质量分数为100%－44.1%－8.82%＝47.08%，N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈5∶12∶4，所以A的实验式为C5H12O4。
7.质谱图表明某有机物的相对分子质量为70，红外光谱表征到C===C和C===O的存在，1H核磁共振谱如下图(峰面积之比依次为1∶1∶1∶3)，下列说法正确的是( )
A.分子中共有5种化学环境不同的氢原子
B.该物质的分子式为C4H8O
C.该有机物的结构简式为CH3CH===CHCHO
D.在一定条件下，1 mol该有机物可与3 mol的氢气加成
答案 C
解析 A.根据核磁共振氢谱可知分子中共有4种化学环境不同的氢原子，A错误；B.质谱图表明某有机物的相对分子质量为70，红外光谱表征到C===C和C===O的存在，1H核磁共振谱如图(峰面积之比依次为1∶1∶1∶3)，则该有机物的结构简式为CH3CH===CHCHO，因此该物质的分子式为C4H6O，B错误；C正确；D.碳碳双键和醛基均能与氢气加成，则在一定条件下，1 mol该有机物可与2 mol的氢气加成，D错误。
8.某有机物X对氢气的相对密度为30，分子中含碳40%，含氢6.7%，其余为氧，X可与碳酸氢钠溶液反应。下列关于X的说法不正确的是( )
A.X的相对分子质量为60
B.X的分子式为C2H4O2
C.X的官能团为羧基
D.X的结构简式为HCOOCH3
答案 D
解析 某有机物X对氢气的相对密度为30，所以该有机物的相对分子质量为60，分子中含碳40%，含氢6.7%，其余为氧，C原子的个数为＝2，H原子的个数为＝4，O原子的个数为≈2，所以X的分子式中C2H4O2，X可与碳酸氢钠溶液反应，可知X含有羧基，结构简式是CH3COOH。故A、B、C正确，D错。
9.有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O。将12 g该有机物完全燃烧后的产物通过足量浓硫酸，浓硫酸增重14.4 g，再将剩余气体通过足量碱石灰，碱石灰增重26.4 g，则该有机物的分子式是( )
A.C4H10 B.C2H6O
C.C3H8O D.C2H4O2
答案 C
解析 浓硫酸增加的质量是H2O的质量，碱石灰增加的质量是CO2的质量，即m(H2O)＝14.4 g，m(CO2)＝26.4 g，由此易求出m(C)＝7.2 g，m(H)＝1.6 g，则m(O)＝3.2 g，据此可求出有机物中C、H、O的原子个数比为3∶8∶1，即有机物A的实验式为C3H8O，因氢原子数已达饱和，故此实验式就是有机物A的分子式。
10.在核磁共振氢谱图中出现三组峰，且峰面积之比为1∶1∶1的化合物是( )
答案 C
解析 A.CH3CH===CHCH3分子中只有2种不同化学环境的H，故其在核磁共振氢谱中出现2组峰，且峰面积之比为1∶3，A项错误；B分子中有4种不同化学环境的H，且峰面积之比为1∶2∶2∶1，B项错误；D项中分子有3种不同化学环境的H，故其在核磁共振氢谱中出现三组峰，且峰面积之比为3∶4∶1，D项错误。
11.鉴别二甲醚和乙醇可采用化学方法或物理方法，下列方法不能对二者进行鉴别的是( )
A.利用金属钠或金属钾法
B.利用红外光谱法
C.利用元素分析仪
D.利用核磁共振氢谱法
答案 C
解析 CH3CH2OH能跟金属钠或金属钾反应，CH3OCH3不与钠、钾反应，A不符合题意；CH3CH2OH分子中有O—H键，CH3OCH3中没有，利用红外光谱可以鉴别二者，B不符合题意；CH3OCH3和CH3CH2OH互为同分异构体，组成元素相同，分子式相同，利用元素分析仪不能对二者进行鉴别，C符合题意；CH3CH2OH分子中有3种氢原子，CH3OCH3分子中只有1种氢原子，利用核磁共振氢谱可以鉴别二者，D不符合题意。
12.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，该有机物的相对分子质量是74，则该有机物的结构简式是( )
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2CH2OH D.CH3CH2CHO
答案 C
解析 A项中无O—H键，不符合；D项中无O—H、C—O键，有C===O键，不符合；B项的相对分子质量为60，不符合；只有C项符合。
二、非选择题(本题共2小题)
13.0.2 mol某烃A在氧气中完全燃烧后，生成CO2和H2O各1.2 mol。试回答：
(1)烃A的分子式为________。
(2)若取一定量的该烃A完全燃烧后，生成CO2和H2O各3 mol，则燃烧时消耗标准状况下的氧气________ L。
(3)若烃A不能使溴水褪色，但在一定条件下能与氯气发生取代反应，其一氯取代物只有一种，则烃A的结构简式为________。
(4)若烃A能使溴水褪色，在催化剂作用下，与H2加成，其加成产物经测定分子中含有4个甲基，烃A可能有的结构简式有三种，它们分别为_______________、
________________、________________。
答案 (1)C6H12
(2)100.8 (3)
(4)(CH3)3C—CH===CH2
(CH3)2C===C(CH3)2
CH3CH(CH3)C(CH3)===CH2
解析 (1)0.2 mol某烃A在氧气中完全燃烧后，生成CO2和H2O各1.2 mol，说明1个烃分子中含有6个碳原子和12个氢原子，分子式为C6H12。(2)若取一定量的该烃A完全燃烧后，生成CO2和H2O各3 mol，说明该烃的物质的量为0.5 mol，根据方程式C6H12＋9O26CO2＋6H2O分析，消耗4.5 mol氧气，标况下体积为22.4 L·mol－1×4.5 mol＝100.8 L; (3)若烃A不能使溴水褪色，说明没有不饱和键，但在一定条件下能与氯气发生取代反应，其一氯取代物只有一种，说明结构对称性很强，只有一种碳原子和一种氢原子，所以结构为; (4)若烃A能使溴水褪色，在催化剂作用下，与H2加成，其加成产物经测定分子中含有4个甲基，结构可能为(CH3)3C—CH2CH3或(CH3)2CHCH(CH3)2，所以烃A可能有的结构简式有三种：(CH3)3C—CH===CH2、(CH3)2C===C(CH3)2 ，CH3CH(CH3)—C(CH3)===CH2。
14.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，对其进行探究。
步骤一：这种碳氢化合物蒸气通过热的氧化铜(催化剂)，氧化成二氧化碳和水，再用装有无水氯化钙和固体氢氧化钠的吸收管完全吸收。2.12 g有机物X的蒸气氧化产生7.04 g二氧化碳和1.80 g水；
步骤二：通过仪器分析得知X的相对分子质量为106；
步骤三：用核磁共振仪测出X的1H核磁共振谱有2个峰，其面积之比为2∶3 (如图Ⅰ)
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：
(1)步骤二中的仪器分析方法称为________。
(2)X的分子式为________。
(3)X的结构简式为________；名称为：________。
答案 (1)质谱法
(2)C8H10
(3) 对二甲苯(或者 1，4－二甲苯)
解析 (1)测定相对分子质量的仪器分析方法称为质谱法。(2)液态烃X中只含碳氢两种元素，2.12 g有机物X的蒸气氧化产生7.04 g二氧化碳和1.80 g水；X的相对分子质量为106，n(X)＝＝0.02 mol；n(CO2)＝＝0.16 mol；n(C)＝0.16 mol；n(H2O)＝＝0.1 mol，n(H)＝0.2 mol，所以X的分子式为C8H10；(3)根据X分子的红外光谱如图，X的结构中含有，核磁共振谱有2个峰，其面积之比为2∶3，X的结构简式为；名称为对二甲苯。