1.2.2实验式、分子式和分子结构的确定（教案）—2022-2023学年高二化学人教版（2019）选择性必修3
文档属性
| 名称 | 1.2.2实验式、分子式和分子结构的确定（教案）—2022-2023学年高二化学人教版（2019）选择性必修3 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 36.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-04-19 21:05:54 | ||
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文档简介
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 教学设计
教学目标
1、掌握李比希提出的燃烧有机物对产物的定量测定确定实验式；
2、了解质谱法确定分子式的原理与方法；
3、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。
教学重难点
1、重点：有机化合物组成元素分析与相对分子质量的测定方法。
2、难点：分子结构的鉴定。
教学过程
一、导入新课
［复习引入］上节课我们已经对所要研究的有机物进行了分离和提纯，接下来进行第二步——元素定量分析确定实验式。
二、讲授新课
知识点一 确定实验式——元素分析
[师]将一定量的有机物燃烧（氧化），分解为简单的无机物，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，即确定其实验式（又称为最简式）。
[讲解]有机化合物的元素定量分析最早是由德国化学家李比希提出的。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。以便于进一步确定其分子式。
【例题】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52.2%，氢的质量分数为13.1%，试求该未知物A的实验式。
[讲解]实验式和分子式的区别：实验式表示化合物分子所含元素的原子数目最简单整数比的式子。分子式表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。
[投影]
解：(1)该有机物中氧元素的质量分数为ω(O)=100%-52.2%-13.1%=34.7%
(2)C、H、O的原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)==2:6:1
答：该未知物A的实验式为C2H6O。
[提问]一般有机物中氧元素师如何确定的呢？
[讲解]一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为碳、氢元素或碳、氢、氧元素。欲判断该有机物分子是否含氧元素，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，则原有机物分子的组成中不含氧元素；否则，原有机物分子的组成中含氧元素。
知识点二 确定分子式——质谱法
[提问]若要确定它的分子式，还需要什么条件？
[师]有机物的分子式的确定方法有很多，在今后的教学中还会进一步介绍。今天我们仅仅学习了利用相对分子质量和实验式共同确定有机物的基本方法。应该说以上所学的方法是用推算的方法来确定有机物的分子式的。在同样计算推出有机物的实验式后，还可以用物理方法简单、快捷地测定相对分子质量，比如——质谱法。
[讲解]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。
[师]由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。
[提问]确定分子式有哪些方法呢？
【归纳总结】确定分子式的方法
(1)根据有机物中各元素的质量分数，求出有机物的实验式，再根据有机物的相对分子质量确定分子式。
(2)根据有机物的摩尔质量和各元素的质量分数，求出1 mol 该有机物中各元素原子的物质的量，从而确定出该有机物的分子式。
(3)根据有机物燃烧时消耗O2的量及产物的量，求出有机物的实验式，再通过计算确定出有机物的分子式。
(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＋H2O；
CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O。
(5)余数法
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)。
知识点三 确定分子结构——波谱分析
[过渡]通过测定，现在已经知道了该有机物的分子式，但是，我们知道，相同的分子式可能出现多种同分异构体，那么，该如何进以步确定有机物的分子结构呢？下面介绍3种物理方法。
[师]第一种要介绍的重要方法是红外光谱法，由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
[师]例如，分子式为C2H6O的红外光谱上发现有O—H、C—H和C—O的吸收峰，可推知该分子的结构简式为C2H5OH。
[讲解]在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物的1H核磁共振谱(1H-NMR)进行分析。氢核磁共振谱的特征有二：一是出现几种信号峰，它表明氢原子的类型，二是共振峰所包含的面积比，它表明不同类型氢原子的数目比。
[师]核磁共振氢谱的具体原理是怎样的呢？
[讲解]氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在图谱上出现的位置也不同，各类氢原子的这种差异被称作化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
[讲解]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谱图中横坐标的位置(化学位移，符号为δ)也就不同。即表现出不同的特征峰；且特征峰间强度(即峰的面积、简称峰度)与氢原子数目多少相关。
[师]X射线是一种波长很短(约10－10m)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。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
板书设计
1.2.2实验式、分子式和分子结构的确定
一、确定实验式——元素分析
1、实验式
2、李比希定量分析一般过程
二、确定分子式——质谱法
1、原理
2、相对分子质量确定
三、确定分子结构——波谱分析
1、红外光谱
2、核磁共振氢谱
3、X射线衍
2
第二节 研究有机化合物的一般方法
第2课时 教学设计
教学目标
1、掌握李比希提出的燃烧有机物对产物的定量测定确定实验式；
2、了解质谱法确定分子式的原理与方法；
3、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。
教学重难点
1、重点：有机化合物组成元素分析与相对分子质量的测定方法。
2、难点：分子结构的鉴定。
教学过程
一、导入新课
［复习引入］上节课我们已经对所要研究的有机物进行了分离和提纯，接下来进行第二步——元素定量分析确定实验式。
二、讲授新课
知识点一 确定实验式——元素分析
[师]将一定量的有机物燃烧（氧化），分解为简单的无机物，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，即确定其实验式（又称为最简式）。
[讲解]有机化合物的元素定量分析最早是由德国化学家李比希提出的。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。以便于进一步确定其分子式。
【例题】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52.2%，氢的质量分数为13.1%，试求该未知物A的实验式。
[讲解]实验式和分子式的区别：实验式表示化合物分子所含元素的原子数目最简单整数比的式子。分子式表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。
[投影]
解：(1)该有机物中氧元素的质量分数为ω(O)=100%-52.2%-13.1%=34.7%
(2)C、H、O的原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)==2:6:1
答：该未知物A的实验式为C2H6O。
[提问]一般有机物中氧元素师如何确定的呢？
[讲解]一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为碳、氢元素或碳、氢、氧元素。欲判断该有机物分子是否含氧元素，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，则原有机物分子的组成中不含氧元素；否则，原有机物分子的组成中含氧元素。
知识点二 确定分子式——质谱法
[提问]若要确定它的分子式，还需要什么条件？
[师]有机物的分子式的确定方法有很多，在今后的教学中还会进一步介绍。今天我们仅仅学习了利用相对分子质量和实验式共同确定有机物的基本方法。应该说以上所学的方法是用推算的方法来确定有机物的分子式的。在同样计算推出有机物的实验式后，还可以用物理方法简单、快捷地测定相对分子质量，比如——质谱法。
[讲解]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。
[师]由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。
[提问]确定分子式有哪些方法呢？
【归纳总结】确定分子式的方法
(1)根据有机物中各元素的质量分数，求出有机物的实验式，再根据有机物的相对分子质量确定分子式。
(2)根据有机物的摩尔质量和各元素的质量分数，求出1 mol 该有机物中各元素原子的物质的量，从而确定出该有机物的分子式。
(3)根据有机物燃烧时消耗O2的量及产物的量，求出有机物的实验式，再通过计算确定出有机物的分子式。
(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＋H2O；
CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O。
(5)余数法
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)。
知识点三 确定分子结构——波谱分析
[过渡]通过测定，现在已经知道了该有机物的分子式，但是，我们知道，相同的分子式可能出现多种同分异构体，那么，该如何进以步确定有机物的分子结构呢？下面介绍3种物理方法。
[师]第一种要介绍的重要方法是红外光谱法，由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
[师]例如，分子式为C2H6O的红外光谱上发现有O—H、C—H和C—O的吸收峰，可推知该分子的结构简式为C2H5OH。
[讲解]在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物的1H核磁共振谱(1H-NMR)进行分析。氢核磁共振谱的特征有二：一是出现几种信号峰，它表明氢原子的类型，二是共振峰所包含的面积比，它表明不同类型氢原子的数目比。
[师]核磁共振氢谱的具体原理是怎样的呢？
[讲解]氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在图谱上出现的位置也不同，各类氢原子的这种差异被称作化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
[讲解]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谱图中横坐标的位置(化学位移，符号为δ)也就不同。即表现出不同的特征峰；且特征峰间强度(即峰的面积、简称峰度)与氢原子数目多少相关。
[师]X射线是一种波长很短(约10－10m)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。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
板书设计
1.2.2实验式、分子式和分子结构的确定
一、确定实验式——元素分析
1、实验式
2、李比希定量分析一般过程
二、确定分子式——质谱法
1、原理
2、相对分子质量确定
三、确定分子结构——波谱分析
1、红外光谱
2、核磁共振氢谱
3、X射线衍
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