1.2.2实验式、分子式和分子结构的确定（学案，含答案）—2022-2023学年高二化学人教版（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
学习目标
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。
学习要点
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。
基础梳理
一、确定实验式——元素分析
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 。
2、李比希定量分析一般过程
【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。
【归纳总结】一般有机物中氧元素的确定方法
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。
二、确定分子式——质谱法
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 的分子离子和碎片离子等。这些离子因 不同、 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 与 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、相对分子质量确定
质谱图中 的分子离子峰或质荷比 表示样品中分子的相对分子质量。
【例题】下图是某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图，由此可确定该未知物的相对分子质量为 。
【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)。
三、确定分子结构——波谱分析
1、红外光谱
(1)作用：初步判断某有机物分子中所含有的 。
(2)原理：不同的化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。
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 。
2、核磁共振氢谱
(1)作用：测定有机物分子中氢原子的类型和它们的相对数目。
(2)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也不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与 成正比。
(3)分析：吸收峰数目＝ ，吸收峰面积比＝ 。
【例题】某未知物A的分子式为C2H6O，核磁共振氢谱如下图，则有 种处于不同化学环境的氢原子，个数比为 ，说明该未知物A的结构简式为 。
3、X射线衍射
(1)原理：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。
(2)应用：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。
课后练习
1.能够测定分子结构和化学键的方法是( )
①质谱 ②红外光谱 ③紫外光谱 ④核磁共振氢谱
A.①② B.③④ C.② D.①④
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
3.在核磁共振氢谱中出现两组峰，其面积之比为3：2的化合物是( )
A. B.
C. D.
4.有机物X由C、H、O三种元素组成，由质谱图测得X的相对分子质量是60，红外光谱图显示其中存在C－H键、O－H键、C－O键的振动吸收，则X的结构简式可能为( )
A. B.
C. D.
5.烃的含氧衍生物A的蒸气密度是相同状况下的37倍。将7.4 g A在足量氧气中充分燃烧，并将产物依次通过足量浓硫酸和碱石灰，分别增重9.0 g和17.6 g。A能与金属钠反应放出气体，其核磁共振氢谱如下图所示：
下列说法正确的是 ( )
A. A的结构简式为
B. A在铜催化作用下能被氧化成醛
C. A的同分异构体共有3种
D.A显酸性，能使紫色石蕊试液变红
6.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．CH3CH2OH B．CH3CHO C．HCOOH D．CH3CH2CH2COOH
7.充分燃烧2.8g某有机物A，生成8.8g和3.6g，这种有机物蒸气的质量是同温同压下同体积的2倍。
（1）求该有机物的分子式。
（2）若该有机物跟HCl的加成产物只有一种，试确定其结构，写出结构简式。
参考答案
基础梳理
一、1、最简式
【例题】
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。
二、1、正电荷 质量 电荷 相对质量 电荷数
2、最右侧 最大值【例题】46
三、1、(1)化学键或官能团 (2) C2H5OH
2、(2)氢原子数 (3)氢原子类型种类 氢原子数之比
【例题】 3 3∶2∶1 CH3CH2OH
课后练习
1.答案：C
解析：质谱仪可以测定分子的相对分子质量；红外光谱可以测定物质所含化学键及官能团；紫外光谱可鉴别物质是否含共轭体系或测定芳香结构；核磁共振氢谱可以反映等效氢的种类及相对数目。综上所述，能够测定分子结构和化学键的方法是②红外光谱，答案为C。
2.答案：D
解析：等效氢应有以下三种情况：①同一碳原子上的氢原子等效；②同一碳原子的甲基上的氢原子等效；③关于镜面对称碳原子上的氢原子等效，根据以上原则，可判断出A：1种；B：4种；C：4种；D：3种，化合物的核磁共振氢谱中出现三组峰说明有机物中含有三种等效氢原子。故选：D。
3.答案：D
解析：因为在核磁共振氢谱中出现两组峰，说明该有机物分子中处在不同化学环境中的氢原子有两种，且根据题意这两种氢原子个数之比为3:2，分析四个选项：A项中处在不同化学环境中的氢原子有2种，其个数之比为6:2，不合题意；B项如图所示，氢原子有3种，其个数之比为3:1:1，不合题意；C项如图所示，氢原子有3种，其个数之比为6:2:8，不合题意；D项如图所示：氢原子有2种，其个数比为3:2，符合题意；答案D。
4.答案：D
解析：A.相对分子质量为60，分子中含有C-H键、C-O键，不含有O-H键，A项错误；
B.相对分子质量为60，B项错误；
C.相对分子质量为74，分子中有C-H键、O-H键、C-O键，C项正确；
D.相对分子质量为58，分子中含有C-H键、C=O键、不含O-H键、C-O键，D项错误；
答案选C。
5.答案：C
解析：烃的含氧衍生物A的蒸气密度是相同状况下的37倍，所以其相对分子质量为372=74，7.4gA的物质的量为0.1mol，在足量氧气中充分燃烧，并将产物依次通过足量浓硫酸和碱石灰，分别增重9.0g和17.6g，即说明反应生成和，根据物质守恒，0.1molA中含有0.5mol×2=1molH原子，含有0.4molC原子，根据质量守恒，7.4gA含有O的质量为7.4g-1×1g－0.4×12g=1.6g，含有O原子的物质的量为0.1mol，故该有机物中C、H、O的个数比为4：10：1；故A的分子式为。根据核磁共振氢谱可知，A中含有4种化学环境的氢，峰面积之比为1:1:2:6，能与金属钠反应放出气体，则A为醇，含有醇羟基，由此推知该物质的结构简式为。
6.答案：A
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，则分子式为或，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个吸收峰，则其分子中有3种B原子， HCOOH分子中含有种H，分子中含有3种等效H，则正确的为A，故选A。
7.答案：（1）（2）
解析：（1）有机物蒸气的质量是同温同压下同体积的2倍 ，则该有机物的相对分子质量是，所以2.8g有机物A的物质的量是0.05mol，完全燃烧生成的和水的质量分别是8.8g和3.6g，其物质的量分别是0.2mol和0.2mol，其中碳、氢原子的质量分别是2.4g和0.4g，因此该有机物中没有氧元素所以该有机物的分子式是；
（2）有机物跟HCl的加成产物只有一种，所以应该是2－丁烯，其结构简式是。
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