3.2 课时2 有机化合物结构式的确定 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修3
文档属性
| 名称 | 3.2 课时2 有机化合物结构式的确定 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修3 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 163.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-05 22:01:06 | ||
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文档简介
3.2第2课时 有机化合物结构式的确定
【学习目标】
1.通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器测定、探析有机物的分子组成、结构,揭示有机物结构的异同;能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。
2.从官能团的鉴别,构建不同有机物的结构模型,结合官能团的性质,推理出各类有机物的特性。
【自主预习】
一、有机化合物分子不饱和度的计算
1.不饱和度的计算公式
不饱和度=N(C)+1-。
说明:N(C)表示碳原子数,N(H)表示氢原子数。
(1)若有机化合物分子中含有卤素原子,则将其视为氢原子。
(2)若含有氧原子,则不予考虑。
(3)若含有氮原子,则用氢原子总数减去氮原子数。
2.几种官能团的不饱和度
化学键 不饱和度 化学键 不饱和度
一个碳碳双键 ① 一个碳碳三键 ②
一个羰基 ③ 一个苯环 ④
一个脂环 ⑤ 一个氰基(—CN) ⑥
3.根据分子结构计算
①Ω=双键数+三键数×2+苯环数×4+脂环数
如:Ω=1+1×2+1=4。
:Ω=4+3=7。
②立体封闭有机物(多面体等):Ω=立体面数-1。
如立方烷()的面数为6,其不饱和度Ω=6-1=5;棱晶烷()的面数为5,其不饱和度Ω=5-1=4。
二、确定有机化合物的官能团
1.化学实验方法
官能团种类 检测试剂 判断依据
碳碳双 键或碳 碳三键 溴的四氯化碳溶液或溴水
酸性KMnO4溶液
卤素原子 NaOH溶液(加热),稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成,根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠 有氢气放出
酚羟基 溶液 显紫色
有白色沉淀生成
醛基 银氨溶液(水浴加热) 有银镜生成
新制氢氧化铜悬浊液(加热) 有 沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有 放出
2.物理测试方法
(1)红外光谱
①原理:用红外光照射有机物分子时,分子中化学键或官能团可发生振动吸收,不同官能团或化学键吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。
②作用:初步判断有机物中含有的 或 。
如分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构:CH3CH2OH和CH3OCH3,利用红外光谱测定分子中有 ,可确定A的结构简式为CH3CH2OH。
(2)核磁共振氢谱
①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,在谱图上出现的位置不同,而且吸收峰的面积与 成正比。
②作用:测定有机物分子中氢原子的 。
③分析:吸收峰数目= ,吸收峰面积比= 。
如CH3CH2OH的吸收峰面积比= 。
【答案】
一、2.①1 ②2 ③1 ④4 ⑤1 ⑥2
二、1.橙红色溶液褪色 紫色溶液褪色 FeCl3
溴水(足量) 砖红色 CO2气体 2.(1)②官能团
化学键 O—H键 (2)①氢原子数目 ②类型和个数比 ③氢原子的类型 氢原子个数比 3∶2∶1
【效果检测】
1.判断正误(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,且吸收峰面积比为4∶3∶1。 ( )
(5)某有机化合物的核磁共振氢谱图如图所示,该有机化合物有4种不同化学环境的氢原子,个数比为1∶1∶1∶1。 ( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)×
2.二甲醚和乙醇能用质谱法鉴别吗 如不能,请提出可行的鉴别方法。
【答案】不能,可用红外光谱或核磁共振氢谱法鉴别。
3.已知有机物的实验式(最简式),确定其分子式时,还需要知道什么物理量
【答案】相对分子质量。
【合作探究】
任务1 有机物不饱和度的计算
【核心归纳】
确定有机化合物结构式的流程
【典型例题】
【例1】下列说法不正确的是( )。
A.有机分子中插入O原子对不饱和度没有影响
B.有机分子中去掉H原子对不饱和度没有影响
C.用CH原子团代替有机分子中的N原子对有机分子的不饱和度没有影响
D.烷烃和饱和一元醇的不饱和度都为0
【答案】B
【解析】分子的不饱和度为N(C)+1-,可知去掉H原子不饱和度增大,B项不正确;分子中含有氮原子时,在氢原子总数中减去氮原子数:不饱和度=N(C)+1-,若用CH代替N原子,则多1个C和1个H,少一个N,不饱和度不变,C项正确。
【例2】某链烃的化学式为C200H202,已知该分子中三键数与双键数之比为2∶1,则其双键数目为( )。
A.50 B.40 C.30 D.20
【答案】D
【解析】可利用链烃的不饱和度等于三键和双键的不饱和度之和来计算,设双键数目为x,则三键数目为2x,依不饱和度计算公式有200+1-=1×x+2×2x,解得x=20。
任务2 确定有机化合物的官能团
【核心归纳】
1.确定有机化合物的官能团
(1)化学实验法检验官能团
官能团种类 检测试剂 判断依据
碳碳双键或 碳碳三键 溴的四氯化碳溶液或溴水 橙红色溶液褪色
酸性KMnO4溶液 紫色溶液褪色
卤素原子 NaOH溶液(加热)、稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成,根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠 有氢气放出
酚羟基 FeCl3溶液 显紫色
溴水(足量) 有白色沉淀生成
醛基 银氨溶液(水浴) 有银镜生成
新制氢氧化铜(加热) 有砖红色沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有CO2气体放出
(2)物理测试法
①红外光谱:可以获得有机物分子中化学键或官能团的信息。
②核磁共振氢谱:处于不同化学环境中的氢原子种数等于核磁共振氢谱中的峰的个数;处于不同化学环境的氢原子的数目之比等于峰的面积之比。
例如:分子式为C2H6O的有机物的核磁共振氢谱如下
乙醇 甲醚
核磁共振氢谱
吸收峰数目 3 1
不同吸收峰面积之比 2∶1∶3 —
结构简式 CH3CH2OH CH3—O—CH3
2.医用胶单体的结构确定
(1)测定实验式
燃烧30.6 g某种医用胶样品,实验测得生成70.4 g CO2、19.8 g H2O、2.24 L N2(已换算成标准状况),确定其实验式的计算步骤如下:
①计算各元素的物质的量
n(CO2)==1.6 mol,n(C)=1.6 mol;
n(H2O)==1.1 mol,n(H)=2.2 mol;
n(N2)==0.1 mol,n(N)=0.2 mol;
n(O)==0.4 mol。
②确定实验式
实验式为C8H11NO2。
(2)确定分子式
已知:由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153。
设该化合物的分子式为(C8H11NO2)n,则n==1,则该化合物的分子式为C8H11NO2。
(3)推导结构式
①计算不饱和度
不饱和度=n(C)+1-=8+1-=4。
②用化学方法推测分子中的官能团
a.加入溴的四氯化碳溶液,橙红色褪去,说明可能含有或—C≡C—。
b.加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液,无明显变化,说明不含有—NO2。
c.加入强碱水溶液并加热,有氨气放出,说明含有—CN。
③推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置
样品分子核磁共振氢谱图和核磁共振碳谱图显示该化合物分子中含有、等基团。
④确定结构简式
综上所述,该医用胶单体的结构简式为。
【典型例题】
【例3】下列化合物中在核磁共振氢谱中出现两组峰,其氢原子数之比为3∶2的是( )。
A. B.
C. D.
【答案】D
【解析】根据有机物结构简式可判断A中有2组峰,其氢原子数之比为3∶1;B中有3组峰,其氢原子数之比为3∶1∶1;C中有3组峰,其氢原子数之比为3∶1∶4;D中有2组峰,其氢原子数之比为3∶2,D项正确。
【例4】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,进行了如下实验:
(1)X的质谱图如图所示,则其相对分子质量为 。
(2)将10.0 g X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7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。X的分子式为 。
(3)经红外光谱测定,X中含有醛基;其核磁共振氢谱图上有2组峰,峰面积之比为3∶1。则X的结构简式为 。
【答案】(1)100
(2)C5H8O2
(3)(CH3)2C(CHO)2
【解析】(2)无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量,10.0 g X中氢原子的物质的量为×2=0.8 mol,KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量,10.0 g X中碳原子的物质的量为=0.5 mol,根据质量守恒,氧原子的质量为10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,则氧原子的物质的量为=0.2 mol,则该分子中碳、氢、氧元素原子个数之比为0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,结合X的相对分子质量可知,X的分子式为C5H8O2。(3)X中含有醛基,核磁共振氢谱图上有2组峰,则X分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其中一种是醛基中的氢原子,又因为峰面积之比为3∶1,则含两个醛基,故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
【随堂检测】
1.能够快速、微量、精确地测定出有机物的相对分子质量的物理方法是( )。
A.质谱法 B.红外光谱法
C.紫外光谱法 D.核磁共振氢谱法
【答案】A
【解析】测定有机物的相对分子质量的物理方法通常为质谱法。
2.下列分子中,其核磁共振氢谱中只有一组峰的物质是( )。
A.CH2ClCH2Br B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3COCH3
【答案】D
【解析】CH2ClCH2Br有2种不同化学环境的H原子,CH3COOH有2种不同化学环境的H原子,CH3COOCH3有2种不同化学环境的H原子,CH3COCH3呈左右对称结构,只有1种H原子。
3.下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是( )。
A.红外光谱 B.质谱法
C.色谱法 D.核磁共振氢谱
【答案】A
【解析】红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。
4.下列化合物中,核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1的是( )。
A. B.
C.CH3—CH2—CH3 D.
【答案】C
【解析】CH3—CH2—CH3中只有2种不同的氢原子,且数目之比为3∶1。
5.某芳香族有机化合物的分子式为C8H6O2,它的分子(除苯环外不含其他环)中不可能有( )。
A.两个羟基 B.一个醛基
C.两个醛基 D.一个羧基
【答案】D
【解析】由该有机化合物的分子式可求出其不饱和度Ω=6,分子中有一个苯环,苯环的不饱和度Ω=4,余下2个不饱和度、2个碳原子和2个氧原子。具有2个不饱和度的基团组合可能有三种情况:①两个碳原子形成1个—C≡C—、两个氧原子形成2个羟基,均分别连在苯环上;②两个碳原子形成1个羰基、1个醛基,相互连接;③两个碳原子形成2个醛基,分别连在苯环上。C8H6O2分子拆除一个苯环和一个羧基后,还余一个C,它不可能再形成1个不饱和度,故D项不可能。
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【学习目标】
1.通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器测定、探析有机物的分子组成、结构,揭示有机物结构的异同;能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。
2.从官能团的鉴别,构建不同有机物的结构模型,结合官能团的性质,推理出各类有机物的特性。
【自主预习】
一、有机化合物分子不饱和度的计算
1.不饱和度的计算公式
不饱和度=N(C)+1-。
说明:N(C)表示碳原子数,N(H)表示氢原子数。
(1)若有机化合物分子中含有卤素原子,则将其视为氢原子。
(2)若含有氧原子,则不予考虑。
(3)若含有氮原子,则用氢原子总数减去氮原子数。
2.几种官能团的不饱和度
化学键 不饱和度 化学键 不饱和度
一个碳碳双键 ① 一个碳碳三键 ②
一个羰基 ③ 一个苯环 ④
一个脂环 ⑤ 一个氰基(—CN) ⑥
3.根据分子结构计算
①Ω=双键数+三键数×2+苯环数×4+脂环数
如:Ω=1+1×2+1=4。
:Ω=4+3=7。
②立体封闭有机物(多面体等):Ω=立体面数-1。
如立方烷()的面数为6,其不饱和度Ω=6-1=5;棱晶烷()的面数为5,其不饱和度Ω=5-1=4。
二、确定有机化合物的官能团
1.化学实验方法
官能团种类 检测试剂 判断依据
碳碳双 键或碳 碳三键 溴的四氯化碳溶液或溴水
酸性KMnO4溶液
卤素原子 NaOH溶液(加热),稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成,根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠 有氢气放出
酚羟基 溶液 显紫色
有白色沉淀生成
醛基 银氨溶液(水浴加热) 有银镜生成
新制氢氧化铜悬浊液(加热) 有 沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有 放出
2.物理测试方法
(1)红外光谱
①原理:用红外光照射有机物分子时,分子中化学键或官能团可发生振动吸收,不同官能团或化学键吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。
②作用:初步判断有机物中含有的 或 。
如分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构:CH3CH2OH和CH3OCH3,利用红外光谱测定分子中有 ,可确定A的结构简式为CH3CH2OH。
(2)核磁共振氢谱
①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,在谱图上出现的位置不同,而且吸收峰的面积与 成正比。
②作用:测定有机物分子中氢原子的 。
③分析:吸收峰数目= ,吸收峰面积比= 。
如CH3CH2OH的吸收峰面积比= 。
【答案】
一、2.①1 ②2 ③1 ④4 ⑤1 ⑥2
二、1.橙红色溶液褪色 紫色溶液褪色 FeCl3
溴水(足量) 砖红色 CO2气体 2.(1)②官能团
化学键 O—H键 (2)①氢原子数目 ②类型和个数比 ③氢原子的类型 氢原子个数比 3∶2∶1
【效果检测】
1.判断正误(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,且吸收峰面积比为4∶3∶1。 ( )
(5)某有机化合物的核磁共振氢谱图如图所示,该有机化合物有4种不同化学环境的氢原子,个数比为1∶1∶1∶1。 ( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)×
2.二甲醚和乙醇能用质谱法鉴别吗 如不能,请提出可行的鉴别方法。
【答案】不能,可用红外光谱或核磁共振氢谱法鉴别。
3.已知有机物的实验式(最简式),确定其分子式时,还需要知道什么物理量
【答案】相对分子质量。
【合作探究】
任务1 有机物不饱和度的计算
【核心归纳】
确定有机化合物结构式的流程
【典型例题】
【例1】下列说法不正确的是( )。
A.有机分子中插入O原子对不饱和度没有影响
B.有机分子中去掉H原子对不饱和度没有影响
C.用CH原子团代替有机分子中的N原子对有机分子的不饱和度没有影响
D.烷烃和饱和一元醇的不饱和度都为0
【答案】B
【解析】分子的不饱和度为N(C)+1-,可知去掉H原子不饱和度增大,B项不正确;分子中含有氮原子时,在氢原子总数中减去氮原子数:不饱和度=N(C)+1-,若用CH代替N原子,则多1个C和1个H,少一个N,不饱和度不变,C项正确。
【例2】某链烃的化学式为C200H202,已知该分子中三键数与双键数之比为2∶1,则其双键数目为( )。
A.50 B.40 C.30 D.20
【答案】D
【解析】可利用链烃的不饱和度等于三键和双键的不饱和度之和来计算,设双键数目为x,则三键数目为2x,依不饱和度计算公式有200+1-=1×x+2×2x,解得x=20。
任务2 确定有机化合物的官能团
【核心归纳】
1.确定有机化合物的官能团
(1)化学实验法检验官能团
官能团种类 检测试剂 判断依据
碳碳双键或 碳碳三键 溴的四氯化碳溶液或溴水 橙红色溶液褪色
酸性KMnO4溶液 紫色溶液褪色
卤素原子 NaOH溶液(加热)、稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成,根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠 有氢气放出
酚羟基 FeCl3溶液 显紫色
溴水(足量) 有白色沉淀生成
醛基 银氨溶液(水浴) 有银镜生成
新制氢氧化铜(加热) 有砖红色沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有CO2气体放出
(2)物理测试法
①红外光谱:可以获得有机物分子中化学键或官能团的信息。
②核磁共振氢谱:处于不同化学环境中的氢原子种数等于核磁共振氢谱中的峰的个数;处于不同化学环境的氢原子的数目之比等于峰的面积之比。
例如:分子式为C2H6O的有机物的核磁共振氢谱如下
乙醇 甲醚
核磁共振氢谱
吸收峰数目 3 1
不同吸收峰面积之比 2∶1∶3 —
结构简式 CH3CH2OH CH3—O—CH3
2.医用胶单体的结构确定
(1)测定实验式
燃烧30.6 g某种医用胶样品,实验测得生成70.4 g CO2、19.8 g H2O、2.24 L N2(已换算成标准状况),确定其实验式的计算步骤如下:
①计算各元素的物质的量
n(CO2)==1.6 mol,n(C)=1.6 mol;
n(H2O)==1.1 mol,n(H)=2.2 mol;
n(N2)==0.1 mol,n(N)=0.2 mol;
n(O)==0.4 mol。
②确定实验式
实验式为C8H11NO2。
(2)确定分子式
已知:由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153。
设该化合物的分子式为(C8H11NO2)n,则n==1,则该化合物的分子式为C8H11NO2。
(3)推导结构式
①计算不饱和度
不饱和度=n(C)+1-=8+1-=4。
②用化学方法推测分子中的官能团
a.加入溴的四氯化碳溶液,橙红色褪去,说明可能含有或—C≡C—。
b.加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液,无明显变化,说明不含有—NO2。
c.加入强碱水溶液并加热,有氨气放出,说明含有—CN。
③推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置
样品分子核磁共振氢谱图和核磁共振碳谱图显示该化合物分子中含有、等基团。
④确定结构简式
综上所述,该医用胶单体的结构简式为。
【典型例题】
【例3】下列化合物中在核磁共振氢谱中出现两组峰,其氢原子数之比为3∶2的是( )。
A. B.
C. D.
【答案】D
【解析】根据有机物结构简式可判断A中有2组峰,其氢原子数之比为3∶1;B中有3组峰,其氢原子数之比为3∶1∶1;C中有3组峰,其氢原子数之比为3∶1∶4;D中有2组峰,其氢原子数之比为3∶2,D项正确。
【例4】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,进行了如下实验:
(1)X的质谱图如图所示,则其相对分子质量为 。
(2)将10.0 g X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7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。X的分子式为 。
(3)经红外光谱测定,X中含有醛基;其核磁共振氢谱图上有2组峰,峰面积之比为3∶1。则X的结构简式为 。
【答案】(1)100
(2)C5H8O2
(3)(CH3)2C(CHO)2
【解析】(2)无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量,10.0 g X中氢原子的物质的量为×2=0.8 mol,KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量,10.0 g X中碳原子的物质的量为=0.5 mol,根据质量守恒,氧原子的质量为10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,则氧原子的物质的量为=0.2 mol,则该分子中碳、氢、氧元素原子个数之比为0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,结合X的相对分子质量可知,X的分子式为C5H8O2。(3)X中含有醛基,核磁共振氢谱图上有2组峰,则X分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其中一种是醛基中的氢原子,又因为峰面积之比为3∶1,则含两个醛基,故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
【随堂检测】
1.能够快速、微量、精确地测定出有机物的相对分子质量的物理方法是( )。
A.质谱法 B.红外光谱法
C.紫外光谱法 D.核磁共振氢谱法
【答案】A
【解析】测定有机物的相对分子质量的物理方法通常为质谱法。
2.下列分子中,其核磁共振氢谱中只有一组峰的物质是( )。
A.CH2ClCH2Br B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3COCH3
【答案】D
【解析】CH2ClCH2Br有2种不同化学环境的H原子,CH3COOH有2种不同化学环境的H原子,CH3COOCH3有2种不同化学环境的H原子,CH3COCH3呈左右对称结构,只有1种H原子。
3.下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是( )。
A.红外光谱 B.质谱法
C.色谱法 D.核磁共振氢谱
【答案】A
【解析】红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。
4.下列化合物中,核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1的是( )。
A. B.
C.CH3—CH2—CH3 D.
【答案】C
【解析】CH3—CH2—CH3中只有2种不同的氢原子,且数目之比为3∶1。
5.某芳香族有机化合物的分子式为C8H6O2,它的分子(除苯环外不含其他环)中不可能有( )。
A.两个羟基 B.一个醛基
C.两个醛基 D.一个羧基
【答案】D
【解析】由该有机化合物的分子式可求出其不饱和度Ω=6,分子中有一个苯环,苯环的不饱和度Ω=4,余下2个不饱和度、2个碳原子和2个氧原子。具有2个不饱和度的基团组合可能有三种情况:①两个碳原子形成1个—C≡C—、两个氧原子形成2个羟基,均分别连在苯环上;②两个碳原子形成1个羰基、1个醛基,相互连接;③两个碳原子形成2个醛基,分别连在苯环上。C8H6O2分子拆除一个苯环和一个羧基后,还余一个C,它不可能再形成1个不饱和度,故D项不可能。
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