1.2第2课时 确定有机化合物元素组成及分子结构的方法
【学习目标】
1.了解质谱法确定分子式的原理与方法,培养“证据推理”的核心素养。
2.知道红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器分析方法在有机物分子结构测定中的应用,培养“科学态度与社会责任”的核心素养。
【自主预习】
一、确定分子式
1.元素分析
(1)定性分析:确定有机物分子的元素组成。
用化学方法鉴定有机物分子的元素组成。如燃烧后,一般C生成 ,H生成 ,N生成 ,S生成 ,Cl生成HCl。
(2)定量分析法(李比希法)
2.相对分子质量的测定——质谱法
(1)原理图示:
(2)质荷比:指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。质谱图中,质荷比的 就表示了样品分子的相对分子质量。
例如,由图可知,样品分子的相对分子质量为 。
(3)质谱法的优点:快速、微量、精确。
二、确定分子结构
1.红外光谱
(1)作用:初步判断某有机物中含有何种 。
(2)原理:不同的化学键或官能团吸收频率不同,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,可推知该分子的结构简式为 。
红外光谱仪的结构与工作原理如下图所示:
2.核磁共振氢谱
(1)作用:测定有机物分子中氢原子的种类和数目。
(2)原理:处在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。
简易核磁共振氢谱仪的结构如图:
(3)分析:吸收峰数目= ,吸收峰面积之比= 。
例如,C2H5—OH的核磁共振氢谱有 组峰,面积之比为 。而CH3OCH3的核磁共振氢谱有 组峰。
3.X射线衍射
当一束单色X射线入射到晶体时,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成的,这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉,在某些特殊方向上产生强X射线衍射,衍射线在空间分布的方位和强度与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。
【答案】
一、1.(1)CO2 H2O N2 SO2
2.(2)最大值 46
二、1.(1)化学键或官能团 (2)C2H5—OH
2.(2)氢原子数 (3)氢原子种类 氢原子数之比 3 1∶2∶3 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,且吸收峰面积之比为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.如何读谱以确定有机物的相对分子质量
【答案】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。
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。
4.确定有机物分子结构式的方法有哪些
【答案】红外光谱、核磁共振氢谱等物理方法,实验法(化学方法)。
【合作探究】
任务1 有机物分子式的确定
情境导入 某公司生产的元素分析仪可在研究工作和常规测量中对不同形式的样品和含量范围非常宽的各种化合物进行C、H、N、S、O元素的分别或同时定量测定。被广泛应用于化学、化工、制药、农业、环保、能源、材料等不同领域的研究分析。
问题生成
1.常用于有机物分子式、结构式分析的仪器有哪几种
【答案】质谱仪、核磁共振氢谱仪、红外光谱仪、X射线衍射仪等。
2.如何求算有机物相对分子质量
【答案】(1)标态密度法:根据标准状况下气体的密度,求算该气体的相对分子质量:Mr=22.4×ρ。
(2)相对密度法:根据气体A相对于气体B的相对密度D,求算该气体的相对分子质量:MA=D×MB。
(3)混合物的平均相对分子质量:=。
(4)读图法:质谱图中,质荷比最大值即为该有机物的相对分子质量。
3.确定有机物分子式的步骤
【答案】有机化合物的密度(或相对密度)→摩尔质量→1 mol 有机化合物中各原子的物质的量→分子式。
【核心归纳】
有机物分子式的确定
1.有机物组成元素的推断
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C、H或C、H、O。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。
2.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)。
【典型例题】
【例1】燃烧0.1 mol某有机物得0.2 mol CO2和0.3 mol H2O,由此得出的结论不正确的是( )。
A.该有机物分子的结构简式为CH3—CH3
B.该有机物中碳、氢原子数目之比为1∶3
C.该有机物分子中不可能含有
D.该有机物分子中可能含有氧原子
【答案】A
【解析】A项,根据元素守恒和原子守恒,推出0.1 mol 有机物中含有0.2 mol C原子和0.6 mol H原子,即1 mol该有机物中有2 mol C原子和6 mol H原子,因为题中无法确认有机物的质量或相对分子质量,因此无法确认有机物中是否含氧元素,即无法确定有机物的结构简式,错误;B项,根据A项分析,该有机物中碳、氢原子数目之比为2∶6=1∶3,正确;C项,1 mol该有机物中含有2 mol C和6 mol H,该有机物的分子式为C2H6Ox,不饱和度为0,即不含碳碳双键,正确;D项,根据A项分析,该有机物中可能存在氧元素,也可能不存在氧元素,正确。
【例2】某有机物的结构确定。
(1)测定实验式:某含C、H、O三种元素的有机物,经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%,氢的质量分数是13.51%,则其实验式是 。
(2)确定分子式:该有机物的质谱图如图所示,则其相对分子质量为 ,分子式为 。
【答案】(1)C4H10O (2)74 C4H10O
【解析】(1)该物质中碳、氢、氧原子个数之比为∶∶≈4∶10∶1,其实验式为C4H10O。
由质谱图知其相对分子质量为74,而其实验式的相对分子质量为12×4+1×10+16=74,故其分子式为C4H10O。
任务2 有机物分子结构的确定
情境导入 2022年2月1日凌晨,我国空间站的三位宇航员通过央视春晚给全国人民拜年,标志着我国的太空探索进入了一个崭新的阶段,在未来的太空探索中,一项重要的任务就是要对太空环境进行分析,通过对物质采样分析,了解该星球是否有生命痕迹,是否适合生物生存。
问题生成
1.有机物的性质是由什么决定的
【答案】有机物的结构决定性质,官能团是决定有机物性质的主要因素。
2.如何确定有机物官能团种类
【答案】可通过红外光谱图确定有机化合物分子中含有的官能团、化学键等。
3.用质谱仪测定有机物A的相对分子质量,得到如图①所示质谱图。其核磁共振氢谱如图②所示。该分子的相对分子质量是多少 该物质的结构简式是什么
【答案】由质谱图知其相对分子质量为46,观察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,A的结构简式为CH3CH2OH。
4.谱图法在确定有机物分子结构中有哪些应用
【答案】(1)核磁共振氢谱图中,峰的个数即氢原子的种类数,而峰面积之比为各类氢原子个数之比。
(2)可根据红外光谱图推知有机物分子中含有哪些化学键、官能团,从而确定有机物的结构。
(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。
【核心归纳】
不同方法确定有机物的分子结构
【典型例题】
【例3】相对分子质量不超过100的有机物A既能与金属钠反应产生无色气体,又能与碳酸钠反应产生无色气体,还可以使溴的四氯化碳溶液褪色。A完全燃烧只生成CO2和H2O。经分析,A中含氧元素的质量分数为37.21%。
(1)A可能的结构简式: 。
(2)经核磁共振检测发现A的图谱如图所示:
试写出A与甲醇反应生成有机物B的化学方程式: 。
(3)B的同分异构体有多种,请写出三种和B同类别的同分异构体的结构简式: 。
【答案】(1)、、
(2)+CH3OH+H2O
(3)、、(或其他合理答案)
【解析】A能与Na2CO3反应产生CO2,则A分子中含有—COOH。若A中含有一个—COOH,则其相对分子质量为≈86<100,符合题意。除羧基外,A分子的残基式量为86-45=41,即残基的化学式为C3H5,所以A的分子式为C4H6O2。A还可以使溴的四氯化碳溶液褪色,结合残基的化学式可知A中还有一个碳碳双键,属于不饱和羧酸的可能同分异构体有三种。有机物A的核磁共振图谱说明A中有三种化学环境不同的氢原子,符合条件的A为。与CH3OH发生酯化反应生成的B为,和B同类别的有机物属于含碳碳双键的不饱和酯。
【随堂检测】
1.二甲醚和乙醇是同分异构体,其鉴别可采用化学方法和物理方法,下列方法中不能对二者进行鉴别的是( )。
A.利用金属钠 B.利用质谱法
C.利用红外光谱法 D.利用核磁共振氢谱
【答案】B
【解析】乙醇遇钠产生氢气,而二甲醚无明显现象,A项可鉴别;利用红外光谱法可确定化学键或官能团,C项可鉴别;利用核磁共振氢谱可以推知分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目,D项可鉴别;利用质谱法只能确定有机物的相对分子质量,而二甲醚和乙醇的相对分子质量相同,B项不能鉴别。
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.某气态有机物X含C、H、O三种元素。现欲确定X的分子式,下列条件中所需的最少条件是( )。
①X中碳的质量分数 ②X中氢的质量分数 ③X在标准状况下的体积 ④质谱法确定X的相对分子质量 ⑤X的质量
A.①② B.①②④
C.①②⑤ D.③④⑤
【答案】B
【解析】由①②可得有机物的实验式,由①②④可知有机物的分子式,③⑤可算出相对分子质量,与④等效,最少条件为①②④。
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。
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