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第 节
有机化合物结构的测定
第 章 有机合成及其应用 合成高分子化合物
3
2
1.了解研究有机化合物的基本步骤。2.能进行确定有机化合物分子式的简单计算。3.能根据官能团的特殊性质确定官能团的存在。4.知道红外、核磁等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。
学习目标
一、有机化合物分子式的确定
二、有机化合物结构式的确定
目
录
CONTENTS
课堂达标训练
课后巩固训练
一、有机化合物分子式的确定
对点训练
1.分子式确定的流程
元素组成
2.元素组成的测定
(1)碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法。
碱液吸收
吸水剂吸收
(2)氮元素质量分数的测定。
氮气的
总体积
(4)氧元素质量分数的计算。
3.相对分子质量的测定
(1)通过实验,根据有关数据求算相对分子质量。
(2)有机物的相对分子质量一般用 进行测定。
质谱法:质谱图中质荷比最大的峰的数值就是该有机物的相对分子质量。
如某含碳、氢、氧三种元素的有机物X的质谱图如图所示,该有机物的相对分子质量为 。
质谱仪
74
4.分子式的确定方法
1.某烃充分燃烧产生22.4 L CO2(标准状况)和9 g H2O,则该烃的实验式为( )
A.CH B.CH2 C.CH3 D.CH4
A
2.完全燃烧3 g某有机物生成0.1 mol CO2和1.8 g H2O,该有机物的蒸气对H2的相对密度为30,则该有机物的分子式为( )
A.C2H4 B.C3H8O2
C.C2H6O D.C2H4O2
D
解析 有机物完全燃烧生成CO2和H2O,则该有机物中含C、H可能含有O。由该有机物的蒸气对H2的相对密度为30,可得该化合物的相对分子质量为2×30=60。3 g该有机物的物质的量为0.05 mol,碳元素的物质的量=0.1 mol,碳元素的质量=0.1 mol× 12 g/mol=1.2 g,氢元素的质量=1.8 g×=0.2 g,碳、氢元素总质量为1.2 g+0.2 g=1.4 g<3 g。所以有机物中肯定含氧元素,氧元素的质量=3 g-0.2 g-1.2 g=1.6 g,氧元素的物质的量==0.1 mol,所以该有机物分子中含碳原子的个数==2,含氢原子的个数==4,含氧原子的个数==2,该有机化合物分子式为C2H4O2。
3.有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中碳元素和氢元素的质量分数之和为52.24%,其余为氧元素。请回答:
(1)该化合物分子中含有 个氧原子。
(2)该化合物的摩尔质量是 。
(3)该化合物分子式为 。
4
134 g·mol-1
C5H10O4
解析 (1)A中氧元素的质量分数为100%-52.24%=47.76%。若A的相对分子质量为150,1个A分子中氧原子个数为=4.4775;若A的相对分子质量为110,1个A分子中氧原子个数为=3.283 5。实际1个A分子中氧原子个数介于3.283 5和4.477 5之间,即氧原子个数为4。A的相对分子质量为≈134,则A的摩尔质量为134 g·mol-1。其中C、H的相对原子质量之和为134-16×4=70,利用商余法可得:=5,可确定有机物A的分子式为C5H10O4。
二、有机化合物结构式的确定
对点训练
1.确定有机化合物结构式的流程
化学键类型
官能团
2.确定有机化合物的官能团
(1)化学实验方法
官能团种类 试剂 判断依据 备注
碳碳双键或 碳碳三键 溴的四氯化碳溶液 必须先排除醛基等的干扰
酸性KMnO4溶液
卤素原子 NaOH溶液(加热)、稀硝酸、 有沉淀产生 在加入AgNO3溶液前,必须先用稀硝酸酸化
橙红色溶液褪色
紫色溶液褪色
AgNO3溶液
官能团种类 试剂 判断依据 备注
醇羟基 钠 有氢气放出 必须排除羧基、酚羟基的干扰
酚羟基 FeCl3溶液 不同的酚所显颜色不完全相同
溴水 该法可用于酚的定量检测
醛基 银氨溶液 有 生成 水浴加热
新制氢氧化铜悬浊液 有 沉淀产生 加热
显色
有白色沉淀产生
银镜
砖红色
(2)物理方法:通过红外光谱(IR)及核磁共振谱(NMR)等方法快速准确地确定有机化合物的分子结构。
官能团种类 试剂 判断依据 备注
羧基 有CO2气体放出 —
硝基(—NO2) (NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液 溶液由浅绿色变为红棕色 —
氰基(—CN) 强碱水溶液 有氨气放出 加热
NaHCO3溶液
3.案例——医用胶单体的结构确定
(1)确定分子式
①通过测定各元素的含量确定其实验式
n(CO2)==1.6 mol,m(C)=19.2 g
n(H2O)==1.1 mol,m(H)=2.2 g
n(N2)==0.1 mol,m(N)=2.8 g
m(O)=(30.6-19.2-2.2-2.8)g=6.4 gn(O)=0.4 mol,n(C)∶n(H)∶n(N)∶n(O)=8∶11∶1∶2
所以,实验式为 。
C8H11NO2
—NO2
—CN
④确定有机物的结构简式为 。
4.为测定某有机化合物的结构,用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱图,则该有机化合物可能是( )
A
解析 由题图可知,该分子中有3种不同化学环境的氢原子。A项,乙醇分子中有3种不同化学环境的氢原子,正确;B项,连在同一个碳原子上的甲基上的氢原子相同,所以有2种不同化学环境的氢原子,错误;C项,有4种不同化学环境的氢原子,错误;D项,该分子结构对称,有2种不同化学环境的氢原子,错误。
5.有机化合物Y的分子式为C4H8O2,其红外光谱图如图所示,则该有机化合物可能的结构简式为( )
A.CH3COOCH2CH3
B.OHCCH2CH2OCH3
C.HCOOCH2CH2CH3
D.(CH3)2CHCOOH
解析 由红外光谱图可看出该分子中有不对称的—CH3,因此该分子中有2个—CH3,由图还可以看出有机化合物Y含有C=O、C—O—C结构,则Y的结构简式为CH3COOCH2CH3或CH3CH2COOCH3,A正确。
A
6.根据研究有机物的步骤和方法填空:
(1)测得A的蒸气密度是同状况下甲烷的4.375倍。则A的相对分子质量为 。
(2)将5.6 g A在足量氧气中燃烧,并将产物依次通过浓硫酸和碱石灰,分别增重
7.2 g和17.6 g。则A的实验式为 ;A的分子式为 。
(3)将A通入溴水,溴水褪色,说明A属于 , 若不褪色,则A属于 。
(4)A的核磁共振氢谱如图所示:
综上所述,A的结构简式为
。
70
CH2
C5H10
烯烃
环烷烃
课堂达标训练
1.下列关于物质研究方法的说法中错误的是( )
A.用官能团的特征反应可推测有机化合物可能的结构
B.核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和个数
C.根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团
D.质谱法可测定有机化合物的相对分子质量
B
解析 官能团是决定化合物特殊性质的原子或原子团,因此用官能团的特征反应可推测有机化合物可能的结构,故A正确;核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和它们的相对数目,不能反映出氢原子的个数,故B错误;分子中化学键或官能团对红外线发生振动吸收,不同官能团或化学键的吸收频率不同,在红外光谱图中处于不同的位置,从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息,因此红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团,故C正确;质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比大小进行分离并记录其信息的分析方法,因此质谱法可测定有机化合物的相对分子质量,故D正确。
2.现有一物质的核磁共振氢谱如图所示:
则可能是下列物质中的( )
A.CH3CH2CH3 B.CH3CH2CH2OH
C.CH3CH2CH2CH3 D.CH3CH2CHO
B
解析 由核磁共振氢谱图知,该有机物分子中含有4种不同化学环境的氢原子;A物质分子中有2种不同化学环境的氢原子,B物质分子中有4种不同化学环境的氢原子,C物质分子中有2种不同化学环境的氢原子,D物质分子中有3种不同化学环境的氢原子,故选B。
3.将0.1 mol某有机物与0.3 mol O2混合,置于密闭反应器中用电火花点火后完全反应,将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20.0 g,溶液质量减少5.8 g;剩余气体继续通过灼热的CuO,可以使CuO的质量减少1.6 g,由此可知该有机物的分子式为( )
A.C2H6O B.C3H6O
C.C3H6O2 D.C4H8O2
C
解析 将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20.0 g,为生成的CaCO3的质量,其物质的量为=0.2 mol,根据碳原子守恒知生成CO2的物质的量为0.2 mol。该有机物的燃烧产物可以使CuO还原为Cu,说明有CO产生,可以使CuO的质量减少1.6 g,则n(CO)=0.1 mol,故0.1 mol有机物含有的碳原子的物质的量为0.2 mol+0.1 mol=0.3 mol。由题意知,溶液质量减少5.8 g,故燃烧生成水的质量为20.0 g-0.2 mol×44 g·mol-1-5.8 g=5.4 g,故n(H2O)==0.3 mol,故0.1 mol有机物含有的氢原子的物质的量为0.3 mol×2=0.6 mol。n(O)=(0.2×2+0.3+0.1-0.3×2)mol=0.2 mol,则该有机物分子式为C3H6O2。
A.HOCH2CH2COOH B.HOCH2CH(OH)COOH
C.CH3OCH2COOH D.CH3CH(OH)COOH
D
课后巩固训练
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.下列说法正确的是( )
A.质谱法可以测定分子的化学键
B.红外光谱可以测定分子的相对分子质量
C.核磁共振氢谱法可以测定有机化合物分子中有几种不同化学环境的氢原子
D.质谱法可测定有机化合物分子中的官能团
C
解析 质谱图中的质荷比最大值为该物质的相对分子质量,质谱法可以测定有机化合物的相对分子质量,故A、D错误;红外光谱图常用来测定分子中含有化学键或官能团的信息,不能测定相对分子质量,故B错误;核磁共振氢谱图用来测定有机化合物分子中不同化学环境的氢原子的数目之比,故C正确。
A.5 B.6 C.7 D.8
B
3.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
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。
4.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%。那么A的实验式是( )
A.C5H12O4 B.C5H12O3 C.C4H10O4 D.C5H10O4
解析 由于A中碳元素的质量分数为44.1%,氢元素的质量分数为8.82%,故A中氧元素的质量分数为1-44.1%-8.82%=47.08%。由此可算出N(C)∶N(H)∶N(O) =≈5∶12∶4,故该有机化合物的实验式为C5H12O4,A正确。
A
5.某有机化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图上有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收峰,该有机化合物的相对分子质量是60,则该有机化合物的结构简式是( )
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH2CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2OH D.CH3CH2CHO
解析 CH3CH2OCH3分子中无O—H键,A项错误。CH3CH2CH(OH)CH3的相对分子质量是74,B项错误。CH3CH2CH2OH分子中有C—H键、O—H键、C—O键且其相对分子质量是60,C项正确。CH3CH2CHO分子中无C—O键和O—H键且其相对分子质量为58,D项错误。
C
6.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( )
C
解析 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项分子中有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∶2∶1,D项错误。
7.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
解析 由该有机化合物的分子式可求出其不饱和度为6,分子中有一个苯环,其不饱和度为4。具有2个不饱和度的基团组合可能有三种情况:①1个—C≡C—、2个羟基,均分别连在苯环上;②1个羰基、1个醛基,相互连接;③2个醛基,分别连在苯环上。C8H6O2分子除一个苯环和一个羧基,还余一个C原子,它不可能再形成1个不饱和度,故D项不可能。
D
8.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
解析 浓硫酸增加的质量为H2O的质量,碱石灰增加的质量为CO2的质量,即m(H2O)=14.4 g,m(CO2)=26.4 g,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,故此实验式也就是有机物A的分子式。
C
9.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,则有机物A的结构简式可能为( )
A.HCOOH B.CH3CHO
C.CH3CH2OH D.CH3CH2CH2COOH
C
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,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组吸收峰,则其分子中有3种处于不同化学环境的氢原子,HCOOH分子中含有2种处于不同化学环境的氢原子,CH3CH2OH分子中含有3种处于不同化学环境的氢原子,且峰面积之比为3∶2∶1,故C正确。
10.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,对其进行如下探究。
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有机化合物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的核磁共振氢谱有2组峰,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。
试填空:
(1)X的分子式为 ;X的名称为
。
(2)步骤二中的仪器分析方法称为 。
C8H10
对二甲苯
质谱法
(3)写出X与足量浓硝酸和浓硫酸混合物反应的化学方程式:
。
(4)写出X符合下列条件的同分异构体的结构简式 。
①芳香烃 ②苯环上一氯代物有三种
B级 素养培优练
11.有机化合物A分子的质谱图如图所示。现将9.0 g有机化合物A在足量O2中充分燃烧,生成的混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰,分别增重5.4 g和13.2 g,经检验剩余气体为O2。下列有关说法正确的是( )
A.从质谱图可看出,A的摩尔质量是45 g·mol-1
B.A的实验式为C2H5O
C.若A能与NaHCO3溶液反应放出气体,则它可
能的结构有2种
D.若A只含有一种官能团,则它可能的结构多于2种
D
12.核磁共振氢谱是根据分子中不同化学环境的氢原子在谱图中给出的信号峰不同来确定分子中氢原子的种类。下列有机化合物的核磁共振氢谱中给出的信号峰组数相同的是( )
A
A.①⑥ B.②⑤ C.③⑤ D.⑤⑥
解析 在确定氢原子的种类时,要考虑分子的对称性,①⑥有4种不同化学环境的氢原子,②有2种不同化学环境的氢原子,③有5种不同化学环境的氢原子,④⑤有3种不同化学环境的氢原子。
13.化合物A经李比希法测得其中含C 72.0%、H 6.67%,其余为氧,质谱法分析得知A的相对分子质量为150。现代仪器分析有机化合物的分子结构有以下两种方法:
方法一:核磁共振仪可以测定有机化合物分子里不同化学环境的氢原子及其相对数量。如乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振氢谱有3组峰,其面积之比为3∶2∶1,如图1所示。现测出A的核磁共振氢谱有5组峰,其面积之比为1∶2∶2∶2∶3。
方法二:利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团,现测得A分子的红外光谱如图2所示。
已知:A分子中只含一个苯环,且苯环上只有一个取代基。试回答下列问题:
(1)A的分子式为 。
(2)A的结构简式为
(写出一种即可)。
C9H10O2
(3)A的芳香类同分异构体有多种,请按要求写出所有符合条件的结构简式:
①分子中不含甲基的芳香酸: 。
②遇FeCl3溶液显紫色且苯环上只有两个对位取代基的芳香醛:
。 第2节 有机化合物结构的测定
学习目标 1.了解研究有机化合物的基本步骤。2.能进行确定有机化合物分子式的简单计算。3.能根据官能团的特殊性质确定官能团的存在。4.知道红外、核磁等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。
一、有机化合物分子式的确定
1.分子式确定的流程
2.元素组成的测定
(1)碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法。
(2)氮元素质量分数的测定。
(3)卤素质量分数的测定。
样品AgXX的质量分数
(4)氧元素质量分数的计算。
3.相对分子质量的测定
(1)通过实验,根据有关数据求算相对分子质量。
(2)有机物的相对分子质量一般用 进行测定。
质谱法:质谱图中质荷比最大的峰的数值就是该有机物的相对分子质量。
如某含碳、氢、氧三种元素的有机物X的质谱图如图所示,该有机物的相对分子质量为 。
4.分子式的确定方法
1.某烃充分燃烧产生22.4LCO2(标准状况)和9gH2O,则该烃的实验式为 ( )
A.CH B.CH2 C.CH3 D.CH4
2.完全燃烧3g某有机物生成0.1molCO2和1.8gH2O,该有机物的蒸气对H2的相对密度为30,则该有机物的分子式为 ( )
A.C2H4 B.C3H8O2
C.C2H6O D.C2H4O2
3.有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中碳元素和氢元素的质量分数之和为52.24%,其余为氧元素。请回答:
(1)该化合物分子中含有 个氧原子。
(2)该化合物的摩尔质量是 。
(3)该化合物分子式为 。
二、有机化合物结构式的确定
1.确定有机化合物结构式的流程
2.确定有机化合物的官能团
(1)化学实验方法
官能 团种类 试剂 判断依据 备注
碳碳双键或碳碳三键 溴的四氯化碳溶液 必须先排除醛基等的干扰
酸性KMnO4溶液
卤素 原子 NaOH溶液(加热)、稀硝酸、 有沉淀产生 在加入AgNO3溶液前,必须先用稀硝酸酸化
醇羟基 钠 有氢气放出 必须排除羧基、酚羟基的干扰
酚羟基 FeCl3溶液 不同的酚所显颜色不完全相同
溴水 该法可用于酚的定量检测
醛基 银氨溶液 有 生成 水浴加热
新制氢氧化铜悬浊液 有 沉淀产生 加热
羧基 有CO2气体放出 —
硝基 (—NO2) (NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液 溶液由浅绿色变为红棕色 —
氰基 (—CN) 强碱水溶液 有氨气放出 加热
(2)物理方法:通过红外光谱(IR)及核磁共振谱(NMR)等方法快速准确地确定有机化合物的分子结构。
3.案例——医用胶单体的结构确定
(1)确定分子式
①通过测定各元素的含量确定其实验式
n(CO2)==1.6mol,m(C)=19.2g
n(H2O)==1.1mol,m(H)=2.2g
n(N2)==0.1mol,m(N)=2.8g
m(O)=(30.6-19.2-2.2-2.8)g=6.4g
n(O)=0.4mol,
n(C)∶n(H)∶n(N)∶n(O)=8∶11∶1∶2
所以,实验式为 。
②由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0,则确定其分子式为C8H11NO2。
(2)推导结构式
①计算该样品分子的不饱和度,
N(C)+1-=4,可推测分子中是否含有苯环、碳碳双键等不饱和键。
②用化学方法推测样品分子中的官能团。
a.加入溴的四氯化碳溶液,橙红色溶液褪色,说明可能存在 或。
b.加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、H2SO4及KOH的甲醇溶液无明显变化,说明无 。
c.加入NaOH溶液并加热,有氨气放出,说明有 。
③波谱分析——据此推测样品中的官能团在碳链上的位置
a.红外光谱图:有机物中存在—CN、、、。
b.核磁共振氢谱:有机物中有5种H,且个数比为1∶1∶2∶1∶6。
c.核磁共振碳谱:该有机物中有、。
④确定有机物的结构简式为 。
4.为测定某有机化合物的结构,用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱图,则该有机化合物可能是 ( )
A.C2H5OH B.
C.CH3CH2CH2COOH D.
5.有机化合物Y的分子式为C4H8O2,其红外光谱图如图所示,则该有机化合物可能的结构简式为 ( )
A.CH3COOCH2CH3 B.OHCCH2CH2OCH3
C.HCOOCH2CH2CH3 D.(CH3)2CHCOOH
6.根据研究有机物的步骤和方法填空:
(1)测得A的蒸气密度是同状况下甲烷的4.375倍。则A的相对分子质量为 。
(2)将5.6gA在足量氧气中燃烧,并将产物依次通过浓硫酸和碱石灰,分别增重7.2g和17.6g。则A的实验式为 ;A的分子式为 。
(3)将A通入溴水,溴水褪色,说明A属于 ,若不褪色,则A属于 。
(4)A的核磁共振氢谱如图所示:
综上所述,A的结构简式为 。
1.下列关于物质研究方法的说法中错误的是 ( )
A.用官能团的特征反应可推测有机化合物可能的结构
B.核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和个数
C.根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团
D.质谱法可测定有机化合物的相对分子质量
2.现有一物质的核磁共振氢谱如图所示:
则可能是下列物质中的 ( )
A.CH3CH2CH3 B.CH3CH2CH2OH
C.CH3CH2CH2CH3 D.CH3CH2CHO
3.将0.1mol某有机物与0.3molO2混合,置于密闭反应器中用电火花点火后完全反应,将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20.0g,溶液质量减少5.8g;剩余气体继续通过灼热的CuO,可以使CuO的质量减少1.6g,由此可知该有机物的分子式为 ( )
A.C2H6O B.C3H6O
C.C3H6O2 D.C4H8O2
4.人在做剧烈运动后,有一段时间腿和胳膊会有酸胀和疼痛的感觉,原因之一是C6H12O6(葡萄糖)在运动过程中转化为C3H6O3(乳酸)。4.5g乳酸与足量的钠反应,得标准状况下1120mL气体。9g乳酸与甲醇反应,生成0.1mol乳酸甲酯和1.8g水。乳酸可被氧化为,则乳酸的结构简式是 ( )
A.HOCH2CH2COOH
B.HOCH2CH(OH)COOH
C.CH3OCH2COOH
D.CH3CH(OH)COOH
第2节 有机化合物结构的测定
一、1.元素组成 2.(1)碱液吸收 吸水剂吸收 (2)氮气的总体积
3.(2)质谱仪 74
对点训练
1.A [n(CO2)==1 mol,n(H2O)==0.5 mol,则n(C)∶n(H)=1∶1,即该烃分子的实验式为CH。]
2.D [有机物完全燃烧生成CO2和H2O,则该有机物中含C、H可能含有O。由该有机物的蒸气对H2的相对密度为30,可得该化合物的相对分子质量为2×30=60。3 g该有机物的物质的量为0.05 mol,碳元素的物质的量=0.1 mol,碳元素的质量=0.1 mol×12 g/mol=1.2 g,氢元素的质量=1.8 g×=0.2 g,碳、氢元素总质量为1.2 g+0.2 g=1.4 g<3 g。所以有机物中肯定含氧元素,氧元素的质量=3 g-0.2 g-1.2 g=1.6 g,氧元素的物质的量==0.1 mol,所以该有机物分子中含碳原子的个数==2,含氢原子的个数==4,含氧原子的个数==2,该有机化合物分子式为C2H4O2。]
3.(1)4 (2)134 g·mol-1 (3)C5H10O4
解析 (1)A中氧元素的质量分数为100%-52.24%=47.76%。若A的相对分子质量为150,1个A分子中氧原子个数为=4.4775;若A的相对分子质量为110,1个A分子中氧原子个数为=3.283 5。实际1个A分子中氧原子个数介于3.283 5和4.477 5之间,即氧原子个数为4。A的相对分子质量为≈134,则A的摩尔质量为134 g·mol-1。其中C、H的相对原子质量之和为134-16×4=70,利用商余法可得:=5,可确定有机物A的分子式为C5H10O4。
二、1.化学键类型 官能团 2.(1)橙红色溶液褪色 紫色溶液褪色 AgNO3溶液 显色 有白色沉淀产生 银镜 砖红色 NaHCO3溶液 3.(1)①C8H11NO2 (2)②a.
b.—NO2 c.—CN ④
对点训练
4.A [由题图可知,该分子中有3种不同化学环境的氢原子。A项,乙醇分子中有3种不同化学环境的氢原子,正确;B项,连在同一个碳原子上的甲基上的氢原子相同,所以有2种不同化学环境的氢原子,错误;C项,有4种不同化学环境的氢原子,错误;D项,该分子结构对称,有2种不同化学环境的氢原子,错误。]
5.A [由红外光谱图可看出该分子中有不对称的—CH3,因此该分子中有2个—CH3,由图还可以看出有机化合物Y含有CO、C—O—C结构,则Y的结构简式为CH3COOCH2CH3或CH3CH2COOCH3,A正确。]
6.(1)70 (2)CH2 C5H10 (3)烯烃 环烷烃
(4)
解析 (1)根据公式M=d·M(CH4)计算该有机物相对分子质量为16×4.375=70。(2)由A的燃烧反应知,5.6 g A含m(C)=17.6×=4.8 g,m(H)=7.2 g×=0.8 g,确定该有机物只含碳、氢两种元素,实验式为CH2。设分子式为(CH2)n,则12n+2n=70,n=5,分子式C5H10。(3)符合分子式为C5H10的有烯烃和环烷烃,若能使溴水褪色,则为烯烃,若不能,则为环烷烃。(4)该核磁共振氢谱图共有4组吸收峰,吸收峰面积之比为1∶1∶2∶6,则符合题意。
课堂达标训练
1.B [官能团是决定化合物特殊性质的原子或原子团,因此用官能团的特征反应可推测有机化合物可能的结构,故A正确;核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和它们的相对数目,不能反映出氢原子的个数,故B错误;分子中化学键或官能团对红外线发生振动吸收,不同官能团或化学键的吸收频率不同,在红外光谱图中处于不同的位置,从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息,因此红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团,故C正确;质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比大小进行分离并记录其信息的分析方法,因此质谱法可测定有机化合物的相对分子质量,故D正确。]
2.B [由核磁共振氢谱图知,该有机物分子中含有4种不同化学环境的氢原子;A物质分子中有2种不同化学环境的氢原子,B物质分子中有4种不同化学环境的氢原子,C物质分子中有2种不同化学环境的氢原子,D物质分子中有3种不同化学环境的氢原子,故选B。]
3.C [将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20.0 g,为生成的CaCO3的质量,其物质的量为=0.2 mol,根据碳原子守恒知生成CO2的物质的量为0.2 mol。该有机物的燃烧产物可以使CuO还原为Cu,说明有CO产生,可以使CuO的质量减少1.6 g,则n(CO)=0.1 mol,故0.1 mol有机物含有的碳原子的物质的量为0.2 mol+0.1 mol=0.3 mol。由题意知,溶液质量减少5.8 g,故燃烧生成水的质量为20.0 g-0.2 mol×44 g·mol-1-5.8 g=5.4 g,故n(H2O)==0.3 mol,故0.1 mol有机物含有的氢原子的物质的量为0.3 mol×2=0.6 mol。n(O)=(0.2×2+0.3+0.1-0.3×2)mol=0.2 mol,则该有机物分子式为C3H6O2。]
4.D [乳酸(C3H6O3)的相对分子质量为90。4.5 g乳酸(0.05 mol)与Na反应得到0.05 mol H2,说明1分子乳酸中有2个H原子被Na原子取代;0.1 mol乳酸与甲醇反应生成0.1 mol乳酸甲酯和0.1 mol H2O,说明乳酸分子中只有1个羧基。乳酸氧化后的物质为,则另一个官能团必定是羟基,所以乳酸的结构简式为。]第3章 作业19 有机化合物结构的测定
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意(1~9题,每小题4分)
1.下列说法正确的是 ( )
质谱法可以测定分子的化学键
红外光谱可以测定分子的相对分子质量
核磁共振氢谱法可以测定有机化合物分子中有几种不同化学环境的氢原子
质谱法可测定有机化合物分子中的官能团
2.烃分子中若含有双键、三键或环,则分子具有一定的不饱和度,有机化合物的不饱和度为 ( )
5 6
7 8
3.某有机化合物6.4g在氧气中完全燃烧,只生成8.8gCO2和7.2gH2O,下列关于该有机物的说法中错误的是 ( )
该有机物仅含碳、氢两种元素
该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4
该有机物属于醇类
该有机物相对分子质量为32
4.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%。那么A的实验式是 ( )
C5H12O4 C5H12O3
C4H10O4 C5H10O4
5.某有机化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图上有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收峰,该有机化合物的相对分子质量是60,则该有机化合物的结构简式是 ( )
CH3CH2OCH3 CH3CH2CH(OH)CH3
CH3CH2CH2OH CH3CH2CHO
6.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 ( )
CH3CHCHCH3
7.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 ( )
两个羟基 一个醛基
两个醛基 一个羧基
8.有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O,将12g该有机物完全燃烧后的产物通过足量浓硫酸,浓硫酸增重14.4g,再将剩余气体通过足量碱石灰,碱石灰增重26.4g,则该有机物的分子式是 ( )
C4H10 C2H6O
C3H8O C2H4O2
9.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,则有机物A的结构简式可能为 ( )
HCOOH CH3CHO
CH3CH2OH CH3CH2CH2COOH
10.(8分)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,对其进行如下探究。
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。2.12g有机化合物X的蒸气氧化产生7.04g二氧化碳和1.80g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的核磁共振氢谱有2组峰,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。
试填空:
(1)(2分)X的分子式为 ;X的名称为 。
(2)(2分)步骤二中的仪器分析方法称为 。
(3)(2分)写出X与足量浓硝酸和浓硫酸混合物反应的化学方程式: 。
(4)(2分)写出X符合下列条件的同分异构体的结构简式 。
①芳香烃 ②苯环上一氯代物有三种
B级 素养培优练
(11~12题,每小题4分)
11.有机化合物A分子的质谱图如图所示。现将9.0g有机化合物A在足量O2中充分燃烧,生成的混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰,分别增重5.4g和13.2g,经检验剩余气体为O2。下列有关说法正确的是 ( )
从质谱图可看出,A的摩尔质量是45g·mol-1
A的实验式为C2H5O
若A能与NaHCO3溶液反应放出气体,则它可能的结构有2种
若A只含有一种官能团,则它可能的结构多于2种
12.核磁共振氢谱是根据分子中不同化学环境的氢原子在谱图中给出的信号峰不同来确定分子中氢原子的种类。下列有机化合物的核磁共振氢谱中给出的信号峰组数相同的是 ( )
①⑥ ②⑤
③⑤ ⑤⑥
13.(8分)化合物A经李比希法测得其中含C72.0%、H6.67%,其余为氧,质谱法分析得知A的相对分子质量为150。现代仪器分析有机化合物的分子结构有以下两种方法:
方法一:核磁共振仪可以测定有机化合物分子里不同化学环境的氢原子及其相对数量。如乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振氢谱有3组峰,其面积之比为3∶2∶1,如图1所示。现测出A的核磁共振氢谱有5组峰,其面积之比为1∶2∶2∶2∶3。
方法二:利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团,现测得A分子的红外光谱如图2所示。
已知:A分子中只含一个苯环,且苯环上只有一个取代基。试回答下列问题:
(1)(2分)A的分子式为 。
(2)(2分)A的结构简式为 (写出一种即可)。
(3)(4分)A的芳香类同分异构体有多种,请按要求写出所有符合条件的结构简式:
①分子中不含甲基的芳香酸:
。
②遇FeCl3溶液显紫色且苯环上只有两个对位取代基的芳香醛:
。
作业19 有机化合物结构的测定
1.C [质谱图中的质荷比最大值为该物质的相对分子质量,质谱法可以测定有机化合物的相对分子质量,故A、D错误;红外光谱图常用来测定分子中含有化学键或官能团的信息,不能测定相对分子质量,故B错误;核磁共振氢谱图用来测定有机化合物分子中不同化学环境的氢原子的数目之比,故C正确。]
2.B [苯环可看成1个环和3个双键,根据不饱和度为双键数+三键数×2+环数,的不饱和度为3+2+1=6。]
3.A [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。]
4.A [由于A中碳元素的质量分数为44.1%,氢元素的质量分数为8.82%,故A中氧元素的质量分数为1-44.1%-8.82%=47.08%。由此可算出N(C)∶N(H)∶N(O)=≈5∶12∶4,故该有机化合物的实验式为C5H12O4,A正确。]
5.C [CH3CH2OCH3分子中无O—H键,A项错误。CH3CH2CH(OH)CH3的相对分子质量是74,B项错误。CH3CH2CH2OH分子中有C—H键、O—H键、C—O键且其相对分子质量是60,C项正确。CH3CH2CHO分子中无C—O键和O—H键且其相对分子质量为58,D项错误。]
6.C [CH3CHCHCH3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项分子中有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∶2∶1,D项错误。]
7.D [由该有机化合物的分子式可求出其不饱和度为6,分子中有一个苯环,其不饱和度为4。具有2个不饱和度的基团组合可能有三种情况:①1个—C≡C—、2个羟基,均分别连在苯环上;②1个羰基、1个醛基,相互连接;③2个醛基,分别连在苯环上。C8H6O2分子除一个苯环和一个羧基,还余一个C原子,它不可能再形成1个不饱和度,故D项不可能。]
8.C [浓硫酸增加的质量为H2O的质量,碱石灰增加的质量为CO2的质量,即m(H2O)=14.4 g,m(CO2)=26.4 g,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,故此实验式也就是有机物A的分子式。]
9.C [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,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组吸收峰,则其分子中有3种处于不同化学环境的氢原子,HCOOH分子中含有2种处于不同化学环境的氢原子,CH3CH2OH分子中含有3种处于不同化学环境的氢原子,且峰面积之比为3∶2∶1,故C正确。]
10.(1)C8H10 对二甲苯 (2)质谱法
(3)+4HNO3+4H2O
(4)、
解析 (1)烃X的物质的量n(X)==0.02 mol,反应产生的CO2的物质的量为n(CO2)==0.16 mol,反应产生的H2O的物质的量为n(H2O)==0.1 mol,则分子中N(C)==8;N(H)==10,故X的分子式为C8H10;X的红外光谱测定含有苯环,属于苯的同系物,而核磁共振氢谱有2组峰,其面积之比为2∶3,则X为,名称为对二甲苯。(2)步骤二通过仪器分析得知X的相对分子质量,该方法称为质谱法。(3)X与足量浓硝酸和浓硫酸混合物反应的化学方程式:+4HNO3+4H2O。(4)X的同分异构体符合下列条件:①芳香烃,②苯环上一氯代物有三种,符合条件的同分异构体有间二甲苯和乙苯。
11.D [浓硫酸吸水,碱石灰吸收二氧化碳,分别增重5.4 g和13.2 g,5.4 g水的物质的量为=0.3 mol,n(H)=0.6 mol,13.2 g二氧化碳的物质的量为=0.3 mol,n(C)=n(CO2)=0.3 mol,此有机化合物9.0 g含O元素质量:9.0 g-0.6 g-0.3×12 g=4.8 g,n(O)==0.3 mol,故n(C)∶n(H)∶n(O)=0.3 mol∶0.6 mol∶0.3 mol=1∶2∶1,即实验式为CH2O。设分子式为(CH2O)n,由质谱仪可知,A的相对分子质量为90,可得30n=90,解得n=3,故有机化合物A的分子式为C3H6O3。若有机化合物A能与NaHCO3溶液反应放出气体,说明分子中含有羧基,则它可能的结构有
CH3CH(OH)COOH、CH2(OH)CH2COOH、CH3OCH2COOH等,不止2种;若有机化合物A只含有一种官能团,它可能的结构有、、等,结构多于2种。]
12.A [在确定氢原子的种类时,要考虑分子的对称性,①⑥有4种不同化学环境的氢原子,②有2种不同化学环境的氢原子,③有5种不同化学环境的氢原子,④⑤有3种不同化学环境的氢原子。]
13.(1)C9H10O2
(2)(或或)
(3)①
②、
解析 (1)C、H、O的个数之比为≈9∶10∶2,根据相对分子质量为150,可求得其分子式为C9H10O2。(2)通过红外光谱图可知,A分子中除含一个苯环外,还含有、、C—O—C、C—H和C—C,所以A的结构简式为(合理即可)。(3)①A的芳香类同分异构体中不含甲基的芳香酸是;②遇FeCl3显紫色,说明含酚羟基,又因为含醛基,且只有两个取代基,所以遇FeCl3溶液显紫色且苯环上只有两个对位取代基的芳香醛是和。
