第2课时 某种医用胶的结构测定
课标定向 胸中有蓝图
1.通过实例了解有机物结构的测定,了解质谱法确定分子式的原理和方法。(证据推理与模型认知)
2.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,并能设计实验进行探究验证。(科学探究与创新意识)
一、测定实验式
燃烧30.6 g医用胶的单体样品,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)=2.2mol;
n(N2)==0.1 mol,n(N)=0.2 mol;n(O)==0.4mol。
(2)确定实验式
N(C)∶N(H)∶N(N)∶N(O)=n(C)∶n(H)∶n(N)∶n(O)=8∶11∶1∶2,则实验式为C8H11NO2。
二、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153.0。
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。
三、推导结构式
(1)计算该样品分子的不饱和度,推测分子中是否含有苯环、碳碳双键、碳碳三键或碳氧双键,Ω=N(C)+1-=8+1-=4。
(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—C≡C—。
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—NO2。
c.加入NaOH溶液并加热,有氨气放出,说明有—CN。
(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、、(酮羰基)、。
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;该有机物中有、。
(4)确定有机物的结构简式为。
[思考]
农药残留对食品的污染越来越引起人们的担忧。绿色农药——信息素的推广使用,对环保有重要意义。有一种信息素的结构简式为
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)9CHO。如何用实验方法检验上述两种官能团
提示:根据其结构简式可知,信息素中含有两种官能团,分别是碳碳双键和醛基。先利用新制氢氧化铜或者银氨溶液检验醛基,然后酸化后再加入溴水或高锰酸钾来检验碳碳双键。
【质疑辨析】
(1)只根据有机物完全燃烧生成CO2和H2O,不能确定该有机物一定为烃。 (√)
提示:含碳、氢、氧三种元素的有机物燃烧也生成CO2和H2O。
(2)由有机物的实验式和相对分子质量可以推断出有机物的分子式。 (√)
提示:根据相对分子质量对实验式的倍数可以确定分子式。
(3)有机物的核磁共振氢谱只出现2个峰且峰面积之比为3∶2。(×)
提示:核磁共振氢谱中有2个峰,峰面积之比是3∶1。
(4)有机物的不饱和度为5。 (√)
提示:根据不饱和度=n(C)+1-计算不饱和度为5。
(5)二甲醚和乙醇是同分异构体,其鉴别可采用质谱法。 (×)
提示:质谱法是用于测定相对分子质量的,二者相对分子质量相同。
探究任务:综合判定有机物分子式和结构式的方法步骤
【导学探究】
有机物A由碳、氢、氧三种元素组成。现取3 g A与4.48 L(标准状况)氧气在密闭容器中充分燃烧,生成二氧化碳、一氧化碳和水蒸气(假设反应物没有剩余)。将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰充分吸收,浓硫酸增重3.6 g,碱石灰增重4.4 g,剩余气体体积为1.12 L(标准状况)。
探究点一:测定有机物的分子式
(1)3 g A燃烧后生成的n(H2O)、n(CO2)、n(CO)分别是多少
提示:反应物没有剩余,将反应生成的气体(二氧化碳、一氧化碳和水蒸气)依次通过浓硫酸和碱石灰充分吸收,浓硫酸增重的3.6 g为水的质量,碱石灰增重的4.4 g为二氧化碳的质量,剩余气体体积为1.12 L,则该气体应为CO,说明有机物没有完全燃烧。n(H2O)==0.2 mol;n(CO2)==0.1 mol;
n(CO)==0.05 mol。
(2)通过计算A的分子式是什么
提示:3 g A中,n(H)=2n(H2O)=2×0.2 mol=0.4 mol, n(C)=n(CO2)+n(CO)=0.1 mol
+0.05 mol=0.15 mol,n(O)=2n(CO2)+n(CO)+n(H2O)-2n(O2)=2×0.1 mol+0.05 mol
+0.2 mol-2×0.2 mol=0.05 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=(0.15 mol)∶(0.4 mol)∶(0.05 mol)=3∶8∶1,所以A的最简式为C3H8O,由于达到结合H原子的最大数目,所以最简式就是该物质的分子式,即该物质的分子式为C3H8O。
探究点二:测定有机物的结构式
(3)若核磁共振氢谱显示A分子中有三种不同环境的氢原子,且峰的面积之比为3∶3∶2则A的结构简式是什么
提示:CH3CH2OCH3。
【归纳总结】
1.有机物分子式的确定步骤
2.有机物结构式的确定流程
【针对训练】
为测定某有机化合物A的结构,进行如下实验:
第一步,分子式的确定。
(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧,实验测得:生成5.4 g H2O和8.8 g CO2,消耗氧气6.72 L(标准状况下),则该有机物的实验式是________________。
(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量,得到如图①所示质谱图,则其相对分子质量为________________,该物质的分子式是________________。
第二步,结构简式的确定。
(3)根据价键理论,预测A的可能结构并写出结构简式:_____________________。
(4)经测定,有机物A的核磁共振氢谱如图②所示,则A的结构简式为_________。
【解析】(1)根据题意,n(H2O)=0.3 mol,则n(H)=0.6 mol;n(CO2)=0.2 mol,则n(C)=0.2 mol;根据氧原子守恒有n(O)=n(H2O)+2n(CO2)-2n(O2)=0.3 mol+2×0.2 mol-2×=0.1 mol,则该物质分子中各元素原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)=n(C)∶n(H)∶n(O)=2∶6∶1,该有机物的实验式为C2H6O。(2)假设该有机物的分子式为(C2H6O)m,由质谱图知其相对分子质量为46,则46m=46,即m=1,故其分子式为C2H6O。(3)由A的分子式为C2H6O可知,A为饱和有机化合物,可推测其结构为CH3CH2OH或CH3OCH3。(4)分析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,CH3OCH3只有一种化学环境的氢原子,故A的结构简式为CH3CH2OH。
答案:(1)C2H6O (2)46 C2H6O
(3)CH3CH2OH或CH3OCH3 (4)CH3CH2OH
[拓展思考]
(1)写出A在浓硫酸、170 ℃加热条件下发生消去反应的化学方程式。
提示:CH3CH2OHCH2CH2↑+H2O。
(2)写出丙烯酸和A反应的化学方程式。
提示:CH2CHCOOH+C2H5OH
CH2CHCOOC2H5+H2O。
【补偿训练】已知1 mol某有机物含碳原子n mol,在恰好完全燃烧时只生成CO2和H2O,耗氧气1.5n mol,则对该有机物的说法正确的是 ( )
①该有机物分子可能含2个氧原子
②该有机物可能使溴的四氯化碳溶液褪色
③若该有机物能与金属钠反应,则分子中的碳氢关系符合CnH2n+2
④若该有机物不能与金属钠反应,则分子中的碳氢关系一定符合CnH2n
A.①② B.②③ C.③④ D.①③
【解析】选B。依据题意可知:1 mol某有机物含C数为n mol,恰好完全燃烧只生成CO2和H2O,设化学式为CnHyOz,该有机物燃烧通式为
CnHyOz+(n+-)O2nCO2+H2O
1 n+-
1 1.5n
得:y=2n+2z;该有机物通式为CnH2n+2zOz,有机物中碳原子数与氢原子数比≤1∶4; z=0,y=2n,CnH2n,可能为烯烃或者环烷烃;z=1,y=2n+2,CnH2n+2O为饱和一元醇或者饱和一元醚;z=2,y=2n+4,CnH2n+4O2不符合碳、氢原子个数比要求。①由分析知z=2时,CnH2n+4O2不符合碳、氢原子个数比要求,错误;②当z=0时,有机物通式为CnH2n,可能为烯烃,烯烃含有不饱和键,能够使溴的四氯化碳溶液褪色,正确;③当z=1,y=2n+2,CnH2n+2O可能为饱和一元醇,能够与金属钠反应,此时,碳氢关系符合CnH2n+2,正确;④当z=0,y=2n,有机物为CnH2n,可能为烯烃或者环烷烃,二者都不能与钠反应,当z=1,y=2n+2,CnH2n+2O可能为饱和一元醇或者饱和一元醚,如果为饱和一元醚,也不能够与钠反应,错误。
【真题示例】
(2021·浙江6月选考·27)将3.00 g某有机物(仅含C、H、O元素,相对分子质量为150)样品置于燃烧器中充分燃烧,依次通过吸水剂、CO2吸收剂,燃烧产物被完全吸收。实验数据如表:
项目 吸水剂 CO2吸收剂
实验前质量/g 20.00 26.48
实验后质量/g 21.08 30.00
请回答:
(1)燃烧产物中水的物质的量为__________mol。
(2)该有机物的分子式为____________(写出计算过程)。
[解题思维]解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 ①吸水剂 ②CO2吸收剂
转化 知识点 ①吸水剂增加的是水的质量 ②CO2吸收剂增加的是CO2的质量
排除 障碍点 有机物的质量与氢元素及碳元素的质量差为氧元素的质量
【解析】(1)根据表格中的数据,吸水剂增加的质量全部为有机物完全燃烧生成水的质量,则生成水的物质的量n(H2O)===0.06 mol;
(2)n(H)=0.06 mol×2=0.12 mol,n(C)==0.08 mol,
n(O)==0.12 mol,则最简式为C2H3O3,由于相对分子质量为150,则可以得到有机物的分子式为C4H6O6。
答案: (1)0.06 (2)C4H6O6(计算过程见解析)
【对点演练】
1.某有机物A用质谱仪测定如图①所示,核磁共振氢谱示意图如图②所示,则A的结构简式可能为 ( )
A.HCOOH B.CH3CHO
C.CH3CH2OH D.CH3CH2CH2COOH
【解析】选C。根据图①可知相对分子质量是46,根据图②可知分子中含有3类氢原子,则该有机物的结构简式为CH3CH2OH。
2.有机物A常用于食品行业,已知9.0 g A在足量O2中充分燃烧,将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。
(1)A分子的质谱图如图所示,从图中可知其相对分子质量是____________,则A的分子式是________。
(2)A能与NaHCO3溶液发生反应,A一定含有的官能团名称是__________。
(3)A分子的核磁共振氢谱有4组峰,峰面积之比是1∶1∶1∶3,则A的结构简式是__________。
【解析】(1)根据图示可知其相对分子质量等于其最大质荷比,即其相对分子质量为90;9.0 g A的物质的量为0.1 mol,在足量O2中充分燃烧,气体产物依次通过足量的浓硫酸和碱石灰,增重分别为水蒸气和CO2的质量,即n(H2O)=0.3 mol,n(CO2)=0.3 mol,则该有机物中含N(H)=×2=6,N(C)==3,则N(O)==3,即有机物A的分子式为C3H6O3。(2)A能和碳酸氢钠溶液反应,说明A中一定含有的官能团为羧基。(3)A分子的核磁共振氢谱有4组峰,峰面积之比是1∶1∶1∶3,说明A中含1个—OH、1个—COOH、1个和1个—CH3,即A的结构简式为。
答案:(1)90 C3H6O3 (2)羧基
(3)
1.某有机物质量为8.80 g,完全燃烧后得到CO2 22.0 g、H2O 10.8 g,该有机物的蒸气密度是相同状况下H2密度的44倍,则该有机物的分子式为 ( )
A.C5H6O B.C5H12
C.C5H12O2 D.C5H12O
【解析】选D。该有机物的蒸气密度是相同条件下氢气密度的44倍,则该有机物的相对分子质量为2×44=88,8.80 g有机物的物质的量为=0.1 mol,22.0 g CO2的物质的量为=0.5 mol,10.8 g水的物质的量为=0.6 mol,故1个分子中C原子数目为=5,H原子数目为=12,分子中C、H的相对原子质量之和为12×5+12=72,故1个该有机物分子中还含1个氧原子,则该有机物的分子式为C5H12O,故选D。
【补偿训练】一定量的某有机物完全燃烧后,生成1 mol CO2和9 g H2O,该有机物可能是 ( )
A.C3H8 B.CH3CH2OH
C.CH3CHO D.C2H2
【解析】选D。一定量的某有机物完全燃烧后,生成1 mol CO2和9 g H2O,则N(C)∶N(H)=1 mol∶×2=1∶1,只有D符合。
2.在标准状况下,1 mol某烃完全燃烧生成89.6 L CO2,又知0.1 mol该烃能与标准状况下4.48 L H2完全加成,则该烃的结构简式是 ( )
A.CH3CH2CH2CH3
B.CH3C≡C—CH3
C.CH3CH2CH=CH2
D.CH2=CH—C≡CH
【解析】选B。由题意知,1 mol某烃完全燃烧生成4 mol CO2,即1个烃分子中含4个C原子;又因0.1 mol该烃可与0.2 mol H2完全加成,故该烃分子中应含2个或1个—C≡C—;综上所述只有B项符合题意。
3.现有化学式为C3H6O2的某有机物,其核磁共振氢谱图有三个峰,峰面积比为3∶2∶1,则该有机物的结构简式不可能是 ( )
A.CH3CH2COOH B.CH3COOCH3
C.HCOOCH2CH3 D.CH3COCH2OH
【解析】选B。选项A、C、D中均有三种不等效的氢原子,且三种氢原子数之比均为3∶2∶1,故均可能,选项B中有两种不等效的氢原子,两种氢原子数之比为1∶1,故不可能。
4.某有机物的相对分子质量为70,红外光谱表征到有和CO的存在,核磁共振氢谱如图所示(峰面积之比依次为1∶1∶1∶3),分析核磁共振谱图,回答下列问题:
(1)分子中共有________种不同化学环境的氢原子。
(2)该物质的分子式为________。
(3)该有机物的结构简式为____________________________。
【解析】该有机物的红外光谱表征到有和CO的存在,所以最简式可设为CnH2n-2O,可得12n+2n-2+16=70,所以n=4,分子式为C4H6O。根据核磁共振氢谱可知,该有机物中有4组峰,即有4种不同化学环境的氢原子。
答案:(1)4 (2)C4H6O
(3)CH3—CHCH—CHO第2课时 某种医用胶的结构测定
课标定向 胸中有蓝图
1.通过实例了解有机物结构的测定,了解质谱法确定分子式的原理和方法。(证据推理与模型认知)
2.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,并能设计实验进行探究验证。(科学探究与创新意识)
一、测定实验式
燃烧30.6 g医用胶的单体样品,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)== ,n( )= mol;n(H2O)== ,n(H)= mol;
n(N2)== ,n(N)= mol;n(O)== mol。
(2)确定实验式
N( )∶N(H)∶N(N)∶N(O)=n( )∶n(H)∶n(N)∶n(O)= ,则实验式为 。
二、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153.0。
设该化合物的分子式为(C8H11NO2)n,则n== ,则该化合物的分子式为 。
三、推导结构式
(1)计算该样品分子的不饱和度,推测分子中是否含有苯环、碳碳双键、碳碳三键或碳氧双键,Ω=N( )+1-=8+1-=4。
(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—C≡C—。
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—NO2。
c.加入NaOH溶液并加热,有氨气放出,说明有—CN。
(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、、(酮羰基)、。
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;该有机物中有、。
(4)确定有机物的结构简式为 。
[思考]
农药残留对食品的污染越来越引起人们的担忧。绿色农药——信息素的推广使用,对环保有重要意义。有一种信息素的结构简式为
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)9CHO。如何用实验方法检验上述两种官能团
【质疑辨析】
(1)只根据有机物完全燃烧生成CO2和H2O,不能确定该有机物一定为烃。 ( )
(2)由有机物的实验式和相对分子质量可以推断出有机物的分子式。 ( )
(3)有机物的核磁共振氢谱只出现2个峰且峰面积之比为3∶2。()
(4)有机物的不饱和度为5。 ( )
(5)二甲醚和乙醇是同分异构体,其鉴别可采用质谱法。 ( )
探究任务:综合判定有机物分子式和结构式的方法步骤
【导学探究】
有机物A由碳、氢、氧三种元素组成。现取3 g A与4.48 L(标准状况)氧气在密闭容器中充分燃烧,生成二氧化碳、一氧化碳和水蒸气(假设反应物没有剩余)。将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰充分吸收,浓硫酸增重3.6 g,碱石灰增重4.4 g,剩余气体体积为1.12 L(标准状况)。
探究点一:测定有机物的分子式
(1)3 g A燃烧后生成的n(H2O)、n(CO2)、n(CO)分别是多少
(2)通过计算A的分子式是什么
探究点二:测定有机物的结构式
(3)若核磁共振氢谱显示A分子中有三种不同环境的氢原子,且峰的面积之比为3∶3∶2则A的结构简式是什么
【归纳总结】
1.有机物分子式的确定步骤
2.有机物结构式的确定流程
【针对训练】
为测定某有机化合物A的结构,进行如下实验:
第一步,分子式的确定。
(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧,实验测得:生成5.4 g H2O和8.8 g CO2,消耗氧气6.72 L(标准状况下),则该有机物的实验式是________________。
(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量,得到如图①所示质谱图,则其相对分子质量为________________,该物质的分子式是________________。
第二步,结构简式的确定。
(3)根据价键理论,预测A的可能结构并写出结构简式:_____________________。
(4)经测定,有机物A的核磁共振氢谱如图②所示,则A的结构简式为_________。
[拓展思考]
(1)写出A在浓硫酸、170 ℃加热条件下发生消去反应的化学方程式。
(2)写出丙烯酸和A反应的化学方程式。
【补偿训练】已知1 mol某有机物含碳原子n mol,在恰好完全燃烧时只生成CO2和H2O,耗氧气1.5n mol,则对该有机物的说法正确的是 ( )
①该有机物分子可能含2个氧原子
②该有机物可能使溴的四氯化碳溶液褪色
③若该有机物能与金属钠反应,则分子中的碳氢关系符合CnH2n+2
④若该有机物不能与金属钠反应,则分子中的碳氢关系一定符合CnH2n
A.①② B.②③ C.③④ D.①③
【真题示例】
(2021·浙江6月选考·27)将3.00 g某有机物(仅含C、H、O元素,相对分子质量为150)样品置于燃烧器中充分燃烧,依次通过吸水剂、CO2吸收剂,燃烧产物被完全吸收。实验数据如表:
项目 吸水剂 CO2吸收剂
实验前质量/g 20.00 26.48
实验后质量/g 21.08 30.00
请回答:
(1)燃烧产物中水的物质的量为__________mol。
(2)该有机物的分子式为____________(写出计算过程)。
[解题思维]解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 ①吸水剂 ②CO2吸收剂
转化 知识点 ①吸水剂增加的是水的质量 ②CO2吸收剂增加的是CO2的质量
排除 障碍点 有机物的质量与氢元素及碳元素的质量差为氧元素的质量
【对点演练】
1.某有机物A用质谱仪测定如图①所示,核磁共振氢谱示意图如图②所示,则A的结构简式可能为 ( )
A.HCOOH B.CH3CHO
C.CH3CH2OH D.CH3CH2CH2COOH
2.有机物A常用于食品行业,已知9.0 g A在足量O2中充分燃烧,将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。
(1)A分子的质谱图如图所示,从图中可知其相对分子质量是____________,则A的分子式是________。
(2)A能与NaHCO3溶液发生反应,A一定含有的官能团名称是__________。
(3)A分子的核磁共振氢谱有4组峰,峰面积之比是1∶1∶1∶3,则A的结构简式是__________。
1.某有机物质量为8.80 g,完全燃烧后得到CO2 22.0 g、H2O 10.8 g,该有机物的蒸气密度是相同状况下H2密度的44倍,则该有机物的分子式为 ( )
A.C5H6O B.C5H12
C.C5H12O2 D.C5H12O
【补偿训练】一定量的某有机物完全燃烧后,生成1 mol CO2和9 g H2O,该有机物可能是 ( )
A.C3H8 B.CH3CH2OH
C.CH3CHO D.C2H2
2.在标准状况下,1 mol某烃完全燃烧生成89.6 L CO2,又知0.1 mol该烃能与标准状况下4.48 L H2完全加成,则该烃的结构简式是 ( )
A.CH3CH2CH2CH3
B.CH3C≡C—CH3
C.CH3CH2CH=CH2
D.CH2=CH—C≡CH
3.现有化学式为C3H6O2的某有机物,其核磁共振氢谱图有三个峰,峰面积比为3∶2∶1,则该有机物的结构简式不可能是 ( )
A.CH3CH2COOH B.CH3COOCH3
C.HCOOCH2CH3 D.CH3COCH2OH
4.某有机物的相对分子质量为70,红外光谱表征到有和CO的存在,核磁共振氢谱如图所示(峰面积之比依次为1∶1∶1∶3),分析核磁共振谱图,回答下列问题:
(1)分子中共有________种不同化学环境的氢原子。
(2)该物质的分子式为________。
(3)该有机物的结构简式为____________________________。
