第二课时 有机化合物组成、结构和有机化学反应的研究
学习目标 1.能结合实例说明有机物分子结构测定常用的仪器分析方法。2.能运用现代分析技术对简单有机物的结构进行分析和表征。3.能列举有机化学反应历程研究的方法和意义。
一、有机化合物组成的研究
1.最简式
又称为实验式,指有机化合物中所含各元素原子个数的 。
2.确定有机化合物元素组成的方法
(1)李比希燃烧法:用氧化铜氧化有机物,各元素对应的产物为C→ ,H→ 。
(2)钠熔法:可定性地检测有机物中是否含有 、 、 、硫等元素。
(3)铜丝燃烧法:定性确定有机物中是否存在 。
(4)元素分析仪
①作用:确定有机化合物的组成。
②工作原理:使有机化合物充分燃烧,再对 进行自动分析。
③元素分析仪特点:自动化程度高,所需样品量 ,分析速度快,能同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析,分析试样可以是液态或固态物质。
我们已经知道,甲烷燃烧后烧杯内壁有水雾出现,证明甲烷中一定含有氢元素;将烧杯正放向其中滴加澄清石灰水,出现浑浊,证明甲烷中一定含有碳元素。
甲烷燃烧产物的检验
【问题讨论】
1.一种有机物燃烧后的产物只有CO2和H2O,该有机物所含元素只有碳元素和氢元素吗 如何判断是否含有氧元素
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.6.4 g某有机化合物,完全燃烧测得生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,无其他物质生成。你能确定该有机化合物中是否含有氧元素吗
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.某烃在空气中完全燃烧生成CO2和H2O的物质的量相等,你能确定该烃的最简式吗
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【探究归纳】
1.确定有机物分子式的思路
实验式(最简式)与分子式的关系:分子式=(最简式)n。
2.实验式的测定流程(李比希法)
3.有机物相对分子质量的计算方法
(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。
4.方程式法确定有机物的分子式
利用有机物燃烧通式及消耗O2的量或生成物的量通过计算确定有机物分子式。
常用方程式为
1.下列叙述正确的是 ( )
A.某有机物燃烧后产物只有CO2和H2O,可推出的结论是有机物属于烃
B.某有机物燃烧后产物只有CO2和H2O,可推出的结论是有机物属于烃的含氧衍生物
C.某有机物燃烧后产物只有CO2和H2O,通过测定有机物、CO2和H2O的质量,可确定有机物是否含有氧
D.甲烷在同系物中含碳量最高,因而是清洁能源
2.有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O,将12 g该有机物完全燃烧的产物通过足量浓硫酸,浓硫酸增重14.4 g,再通过足量碱石灰,碱石灰增重26.4 g,该有机物的分子式是 ( )
A.C4H10 B.C3H8O C.C2H6O D.C2H4O2
3.将0.1 mol某有机物与0.3 mol O2混合,于密闭反应器中用电火花点火,将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20 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
二、有机化合物结构的研究
1.基团理论
(1)在有机化合物分子中,原子主要通过 结合在一起。原子之间 或 的不同导致了所形成物质在性质上的差异。
(2)写出以下常见的基团名称:—OH 、—CHO 、—COOH 、—NH2 、—R 烃基等。
2.研究有机物结构的物理方法
(1)经常采用的分析方法是 和 等方法。
(2)①在核磁共振分析中,最常见的是对有机化合物中的 进行分析,有机化合物分子中的氢原子核所处的 不同,表现出的核磁性就不同,代表 在核磁共振谱图中横坐标位置也就不同。
②实例
如乙醇和二甲醚的1H核磁共振谱图分析
物质 乙醇 二甲醚
1H核 磁共振 谱图
物质 乙醇 二甲醚
结论 氢原子类型有 种,不同氢原子的个数之比为 氢原子类型有 种
结构式
(3)红外光谱是利用有机化合物分子中不同 的特征吸收频率不同,测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况,初步判断该有机化合物中具有哪些 。
(4)测定有机物结构的现代分析方法,还有 和 等。质谱法中,最大质荷比即为该有机物的相对分子质量。
3.有机化合物分子的不饱和度
(1)不饱和度的计算公式
分子的不饱和度(Ω)=n(C)+1-;
其中:n(C)为碳原子数,n(H)为氢原子数。在计算不饱和度时,若有机化合物分子中含有卤素原子,可将其视为氢原子;若含有氧、硫原子,则不予考虑;若含有氮、磷原子,就在氢原子总数中减去氮、磷原子数。如分子式为C6H5NO2的分子的不饱和度为5。
(2)几种常见官能团的不饱和度
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 1 一个苯环 4
一个脂环 1 一个氰基 2
1.下列有机物的1H核磁共振谱有6组峰的是 ( )
A. B.
C. D.
2.(2024·江苏无锡高级中学高二期中)某有机化合物只含C、H、O三种元素,取4.6 g该有机化合物完全燃烧,测得只生成0.2 mol CO2和5.4 g水,其质谱图和核磁共振氢谱如下图所示,该有机化合物是 ( )
A.CH3CHO B.CH3CH2OH
C.CH3OCH3 D.CH3OCH2CH3
3.有机化合物A的相对分子质量为136,分子式为C8H8O2。A分子中只含有1个苯环且苯环上只有1个取代基,其红外光谱如图甲所示,1H核磁共振谱如图乙所示。下列关于有机化合物A的说法不正确的是 ( )
A.有机化合物A属于酯类化合物
B.有机化合物A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应
C.符合题意的有机物只有1种
D.A的同分异构体中含有苯环和羧基的化合物只有1种
4.烃分子中若含有双键、三键或环,其碳原子所结合的氢原子则少于同碳原子数对应烷烃所含的氢原子数,具有一定的不饱和度(用Ω表示)。下表列出几种烃的不饱和度:
有机化合物 乙烯 乙炔 环己烷 苯
Ω 1 2 1 4
下列说法不正确的是 ( )
A.1 mol Ω=3的不饱和链烃再结合6 mol H即达到饱和
B.的Ω等于6
C.CH3CH2CH==CH2与环丁烷的不饱和度相同
D.C4H8的不饱和度与C3H6、C2H4的不饱和度相同
【题后归纳】 确定有机物结构式的方法
(1)根据1H核磁共振谱图,分析氢的种类和数目。
(2)根据红外光谱图,分析有机物所含的化学键或官能团。
(3)根据有机物性质推断官能团:有机化合物的官能团都具有特征化学性质,故可以通过化学反应对其进行鉴别和确定,从而推断官能团,区分开同分异构体。因此要熟记常见官能团的特征性质。
(4)直接推出:C2H6、C3H8、CH4O等不具有同分异构体的可直接推出。
三、有机化学反应的研究
1.反应机理
(1)含义:反应机理又称反应历程,指 转变为 所经历的过程。
(2)作用:有机化学的反应机理揭示了反应中化学键因基团相互作用而发生断裂形成 。
(3)甲烷与氯气反应的机理(自由基链式反应)
Cl2Cl·+Cl·
CH4+Cl·—→CH3·+HCl
CH3·+Cl2—→CH3Cl+Cl·
Cl·+CH3Cl—→ClCH2·+HCl
2.反应机理研究的常用方法
(1)同位素示踪法
将反应物中某元素的原子替换为该元素的同位素原子,反应后再检验该同位素原子所在的生成物,从而确定化学反应机理的一种方法。如乙酸乙酯水解反应的机理:
将乙酸乙酯与O混合后加入硫酸作催化剂,在加热条件下,反应一段时间后检测到存在18O的物质有两种:一种是 O,另一种是
,即+O+
CH3—CH2—OH,可以判断酯水解时断裂的是上的C—O键,在的碳原子上加上羟基,在氧原子上加上氢。明确了酯水解的反应机理,反过来也认识到了酯化反应的反应机理,即酸脱羟基醇脱氢。
(2)仪器法
如乙烯与溴化氢之间发生加成反应,利用质谱仪可以检测出该反应过程中产生的中间体——乙基碳正离子(CH3H2),据此可推出该反应为 型反应。
此反应的反应机理可表示如下:
HBr—→ +Br-
CH2==CH2+ —→CH3H2
CH3H2+ —→CH3CH2Br
1.已知CH4与Cl2反应的产物中除CH3Cl外,还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4。下列关于生成CH2Cl2的过程中,可能出现的是 ( )
A.2Cl·+CH4—→2HCl+·CH2
B.·CH2Cl+Cl2—→CH2Cl2+Cl·
C.·CH2Cl+Cl—→CH2Cl2
D.CH3Cl+HClCH2Cl2+H2
2.已知在水溶液中存在平衡:,当与CH3CH2OH发生酯化反应时,不可能生成的是 ( )
A. B.
C.H2O D.O
【题后归纳】
(1)有机化学反应研究的内容
首先研究已知有机物的结构、性质、用途等方面,进而研究能与哪些物质反应,经历了哪些具体反应过程,需要什么样的反应条件,受到哪些内外因素的影响等。
(2)有机化学反应研究的目的
利用已知有机物和已有条件合成我们想要的新的有机物。
1.科学技术在物质结构的研究中具有非常重要的作用。下列说法错误的是 ( )
A.质谱仪可以测定分子的相对分子质量
B.用李比希元素分析仪可以确定有机物的分子式
C.可通过红外光谱分析物质中含有何种化学键
D.X射线衍射技术可用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定
2.某有机物的蒸气对氢气的相对密度为39。该烃中各元素的质量分数为C:92.3%,H:7.7%,则该有机物的分子式为 ( )
A.C2H2 B.C2H4 C. C6H6 D.C3H6
3.对下列化合物中氢原子化学环境种数判断不正确的是 ( )
A.:2种
B.:5种
C.:3种
D.:4种
4.设H+的质荷比为β,某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷,信号强度与该离子的多少有关),则该有机物可能是 ( )
A.甲醇(CH3OH) B.甲烷
C.丙烷 D.乙烯
5.完成下列问题。
(1)研究有机物的方法有很多,常用的有①1H核磁共振谱 ②蒸馏 ③重结晶 ④萃取 ⑤红外光谱 ⑥过滤,其中用于分子结构确定的有 (填数字序号)。
(2)下列物质中,其1H核磁共振谱中只有一个吸收峰的是 (填字母序号)。
A.CH3CH3 B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3OCH3
(3)某含碳、氢、氧三种元素的有机物甲,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%,则甲的实验式(最简式)是 。
①如图是该有机物甲的质谱图,则其相对分子质量为 ,分子式为 。
②确定甲的官能团:通过实验可知甲中一定含有羟基,写出羟基的符号 ;甲可能的结构有 种。
③确定甲的结构简式:
a.经测定有机物甲的1H核磁共振谱如图所示,则甲的结构简式为 。
b.若甲的红外光谱如图所示,则该有机物的结构简式为 。
第二课时 有机化合物组成、结构和有机化学反应的研究
一、
1.最简整数比 2.(1)CO2 H2O (2)氮 氯 溴 (3)卤素 (4)②燃烧产物 ③少
问题讨论
1.不一定,若产物只有CO2和H2O,其组成元素肯定有C、H元素,可能有O元素。
判断该有机物中是否含氧元素的方法如下:设有机物燃烧后CO2中碳元素的质量为m(C),H2O中氢元素质量为m(H)。若m(有机物)>m(C)+m(H),则有机物中含有氧元素;若m(有机物)=m(C)+m(H),若有机物中不含氧元素。
2.8.8 g CO2中碳元素的质量为×12 g·mol-1=2.4 g,7.2 g H2O中氢元素的质量为×2 g·mol-1=0.8 g。因6.4 g>(2.4 g+0.8 g),故该有机物中一定含有氧元素。
3.该烃中C、H的原子个数比为1∶2,即最简式为CH2。
对点训练
1.C [烃的含氧衍生物完全燃烧产物也只有二氧化碳和水,故该有机物不一定为烃类,A错误;烃类物质完全燃烧产物也只有二氧化碳和水,故该有机物可能为烃类,不一定为烃的含氧衍生物,B错误;有机物完全燃烧生成二氧化碳和水,说明有机物中一定含有C、H两种元素,C、H元素的质量可以根据质量守恒确定,再根据有机物的质量减去C和H的元素质量确定是否有氧元素,C正确;链状烷烃(CnH2n+2)是含氢量最高的有机物,甲烷(CH4)是含氢量最高的烷烃,故甲烷的含碳量最低,D错误。]
2.B [浓硫酸增重14.4 g,即水的质量为14.4 g,则n(H2O)==0.8 mol,n(H)=1.6 mol,m(H)=1 g/mol×1.6 mol=1.6 g。碱石灰增重26.4 g,即二氧化碳的质量为26.4 g,则n(CO2)==0.6 mol,则n(C)=0.6mol,m(C)=12 g/mol×0.6 mol=7.2 g,m(C)+m(H)=8.8 g<12 g,则该有机物中一定含有氧元素,12 g有机物中含有的氧元素的质量为12 g-8.8 g=3.2 g,n(O)==0.2 mol,则n(C)∶n(H)∶n(O)=0.6 mol∶1.6 mol∶0.2 mol=3∶8∶1,即该有机物的实验式为C3H8O,由于C3H8O中碳原子已经饱和,所以该有机物的分子式为C3H8O,B项正确。]
3.C [将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20 g,为生成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减少1.6 g,则n(CO)=0.1 mol,故0.1 mol有机物含有C原子为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 g-0.2 mol×44 g/mol-5.8 g=5.4 g,则n(H2O)==0.3 mol,故0.1 mol有机物含有H原子为0.3 mol×2=0.6 mol。故n(有机物)∶n(C)∶n(H)∶n(O)=0.1 mol∶0.3 mol∶0.6 mol∶(0.2×2+0.3+0.1-0.3×2)mol=1∶3∶6∶2,故该有机物分子式为C3H6O2。]
二、
1.(1)共价键 结合方式 连接顺序 (2)羟基 醛基 羧基 氨基 2.(1)核磁共振波谱 红外光谱 (2)①1H核磁共振谱 化学环境 核磁性特征的峰 ②3 2∶1∶3 1 (3)基团 基团 (4)质谱法 紫外光谱法
对点训练
1.A [该分子结构不对称,含6种不同化学环境的H,1H核磁共振谱中有6组峰,峰面积比为1∶1∶1∶1∶1∶3,A正确;该分子中含4种不同化学环境的H,1H核磁共振谱中有4组峰,峰面积比为1∶1∶1∶3,B错误;该分子中含4种不同化学环境的H,1H核磁共振谱中有4组峰,峰面积比为1∶2∶2∶3,C错误;苯中的六个氢原子是完全相同的,1H核磁共振谱中有1组峰,D错误。]
2.B [将4.6 g该有机物完全燃烧,生成了0.2 mol CO2和5.4 g H2O,n(H2O)=5.4 g÷18 g·mol-1=0.3 mol,n(H)=0.6 mol,m(H)=0.6 mol×1 g·mol-1=0.6 g,则m(C)+m(H)=0.2×12 g+0.6 g=3 g<4.6 g,故有机物含有O元素,且m(O)=4.6 g-3 g=1.6 g,故n(O)=1.6 g÷16 g·mol-1=0.1 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=0.2 mol∶0.6 mol∶0.1 mol=2∶6∶1,即该有机物实验式为C2H6O,由质谱图中质荷比的最大值46可知,相对分子质量为46,又C2H6O中H原子已经饱和C原子的四价结构,最简式即为分子式,由核磁共振氢谱可知,该有机物分子中有3种化学环境不同的H原子,三种H原子数目之比为1∶2∶3,有机物的分子式为C2H6O,结构式为CH3CH2OH。]
3.D [A分子中只含有1个苯环且苯环上只有1个取代基,则取代基中含2个C原子、3个H原子和2个O原子,根据1H核磁共振谱图可知,有机化合物A分子中含有4种不同化学环境的氢原子,又苯环上有3种不同化学环境的氢原子,故取代基中的氢原子只有1种,再根据红外光谱图可判断,A的结构简式是,属于酯类化合物,在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应,A、B、C项正确;符合题意的A的同分异构体为、、、,D项错误。]
4.B [增加1个不饱和度要减少2个氢原子,所以1 mol Ω=3的不饱和链烃再结合6 mol H可达到饱和,A正确;中含有1个苯环、1个碳碳三键和1个脂环,其不饱和度Ω=4+2+1=7,B错误;碳碳双键的不饱和度是1,脂环的不饱和度也是1,故CH3CH2CH===CH2与环丁烷的不饱和度相同,C正确;每增加1个不饱和度要减少2个氢原子,C4H8的不饱和度与C3H6、C2H4的不饱和度相同,D正确。]
三、
1.(1)反应物 生成物 (2)新化学键
2.(2)离子 H+ H+ Br-
对点训练
1.B [CH4与Cl2反应为自由基反应,生成CH2Cl2的反应机理包括三个阶段:链引发阶段:Cl2Cl·+Cl·;链传递阶段:Cl·+CH3Cl·CH2Cl+HCl,Cl2+·CH2ClCH2Cl2+Cl·,Cl·+Cl·Cl2,Cl·+·CH2ClCH2Cl2。]
2.B [溶液中存在和,在与CH3CH2OH进行酯化反应时,根据酯化反应机理羧酸脱羟基、醇脱氢可知,B不可能生成。]
课堂达标训练
1.B [质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法,故A正确;李比希分析仪可以测定有机化合物中碳、氢元素的质量分数,故B错误;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位置,从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团,故C正确;X射线衍射技术可用于有机化合物,特别是复杂的生物大分子晶体结构的测定,故D正确。]
2.C [M(有机物)=39×2 g·mol-1=78 g·mol-1,有机物分子中N(C)∶N(H)=∶=1∶1,最简式为CH,结合相对分子质量可推出分子式为C6H6。]
3.A [A有两条对称轴,,氢原子化学环境种数为3种,A项错误;B有一条对称轴,,氢原子化学环境种数为5种,B项正确;C中氢原子化学环境种数为3种,,C项正确;D中氢原子化学环境种数为4种,,D项正确。]
4.B [从题图中可看出其右边最高质荷比为16,即其相对分子质量为16,为甲烷。]
5.(1)①⑤ (2)AD (3)C4H10O ①74 C4H10O ②—OH 4 ③C(CH3)3OH CH3CH2OCH2CH3
解析 (1)在上述各种研究方法中,蒸馏、重结晶、萃取、过滤是有机物分离或提纯的方法,1H核磁共振谱、红外光谱常用于分子结构确定;(2)其1H核磁共振谱中只有一个吸收峰,说明有机物分子中只有一类氢原子,CH3CH3分子中只有一类氢原子,A正确;CH3COOH分子中含有两类氢原子,B错误;CH3COOCH3分子中含有两类氢原子,C错误;CH3OCH3分子中只有一类氢原子,D正确;(3)碳的质量分数是64.86%,氢的质量分数是13.51%,因此氧元素质量分数是21.63%,则该物质中碳、氢、氧原子个数之比为∶∶=4∶10∶1,所以其实验式为C4H10O;①根据质谱图知,其相对分子质量是74,结合其实验式知其分子式为C4H10O;②由分子式C4H10O可知,碳已被氢饱和,通过实验知甲中含有羟基,为一元饱和醇。则C4H10O可能结构有4种,结构简式为HOCH2CH2CH2CH3、
CH3CH(OH)CH2CH3、(CH3)2CHCH2OH、C(CH3)3OH。③甲的1H核磁共振谱图中出现2组峰,说明该结构中有2种氢原子,则结构简式为C(CH3)3OH;甲的红外光谱中含有对称—CH3,对称—CH2—和C—O—C结构,故有机物的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。(共80张PPT)
第二单元 科学家怎样研究有机物
第二课时 有机化合物组成、结构和有机化学反应的研究
专题1
有机化学的发展及研究思路
1.能结合实例说明有机物分子结构测定常用的仪器分析方法。
2.能运用现代分析技术对简单有机物的结构进行分析和表征。
3.能列举有机化学反应历程研究的方法和意义。
学习目标
一、有机化合物组成的研究
二、有机化合物结构的研究
目
录
CONTENTS
课堂达标训练
课后巩固训练
三、有机化学反应的研究
一、有机化合物组成的研究
对点训练
1.最简式
又称为实验式,指有机化合物中所含各元素原子个数的____________。
最简整数比
2.确定有机化合物元素组成的方法
(1)李比希燃烧法:用氧化铜氧化有机物,各元素对应的产物为C→____, H→____。
(2)钠熔法:可定性地检测有机物中是否含有____、____、____、硫等元素。
(3)铜丝燃烧法:定性确定有机物中是否存在______。
(4)元素分析仪
①作用:确定有机化合物的组成。
②工作原理:使有机化合物充分燃烧,再对__________进行自动分析。
③元素分析仪特点:自动化程度高,所需样品量____,分析速度快,能同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析,分析试样可以是液态或固态物质。
CO2
H2O
氮
氯
溴
卤素
燃烧产物
少
我们已经知道,甲烷燃烧后烧杯内壁有水雾出现,证明甲烷中一定含有氢元素;将烧杯正放向其中滴加澄清石灰水,出现浑浊,证明甲烷中一定含有碳元素。
甲烷燃烧产物的检验
【问题讨论】
1.一种有机物燃烧后的产物只有CO2和H2O,该有机物所含元素只有碳元素和氢元素吗 如何判断是否含有氧元素
提示 不一定,若产物只有CO2和H2O,其组成元素肯定有C、H元素,可能有O元素。
判断该有机物中是否含氧元素的方法如下:设有机物燃烧后CO2中碳元素的质量为m(C),H2O中氢元素质量为m(H)。若m(有机物)>m(C)+m(H),则有机物中含有氧元素;若m(有机物)=m(C)+m(H),若有机物中不含氧元素。
2.6.4 g某有机化合物,完全燃烧测得生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,无其他物质生成。你能确定该有机化合物中是否含有氧元素吗
提示 8.8 g CO2中碳元素的质量为×12 g·mol-1=2.4 g,7.2 g H2O中氢元素的质量为×2 g·mol-1=0.8 g。因6.4 g>(2.4 g+0.8 g),故该有机物中一定含有氧元素。
3.某烃在空气中完全燃烧生成CO2和H2O的物质的量相等,你能确定该烃的最简式吗
提示 该烃中C、H的原子个数比为1∶2,即最简式为CH2。
【探究归纳】
1.确定有机物分子式的思路
实验式(最简式)与分子式的关系:分子式=(最简式)n。
2.实验式的测定流程(李比希法)
3.有机物相对分子质量的计算方法
(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。
4.方程式法确定有机物的分子式
利用有机物燃烧通式及消耗O2的量或生成物的量通过计算确定有机物分子式。
常用方程式为
1.下列叙述正确的是 ( )
A.某有机物燃烧后产物只有CO2和H2O,可推出的结论是有机物属于烃
B.某有机物燃烧后产物只有CO2和H2O,可推出的结论是有机物属于烃的含氧衍生物
C.某有机物燃烧后产物只有CO2和H2O,通过测定有机物、CO2和H2O的质量,可确定有机物是否含有氧
D.甲烷在同系物中含碳量最高,因而是清洁能源
C
解析 烃的含氧衍生物完全燃烧产物也只有二氧化碳和水,故该有机物不一定为烃类,A错误;烃类物质完全燃烧产物也只有二氧化碳和水,故该有机物可能为烃类,不一定为烃的含氧衍生物,B错误;有机物完全燃烧生成二氧化碳和水,说明有机物中一定含有C、H两种元素,C、H元素的质量可以根据质量守恒确定,再根据有机物的质量减去C和H的元素质量确定是否有氧元素,C正确;链状烷烃(CnH2n+2)是含氢量最高的有机物,甲烷(CH4)是含氢量最高的烷烃,故甲烷的含碳量最低,D错误。
2.有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O,将12 g该有机物完全燃烧的产物通过足量浓硫酸,浓硫酸增重14.4 g,再通过足量碱石灰,碱石灰增重26.4 g,该有机物的分子式是 ( )
A.C4H10 B.C3H8O
C.C2H6O D.C2H4O2
B
解析 浓硫酸增重14.4 g,即水的质量为14.4 g,则n(H2O)==0.8 mol, n(H)=1.6 mol,m(H)=1 g/mol×1.6 mol=1.6 g。碱石灰增重26.4 g,即二氧化碳的质量为26.4 g,则n(CO2)==0.6 mol,则n(C)=0.6mol,m(C)=12 g/mol×0.6 mol=7.2 g, m(C)+m(H)=8.8 g<12 g,则该有机物中一定含有氧元素,12 g有机物中含有的氧元素的质量为12 g-8.8 g=3.2 g,n(O)==0.2 mol,则n(C)∶n(H)∶n(O)=0.6 mol∶ 1.6 mol∶0.2 mol=3∶8∶1,即该有机物的实验式为C3H8O,由于C3H8O中碳原子已经饱和,所以该有机物的分子式为C3H8O,B项正确。
3.将0.1 mol某有机物与0.3 mol O2混合,于密闭反应器中用电火花点火,将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中,可得到沉淀20 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 g,为生成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减少1.6 g,则n(CO)=0.1 mol,故0.1 mol有机物含有C原子为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 g-0.2 mol×44 g/mol-5.8 g=5.4 g,则n(H2O)==0.3 mol,故0.1 mol有机物含有H原子为0.3 mol×2=0.6 mol。故n(有机物)∶n(C)∶n(H)∶n(O)=0.1 mol∶0.3 mol∶0.6 mol∶(0.2×2+0.3+0.1-0.3×2)mol=1∶3∶6∶2,故该有机物分子式为C3H6O2。
二、有机化合物结构的研究
对点训练
1.基团理论
(1)在有机化合物分子中,原子主要通过________结合在一起。原子之间__________或__________的不同导致了所形成物质在性质上的差异。
(2)写出以下常见的基团名称:—OH _____、—CHO _____、—COOH______、NH2______、—R烃基等。
共价键
结合方式
连接顺序
羟基
醛基
羧基
氨基
2.研究有机物结构的物理方法
(1)经常采用的分析方法是______________和__________等方法。
(2)①在核磁共振分析中,最常见的是对有机化合物中的________________进行分析,有机化合物分子中的氢原子核所处的__________不同,表现出的核磁性就不同,代表________________在核磁共振谱图中横坐标位置也就不同。
核磁共振波谱
红外光谱
1H核磁共振谱
化学环境
核磁性特征的峰
②实例
如乙醇和二甲醚的1H核磁共振谱图分析
物质 乙醇 二甲醚
1H核磁共振 谱图
结论 氢原子类型有3种,不同氢原子的个数之比为____________ 氢原子类型有____种
结构式
2∶1∶3
1
(3)红外光谱是利用有机化合物分子中不同 ______的特征吸收频率不同,测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况,初步判断该有机化合物中具有哪些______。
(4)测定有机物结构的现代分析方法,还有________和____________等。质谱法中,最大质荷比即为该有机物的相对分子质量。
基团
基团
质谱法
紫外光谱法
3.有机化合物分子的不饱和度
(1)不饱和度的计算公式
分子的不饱和度(Ω)=n(C)+1-;
其中:n(C)为碳原子数,n(H)为氢原子数。在计算不饱和度时,若有机化合物分子中含有卤素原子,可将其视为氢原子;若含有氧、硫原子,则不予考虑;若含有氮、磷原子,就在氢原子总数中减去氮、磷原子数。如分子式为C6H5NO2的分子的不饱和度为5。
(2)几种常见官能团的不饱和度
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 1 一个苯环 4
一个脂环 1 一个氰基 2
1.下列有机物的1H核磁共振谱有6组峰的是 ( )
A
解析 该分子结构不对称,含6种不同化学环境的H,1H核磁共振谱中有6组峰,峰面积比为1∶1∶1∶1∶1∶3,A正确;该分子中含4种不同化学环境的H,1H核磁共振谱中有4组峰,峰面积比为1∶1∶1∶3,B错误;该分子中含4种不同化学环境的H,1H核磁共振谱中有4组峰,峰面积比为1∶2∶2∶3,C错误;苯中的六个氢原子是完全相同的,1H核磁共振谱中有1组峰,D错误。
2.(2024·江苏无锡高级中学高二期中)某有机化合物只含C、H、O三种元素,取4.6 g该有机化合物完全燃烧,测得只生成0.2 mol CO2和5.4 g水,其质谱图和核磁共振氢谱如下图所示,该有机化合物是 ( )
A.CH3CHO B.CH3CH2OH
C.CH3OCH3 D.CH3OCH2CH3
B
解析 将4.6 g该有机物完全燃烧,生成了0.2 mol CO2和5.4 g H2O,n(H2O)=5.4 g÷18 g·mol-1=0.3 mol,n(H)=0.6 mol,m(H)=0.6 mol×1 g·mol-1=0.6 g,则m(C)+m(H) =0.2×12 g+0.6 g=3 g<4.6 g,故有机物含有O元素,且m(O)=4.6 g-3 g=1.6 g,故n(O)=1.6 g÷16 g·mol-1=0.1 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=0.2 mol∶0.6 mol∶0.1 mol= 2∶6∶1,即该有机物实验式为C2H6O,由质谱图中质荷比的最大值46可知,相对分子质量为46,又C2H6O中H原子已经饱和C原子的四价结构,最简式即为分子式,由核磁共振氢谱可知,该有机物分子中有3种化学环境不同的H原子,三种H原子数目之比为1∶2∶3,有机物的分子式为C2H6O,结构式为CH3CH2OH。
3.有机化合物A的相对分子质量为136,分子式为C8H8O2。A分子中只含有1个苯环且苯环上只有1个取代基,其红外光谱如图甲所示,1H核磁共振谱如图乙所示。下列关于有机化合物A的说法不正确的是 ( )
A.有机化合物A属于酯类化合物
B.有机化合物A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应
C.符合题意的有机物只有1种
D.A的同分异构体中含有苯环和羧基的化合物只有1种
D
4.烃分子中若含有双键、三键或环,其碳原子所结合的氢原子则少于同碳原子数对应烷烃所含的氢原子数,具有一定的不饱和度(用Ω表示)。下表列出几种烃的不饱和度:
B
有机化合物 乙烯 乙炔 环己烷 苯
Ω 1 2 1 4
【题后归纳】 确定有机物结构式的方法
(1)根据1H核磁共振谱图,分析氢的种类和数目。
(2)根据红外光谱图,分析有机物所含的化学键或官能团。
(3)根据有机物性质推断官能团:有机化合物的官能团都具有特征化学性质,故可以通过化学反应对其进行鉴别和确定,从而推断官能团,区分开同分异构体。因此要熟记常见官能团的特征性质。
(4)直接推出:C2H6、C3H8、CH4O等不具有同分异构体的可直接推出。
三、有机化学反应的研究
对点训练
1.反应机理
(1)含义:反应机理又称反应历程,指________转变为________所经历的过程。
(2)作用:有机化学的反应机理揭示了反应中化学键因基团相互作用而发生断裂形成__________。
(3)甲烷与氯气反应的机理(自由基链式反应)
反应物
生成物
新化学键
2.反应机理研究的常用方法
(2)仪器法
如乙烯与溴化氢之间发生加成反应,利用质谱仪可以检测出该反应过程中产生的中间体——乙基碳正离子(CH3H2),据此可推出该反应为______型反应。
此反应的反应机理可表示如下:
HBr—→______+Br-
CH2==CH2+______—→CH3H2
CH3H2+________—→CH3CH2Br
离子
H+
H+
Br-
1.已知CH4与Cl2反应的产物中除CH3Cl外,还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4。下列关于生成CH2Cl2的过程中,可能出现的是 ( )
B
解析 CH4与Cl2反应为自由基反应,生成CH2Cl2的反应机理包括三个阶段:链引发阶段:Cl2—→Cl·+Cl·;链传递阶段:Cl·+CH3Cl—→·CH2Cl+HCl,Cl2+·CH2Cl—→CH2Cl2+Cl·,Cl·+Cl·—→Cl2,Cl·+·CH2Cl—→CH2Cl2。
B
【题后归纳】
(1)有机化学反应研究的内容
首先研究已知有机物的结构、性质、用途等方面,进而研究能与哪些物质反应,经历了哪些具体反应过程,需要什么样的反应条件,受到哪些内外因素的影响等。
(2)有机化学反应研究的目的
利用已知有机物和已有条件合成我们想要的新的有机物。
课堂达标训练
1.科学技术在物质结构的研究中具有非常重要的作用。下列说法错误的是 ( )
A.质谱仪可以测定分子的相对分子质量
B.用李比希元素分析仪可以确定有机物的分子式
C.可通过红外光谱分析物质中含有何种化学键
D.X射线衍射技术可用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定
B
解析 质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法,故A正确;李比希分析仪可以测定有机化合物中碳、氢元素的质量分数,故B错误;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位置,从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团,故C正确;X射线衍射技术可用于有机化合物,特别是复杂的生物大分子晶体结构的测定,故D正确。
2.某有机物的蒸气对氢气的相对密度为39。该烃中各元素的质量分数为C:92.3%,H:7.7%,则该有机物的分子式为 ( )
A.C2H2 B.C2H4
C.C6H6 D.C3H6
解析 M(有机物)=39×2 g·mol-1=78 g·mol-1,有机物分子中N(C)∶N(H)==1∶1,最简式为CH,结合相对分子质量可推出分子式为C6H6。
C
3.对下列化合物中氢原子化学环境种数判断不正确的是 ( )
A
4.设H+的质荷比为β,某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷,信号强度与该离子的多少有关),则该有机物可能是 ( )
A.甲醇(CH3OH) B.甲烷
C.丙烷 D.乙烯
解析 从题图中可看出其右边最高质荷比为16,即其相对分子质量为16,为甲烷。
B
5.完成下列问题。
(1)研究有机物的方法有很多,常用的有①1H核磁共振谱 ②蒸馏 ③重结晶 ④萃取 ⑤红外光谱 ⑥过滤,其中用于分子结构确定的有 (填数字序号)。
(2)下列物质中,其1H核磁共振谱中只有一个吸收峰的是 (填字母序号)。
A.CH3CH3 B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3OCH3
①⑤
AD
解析 (1)在上述各种研究方法中,蒸馏、重结晶、萃取、过滤是有机物分离或提纯的方法,1H核磁共振谱、红外光谱常用于分子结构确定;(2)其1H核磁共振谱中只有一个吸收峰,说明有机物分子中只有一类氢原子,CH3CH3分子中只有一类氢原子,A正确;CH3COOH分子中含有两类氢原子,B错误;CH3COOCH3分子中含有两类氢原子,C错误;CH3OCH3分子中只有一类氢原子,D正确;
(3)某含碳、氢、氧三种元素的有机物甲,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%,则甲的实验式(最简式)是 。
①如图是该有机物甲的质谱图,则其相对分子质量为 ,分子式为 。
C4H10O
74
C4H10O
②确定甲的官能团:通过实验可知甲中一定含有羟基,写出羟基的符号 ;甲可能的结构有 种。
③确定甲的结构简式:
a.经测定有机物甲的1H核磁共振谱如图所示,
则甲的结构简式为 。
b.若甲的红外光谱如图所示,则该有机物的结构简式为 。
—OH
4
C(CH3)3OH
CH3CH2OCH2CH3
解析 (3)碳的质量分数是64.86%,氢的质量分数是13.51%,因此氧元素质量分数是21.63%,则该物质中碳、氢、氧原子个数之比为=4∶10∶1,所以其实验式为C4H10O;①根据质谱图知,其相对分子质量是74,结合其实验式知其分子式为C4H10O;②由分子式C4H10O可知,碳已被氢饱和,通过实验知甲中含有羟基,为一元饱和醇。则C4H10O可能结构有4种,结构简式为
HOCH2CH2CH2CH3、CH3CH(OH)CH2CH3、(CH3)2CHCH2OH、C(CH3)3OH。③甲的1H核磁共振谱图中出现2组峰,说明该结构中有2种氢原子,则结构简式为C(CH3)3OH;甲的红外光谱中含有对称—CH3,对称—CH2—和C—O—C结构,故有机物的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。
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.下列说法不正确的是( )
A.元素分析仪可同时对有机物中碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析,其特点是样品量小,速度快
B.可用蒸馏法分离提纯沸点相差较大的液态有机混合物
C.根据红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团
D.可用质谱法测定有机物分子中的官能团
D
解析 元素分析仪可对有机物质中C、H、O、S元素的含量进行定量分析测定, 无论是分析的精确度,还是分析速率都已达到很高的水平,其特点是样品量小,速度快,A项正确;蒸馏法是指利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的方法,适用于分离沸点相差较大的液态混合物,B项正确;不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图上处于不同的位置,从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息,C项正确;质谱法只能测定有机物分子的相对分子质量,不能确定分子中含有的官能团,D项错误。
2.下列各组物质,最适宜使用红外光谱法进行区分的是 ( )
D
解析 红外光谱法可以测定有机化合物分子中所含的化学键或官能团,若两种有机化合物中的化学键或官能团不同,则可以用红外光谱法进行区分。2-甲基戊烷、3-甲基戊烷中都没有官能团,化学键相同(C—C键和C—H键),无法用红外光谱法进行区分,故A错误;1-丙醇、1-丁醇的官能团都是—OH,化学键相同(C—C键、C—H键、C—O键和O—H键),无法用红外光谱法进行区分,故B错误;苯、甲苯中都没有官能团,化学键相似,无法用红外光谱法进行区分,故C错误;1-丁醇的官能团是—OH,1-溴丁烷的官能团是碳溴键,化学键也不完全相同,可以用红外光谱法进行区分,故D正确。
3.某有机物蒸气完全燃烧需三倍于其体积的氧气,产生二倍于其体积的二氧化碳(体积均在相同状况下测定),该有机物可能是 ( )
A.C3H7OH B.CH3CHO
C.CH3COCH3 D.C2H4
D
4.在1H核磁共振谱中出现3组峰,且氢原子个数比为3∶1∶4的化合物是 ( )
C
解析 A项中的有机物有2种氢原子,个数比为3∶1;B项中的有机物有3种氢原子,个数比为1∶1∶3;C项中的有机物有3种氢原子,个数比为3∶1∶4;D项中的有机物有2种氢原子,个数比为3∶2,故选C。
5.某有机物A用质谱仪测定示意图如图1,1H核磁共振谱示意图如图2,则A的结构简式可能为 ( )
A.HCOOH B.CH3CHO
C.CH3CH2OH D.CH3CH2COOH
C
解析 质荷比的最大值=相对分子质量,则该有机物的相对分子质量为46,则分子式为C2H6O或CH2O2。由1H核磁共振谱示意图可知,1H核磁共振谱有3个吸收峰,故有机物分子中有3种等效氢。HCOOH只含2种等效氢,A项错误;CH3CHO的分子式不符合C2H6O或CH2O2,B项错误;CH3CH2OH的分子式和等效氢均符合上面分析的情况,C项正确;CH3CH2COOH的分子式不符合C2H6O或CH2O2,D项错误。
6.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是74,则该有机物的结构简式是 ( )
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2CH2OH D.CH3CH2CHO
解析 A项中无O—H键,不符合;D项中无O—H、C—O键,有C==O键,不符合;B项的相对分子质量为60,不符合;只有C项符合。
C
7.将CH3COOH和H18O—C2H5混合发生酯化反应,已知酯化反应是可逆反应,反应达到平衡后下列说法中正确的是 ( )
A.18O存在于所有物质中 B.18O仅存在于乙醇和乙酸乙酯中
C.18O仅存在于乙醇和水中 D.有的乙醇分子可能不含18O
B
8. (2024·山东烟台莱州一中高二下月考)0.2 mol某有机化合物和0.4 mol O2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(g)。产物经过浓硫酸后,浓硫酸的质量增加10.8 g;再通过灼热CuO充分反应后,固体质量减轻3.2 g;最后气体再通过碱石灰被完全吸收,碱石灰质量增加17.6 g。0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g金属钠完全反应。下列关于该有机化合物的说法不正确的是 ( )
A.该有机化合物的相对分子质量是62
B.该有机化合物的分子式为C2H6O2
C.该有机化合物的核磁共振氢谱有4个峰
D.1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应
C
解析 0.2 mol某有机化合物和0.4 mol O2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(g)。产物经过浓硫酸后,浓硫酸的质量增加10.8 g,即H2O的质量为10.8 g,则n(H)=2n(H2O)=2×=1.2 mol;再通过灼热CuO充分反应后,固体质量减轻3.2 g,即n(CO)=n(O)==0.2 mol;最后气体再通过碱石灰被完全吸收,碱石灰质量增加17.6 g,即n(CO2)==0.4 mol,则原混合气体中CO2的物质的量为0.4 mol-0.2 mol=0.2 mol,故0.2 mol有机物中含有的O原子的物质的量为2×0.2 mol+0.2 mol+0.6 mol-2×0.4 mol=0.4 mol,n(有机物)∶n(C)∶n(H)∶n(O)=
0.2 mol∶(0.2 mol+0.2 mol)∶1.2 mol∶0.4 mol=1∶2∶6∶2,故有机物的化学式为C2H6O2。0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g(=0.2 mol)金属钠完全反应,即1 mol有机物中含有2 mol羟基。该有机化合物的分子式为C2H6O2,则该有机化合物的相对分子质量是62,A正确;该有机化合物的分子式为C2H6O2,B正确;该有机化合物的分子式为C2H6O2,且1 mol有机物中含有2 mol羟基,则其结构简式为HOCH2CH2OH,故该有机化合物的核磁共振氢谱有2个峰,C错误;由题干信息可知,0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g(=0.2 mol)金属钠完全反应,即1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应,D正确。
9.为测定某有机化合物A的结构,进行如下实验。
[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),则该物质中各元素的原子个数比是
。
(2)质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量为46,则该物质的分子式是 。
(3)根据价键理论,预测A的可能结构并写出其结构简式
。
N(C)∶N(H)∶N(O)=2∶6∶1
C2H6O
CH3CH2OH、CH3—O—CH3
解析 n(CO2)==0.2 mol,n(H2O)==0.3 mol,n(O2)==0.3 mol。(1)则该物质中各元素的原子个数比是N(C)∶N(H)∶N(O)=N(CO2)∶ 2N(H2O)∶[N(H2O)+2N(CO2)-2N(O2)]=2∶6∶1。(2)相对分子质量为46, N(C)∶N(H)∶N(O)=2∶6∶1,则分子式为C2H6O。(3)一个碳原子形成4个键、一个氧原子形成2个键、一个氢原子形成1个键,A的可能结构简式为CH3CH2OH或CH3—O—CH3。
[结构式的确定]
(4)1H核磁共振谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的峰值(信号),根据峰值(信号)可以确定分子中氢原子的种类和数目。例如:甲基氯甲基醚(Cl—CH2—O—CH3)有两种氢原子(如图1)。经测定,有机物A的1H核磁共振谱示意图如图2所示,则A的结构简式为 。
CH3CH2OH
解析 (4)根据有机物A的1H核磁共振谱示意图,有3组峰值,比例3∶1∶2,所以A的可能结构简式为CH3CH2OH。
[性质实验]
(5)A在一定条件下脱水可生成B,B分子中6个原子在同一平面上,B可合成塑料C,请写出B转化为C的化学方程式: 。
(6)体育比赛中当运动员肌肉扭伤时,队医随即用氯乙烷(沸点为12.27 ℃)对受伤部位进行局部冷冻麻醉。请用B选择合适的方法制备氯乙烷,要求原子利用率为100%,请写出制备反应的化学方程式: 。
解析 (5)由题意知,CH3CH2OH脱水生成乙烯,乙烯加聚生成聚乙烯。(6)乙烯和氯化氢加成生成氯乙烷。
B级 素养培优练
10.已知某有机物A的1H核磁共振谱如图所示,下列说法中错误的是( )
A.由1H核磁共振谱可知,该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3
B.若A的分子式为C3H6O2,则其结构简式可为CH3CH2COOH
C.仅由其1H核磁共振谱即可以得知其分子中的氢原子总数
D.若A的化学式为C3H6O2,则其结构可能有三种
C
解析 由1H核磁共振谱图中可知,该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3,A项正确;若A的分子式为C3H6O2,由于分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3,故其结构简式可为CH3CH2COOH,B项正确;1H核磁共振谱图只能显示出氢原子的种类和个数比,故仅由其核磁共振谱无法得知其分子中的氢原子总数,C项错误;若A的化学式为C3H6O2,则其结构有CH3CH2COOH、CH3COCH2OH,HCOOCH2CH3三种,D项正确。
11.有机物M(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)具有令人愉悦的牛奶香气,主要用于配制奶油、乳品、酸奶和草莓等型香精,是我国批准使用的香料产品,其沸点为148 ℃。某化学兴趣小组从粗品中分离提纯有机物M,然后借助李比希法、现代科学仪器测定有机物M的分子组成和结构,具体实验过程如下:
步骤一:将粗品用蒸馏法进行纯化。
(1)蒸馏装置如图1所示,仪器a的名称是 ,
图中虚线框内应选用右侧的 (填“仪器x”
或“仪器y”)。
蒸馏烧瓶
仪器y
解析 (1)仪器a的名称为蒸馏烧瓶;蒸馏时使用仪器y(直形冷凝管),仪器x(球形冷凝管)一般用于冷凝回流装置中;
步骤二:确定M的实验式和分子式。
(2)利用元素分析仪测得有机物M中碳的质量分数为54.5%,氢的质量分数为9.1%。
①M的实验式为 。
②已知M的密度是同温同压下二氧化碳密度的2倍,则M的相对分子质量为 ,分子式为 。
C2H4O
88
C4H8O2
解析 (2)①计算该有机物中氧元素的质量分数:w(O)=100%-54.5%-9.1%=36.4%,分子内各元素原子的个数比:N(C)∶N(H)∶N(O)==2∶4∶1,即实验式为C2H4O;②M的密度是同温同压下二氧化碳密度的2倍,则M的相对分子质量为2×44=88,设分子式为(C2H4O)n,则44n=88,n=2,则分子式为C4H8O2;
步骤三:确定M的结构简式。
(3)用核磁共振仪测出M的1H核磁共振谱如图2所示,图中峰面积之比为1∶3∶1∶3;利用红外光谱仪测得M的红外光谱如图3所示。
M中官能团的名称为 ,M的结构简式为
__________(填键线式)。
(4)写出两种含有酯基的M的同分异构体的结构简式:
___________________________________________
____________________________________。
羟基、羰基
CH3COOCH2CH3、HCOOCH2CH2CH3、
HCOOCH(CH3)2、CH3CH2COOCH3作业3 有机化合物组成、结构和有机化学反应的研究
(分值:60分)
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(1~8题,每题4分,共32分)
1.下列说法不正确的是 ( )
元素分析仪可同时对有机物中碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析,其特点是样品量小,速度快
可用蒸馏法分离提纯沸点相差较大的液态有机混合物
根据红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团
可用质谱法测定有机物分子中的官能团
2.下列各组物质,最适宜使用红外光谱法进行区分的是 ( )
2-甲基戊烷()、3-甲基戊烷()
1-丙醇(CH3CH2CH2OH),1-丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)
苯()、甲苯()
1-丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)、1-溴丁烷(CH3CH2CH2CH2Br)
3.某有机物蒸气完全燃烧需三倍于其体积的氧气,产生二倍于其体积的二氧化碳(体积均在相同状况下测定),该有机物可能是 ( )
C3H7OH CH3CHO
CH3COCH3 C2H4
4.在1H核磁共振谱中出现3组峰,且氢原子个数比为3∶1∶4的化合物是 ( )
5.某有机物A用质谱仪测定示意图如图1,1H核磁共振谱示意图如图2,则A的结构简式可能为 ( )
HCOOH CH3CHO
CH3CH2OH CH3CH2COOH
6.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是74,则该有机物的结构简式是 ( )
CH3CH2OCH3
CH3CH(OH)CH3
CH3CH2CH2CH2OH
CH3CH2CHO
7.将CH3COOH和H18O—C2H5混合发生酯化反应,已知酯化反应是可逆反应,反应达到平衡后下列说法中正确的是 ( )
18O存在于所有物质中
18O仅存在于乙醇和乙酸乙酯中
18O仅存在于乙醇和水中
有的乙醇分子可能不含18O
8. (2024·山东烟台莱州一中高二下月考)0.2 mol某有机化合物和0.4 mol O2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(g)。产物经过浓硫酸后,浓硫酸的质量增加10.8 g;再通过灼热CuO充分反应后,固体质量减轻3.2 g;最后气体再通过碱石灰被完全吸收,碱石灰质量增加17.6 g。0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g金属钠完全反应。下列关于该有机化合物的说法不正确的是 ( )
该有机化合物的相对分子质量是62
该有机化合物的分子式为C2H6O2
该有机化合物的核磁共振氢谱有4个峰
1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应
9.(12分)为测定某有机化合物A的结构,进行如下实验。
[分子式的确定]
(1)(2分)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),则该物质中各元素的原子个数比是 。
(2)(2分)质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量为46,则该物质的分子式是 。
(3)(2分)根据价键理论,预测A的可能结构并写出其结构简式 。
[结构式的确定]
(4)(2分)1H核磁共振谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的峰值(信号),根据峰值(信号)可以确定分子中氢原子的种类和数目。例如:甲基氯甲基醚(Cl—CH2—O—CH3)有两种氢原子(如图1)。经测定,有机物A的1H核磁共振谱示意图如图2所示,则A的结构简式为 。
[性质实验]
(5)(2分)A在一定条件下脱水可生成B,B分子中6个原子在同一平面上,B可合成塑料C,请写出B转化为C的化学方程式: 。
(6)(2分)体育比赛中当运动员肌肉扭伤时,队医随即用氯乙烷(沸点为12.27 ℃)对受伤部位进行局部冷冻麻醉。请用B选择合适的方法制备氯乙烷,要求原子利用率为100%,请写出制备反应的化学方程式: 。
B级 素养培优练
10.(4分)已知某有机物A的1H核磁共振谱如图所示,下列说法中错误的是 ( )
由1H核磁共振谱可知,该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3
若A的分子式为C3H6O2,则其结构简式可为CH3CH2COOH
仅由其1H核磁共振谱即可以得知其分子中的氢原子总数
若A的化学式为C3H6O2,则其结构可能有三种
11.(12分)有机物M(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)具有令人愉悦的牛奶香气,主要用于配制奶油、乳品、酸奶和草莓等型香精,是我国批准使用的香料产品,其沸点为148 ℃。某化学兴趣小组从粗品中分离提纯有机物M,然后借助李比希法、现代科学仪器测定有机物M的分子组成和结构,具体实验过程如下:
步骤一:将粗品用蒸馏法进行纯化。
(1)(2分)蒸馏装置如图1所示,仪器a的名称是 ,图中虚线框内应选用右侧的 (填“仪器x”或“仪器y”)。
步骤二:确定M的实验式和分子式。
(2)(4分)利用元素分析仪测得有机物M中碳的质量分数为54.5%,氢的质量分数为9.1%。
①M的实验式为 (2分)。
②已知M的密度是同温同压下二氧化碳密度的2倍,则M的相对分子质量为 (1分),分子式为 (1分)。
步骤三:确定M的结构简式。
(3)(4分)用核磁共振仪测出M的1H核磁共振谱如图2所示,图中峰面积之比为1∶3∶1∶3;利用红外光谱仪测得M的红外光谱如图3所示。
M中官能团的名称为 ,M的结构简式为 (填键线式)。
(4)(2分)写出两种含有酯基的M的同分异构体的结构简式: 。
作业3 有机化合物组成、结构和有机化学反应的研究
1.D [元素分析仪可对有机物质中C、H、O、S元素的含量进行定量分析测定, 无论是分析的精确度,还是分析速率都已达到很高的水平,其特点是样品量小,速度快,A项正确;蒸馏法是指利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的方法,适用于分离沸点相差较大的液态混合物,B项正确;不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图上处于不同的位置,从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息,C项正确;质谱法只能测定有机物分子的相对分子质量,不能确定分子中含有的官能团,D项错误。]
2.D [红外光谱法可以测定有机化合物分子中所含的化学键或官能团,若两种有机化合物中的化学键或官能团不同,则可以用红外光谱法进行区分。2-甲基戊烷、3-甲基戊烷中都没有官能团,化学键相同(C—C键和C—H键),无法用红外光谱法进行区分,故A错误;1-丙醇、1-丁醇的官能团都是—OH,化学键相同(C—C键、C—H键、C—O键和O—H键),无法用红外光谱法进行区分,故B错误;苯、甲苯中都没有官能团,化学键相似,无法用红外光谱法进行区分,故C错误;1-丁醇的官能团是—OH,1-溴丁烷的官能团是碳溴键,化学键也不完全相同,可以用红外光谱法进行区分,故D正确。]
3.D [设有机物分子式为CxHyOz,燃烧的通式为CxHyOz+(x+)O2xCO2+H2O,解得x=2,y-2z=4。由x=2知A、C项不合题意;B项,把y=4,z=1代入y-2z=4知不合题意,故选D。]
4.C [A项中的有机物有2种氢原子,个数比为3∶1;B项中的有机物有3种氢原子,个数比为1∶1∶3;C项中的有机物有3种氢原子,个数比为3∶1∶4;D项中的有机物有2种氢原子,个数比为3∶2,故选C。]
5.C [质荷比的最大值=相对分子质量,则该有机物的相对分子质量为46,则分子式为C2H6O或CH2O2。由1H核磁共振谱示意图可知,1H核磁共振谱有3个吸收峰,故有机物分子中有3种等效氢。HCOOH只含2种等效氢,A项错误;CH3CHO的分子式不符合C2H6O或CH2O2,B项错误;CH3CH2OH的分子式和等效氢均符合上面分析的情况,C项正确;CH3CH2COOH的分子式不符合C2H6O或CH2O2,D项错误。]
6.C [A项中无O—H键,不符合;D项中无O—H、C—O键,有C==O键,不符合;B项的相对分子质量为60,不符合;只有C项符合。]
7.B [本题考查的是酯化反应的机理:“酸脱羟基醇脱氢”,即:CH3COOH+H18OCH2CH3CH3CO18OCH2CH3+H2O,乙酸乙酯在水解时的断键方式是从形成的酯基处断开,因此,18O只可能存在于乙醇和乙酸乙酯中,而且乙醇分子里必然会有18O。]
8.C [0.2 mol某有机化合物和0.4 mol O2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(g)。产物经过浓硫酸后,浓硫酸的质量增加10.8 g,即H2O的质量为10.8 g,则n(H)=2n(H2O)=2×=1.2 mol;再通过灼热CuO充分反应后,固体质量减轻3.2 g,即n(CO)=n(O)==0.2 mol;最后气体再通过碱石灰被完全吸收,碱石灰质量增加17.6 g,即n(CO2)==0.4 mol,则原混合气体中CO2的物质的量为0.4 mol-0.2 mol=0.2 mol,故0.2 mol有机物中含有的O原子的物质的量为2×0.2 mol+0.2 mol+0.6 mol-2×0.4 mol=0.4 mol,n(有机物)∶n(C)∶n(H)∶n(O)=0.2 mol∶(0.2 mol+0.2 mol)∶1.2 mol∶0.4 mol=1∶2∶6∶2,故有机物的化学式为C2H6O2。0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g(=0.2 mol)金属钠完全反应,即1 mol有机物中含有2 mol羟基。该有机化合物的分子式为C2H6O2,则该有机化合物的相对分子质量是62,A正确;该有机化合物的分子式为C2H6O2,B正确;该有机化合物的分子式为C2H6O2,且1 mol有机物中含有2 mol羟基,则其结构简式为HOCH2CH2OH,故该有机化合物的核磁共振氢谱有2个峰,C错误;由题干信息可知,0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g(=0.2 mol)金属钠完全反应,即1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应,D正确。]
9.(1)N(C)∶N(H)∶N(O)=2∶6∶1 (2)C2H6O
(3)CH3CH2OH、CH3—O—CH3 (4)CH3CH2OH
(5)nCH2==CH2?CH2—CH2?
(6)CH2==CH2+HClCH3CH2Cl
解析 n(CO2)==0.2 mol,n(H2O)==0.3 mol,n(O2)==0.3 mol。
(1)则该物质中各元素的原子个数比是N(C)∶N(H)∶N(O)=N(CO2)∶2N(H2O)∶[N(H2O)+2N(CO2)-2N(O2)]=2∶6∶1。(2)相对分子质量为46,N(C)∶N(H)∶N(O)=2∶6∶1,则分子式为C2H6O。(3)一个碳原子形成4个键、一个氧原子形成2个键、一个氢原子形成1个键,A的可能结构简式为CH3CH2OH或CH3—O—CH3。(4)根据有机物A的1H核磁共振谱示意图,有3组峰值,比例3∶1∶2,所以A的可能结构简式为CH3CH2OH。(5)由题意知,CH3CH2OH脱水生成乙烯,乙烯加聚生成聚乙烯。(6)乙烯和氯化氢加成生成氯乙烷。
10.C [由1H核磁共振谱图中可知,该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3,A项正确;若A的分子式为C3H6O2,由于分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3,故其结构简式可为CH3CH2COOH,B项正确;1H核磁共振谱图只能显示出氢原子的种类和个数比,故仅由其核磁共振谱无法得知其分子中的氢原子总数,C项错误;若A的化学式为C3H6O2,则其结构有CH3CH2COOH、CH3COCH2OH,HCOOCH2CH3三种,D项正确。]
11.(1)蒸馏烧瓶 仪器y (2)①C2H4O ②88 C4H8O2
(3)羟基、羰基
(4)CH3COOCH2CH3、HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH(CH3)2、CH3CH2COOCH3
解析 (1)仪器a的名称为蒸馏烧瓶;蒸馏时使用仪器y(直形冷凝管),仪器x(球形冷凝管)一般用于冷凝回流装置中;(2)①计算该有机物中氧元素的质量分数:w(O)=100%-54.5%-9.1%=36.4%,分子内各元素原子的个数比:N(C)∶N(H)∶N(O)==2∶4∶1,即实验式为C2H4O;②M的密度是同温同压下二氧化碳密度的2倍,则M的相对分子质量为2×44=88,设分子式为(C2H4O)n,则44n=88,n=2,则分子式为C4H8O2;(3)根据1H核磁共振谱图中有4组峰,且峰面积之比为1∶3∶1∶3,说明分子中含有4种不同化学环境的氢原子,且个数比为1∶3∶1∶3,结合红外光谱图所示含有C—H、H—O、C==O等化学键,其结构简式为
,所含官能团为羟基、羰基,其键线式写为;(4)酯基为—COO—,含有酯基的M的同分异构体的结构简式为CH3COOCH2CH3、HCOOCH2CH2CH3、
HCOOCH(CH3)2、CH3CH2COOCH3。
