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第一章 有机化合物的结构特点与研究方法
第二节 研究有机化合物的一般方法
第2课时 有机化合物分子式和分子结构的确定
1．知道红外光谱、核磁共振氢谱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。
2．通过测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，能确定有机化合物分子式，并能根据特征结构和现代物理技术确定物质结构。
宏观辨识与微观探析：通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器测定和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。
1．确定实验式
(1)原理：将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物(如C→CO2，H→H2O)，并通过测定无机物的质量，推算出该有机化合物所含各元素的___________，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的_____________，确定其实验式(也称最简式)。
一、确定实验式和分子式
质量分数
最简整数比
2)元素分析方法
①李比希法
②现代化的元素分析仪
分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平。
2．确定分子式
(1)质谱法——测定_______________
①原理
质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的___________和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的___________________的比值，即_________。
相对分子质量
分子离子
相对质量与电荷数
质荷比
②质谱图：以_________为横坐标，以_____________________为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。如图为某有机化合物的质谱图：
从图中可知，该有机物的相对分子质量为_____，即_____________的数据就是样品分子的相对分子质量。
质荷比
各类离子的相对丰度
46
质荷比最大
(2)测定相对分子质量的其他方法
相对分子质量数值上等于摩尔质量(以g·mol－1为单位时)的值。
①标况密度法：已知标准状况下气体的密度ρ，求算摩尔质量。
M＝ρ×22.4 L·mol－1
②相对密度法：根据气体A相对于气体B(已知)的相对密度d。
MA＝d×MB
(3)确定分子式
在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后，就可进一步确定其分子式。
计算依据：_________________________。
分子式是实验式的整数倍
正误判断
在括号内打“√”或“×”。
(1)验证有机物属于烃时只需测定产物中的CO2和H2O的物质的量之比。( )
(2)0.1 mol两种气态烃组成的混合气体完全燃烧得0.16 mol CO2和3.6 g H2O，则一定含CH4。( )
(3)有机物的实验式、分子式一定不同。( )
(4)已知某有机物的实验式，必须知道相对分子质量才可以确定分子式。( )
(5)质谱图中最右边的谱线表示的数值为该有机物的相对分子质量。( )
×
√
×
×
√
应用体验
1．某烃A蒸气的密度是相同状况下氢气密度的36倍，已知该烃中的碳、氢元素质量之比为5∶1，则：
(1)该烃的相对分子质量为_______。
(2)该烃的分子式为__________。
(3)该烃的同分异构体有_____种。
解析：(1)已知烃A蒸气的密度是相同状况下氢气密度的36倍，则烃A的摩尔质量为36×2 g·mol－1＝72 g·mol－1，所以该烃的相对分子质量为72。
72
C5H12
3
2．某有机物的分子式确定：
(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：如图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为_______；分子式为____________。
C4H10O
74
C4H10O
解析：(2)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。
有机化合物中普遍存在同分异构现象，需要借助现代分析仪器确定分子结构。
1．红外光谱
(1)原理
不同的_________或_________的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。
二、常见图谱确定分子结构
官能团
化学键
(2)红外光谱图
分析红外光谱图，可判断分子中含有的_________或_________的信息。如分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构：___________或_____________，利用红外光谱来测定，分子中有O—H(或—OH)，可确定A的结构简式为_______________。
化学键
官能团
CH3CH2OH
CH3OCH3
CH3CH2OH
2．核磁共振氢谱
(1)原理
处于不同___________中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，相应的信号在谱图中出现的_______不同，具有不同的___________，而且吸收峰的面积与___________成正比，吸收峰的数目等于_______________。
化学环境
位置
化学位移
氢原子数
氢原子的类型
(2)核磁共振氢谱图
如分子式为C2H6O的有机物A的核磁共振氢谱如图，可知A的分子中有_____种处于不同化学环境的氢原子且个数比为___________，可推知该有机物的结构简式应为_________________。
3
3∶2∶1
CH3CH2OH
3．X射线衍射
(1)原理
X射线是一种波长很短的_________，它和晶体中的原子相互作用可以产生_________。
(2)X射线衍射图
经过计算可获得分子结构的有关数据，如_______、_______等，用于有机化合物___________的测定。
目前，X射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。
电磁波
衍射图
键长
键角
晶体结构
正误判断
在括号内打“√”或“×”。
(1)核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境的氢原子的种类和个数。( )
(2)质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法均能确定有机化合物的分子结构。( )
(3)CH3COOCH3在核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰。( )
(4)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。( )
(5)X射线衍射技术用于有机化合物晶体结构的测定，可以获得直接而详尽的结构信息。( )
×
×
×
√
√
应用体验
1. 有机化合物A的相关谱图如下，根据谱图可推测其结构简式为( )
A．CH3OCH3 B．CH3CH2OH
C．CH3CH2CHO D．HCOOH
B
解析：由核磁共振氢谱图可知该有机物分子中有3种不同化学环境的氢原子，符合该条件的有B、C两个选项，由质谱图可知该有机物的相对分子质量为46，由红外光谱图可知分子中含有—OH，应为CH3CH2OH。
A．李比希元素分析仪 B．红外光谱仪
C．核磁共振氢谱仪 D．质谱仪
A
解析：二者均含 C、H、O元素，则元素分析仪显示出的信号是完全相同的，故A选；官能团不同，红外光谱信号不同，故B不选；二者含有的H原子的个数和类别比例虽相同，但峰出现的位置不同，核磁共振氢谱信号不完全相同，故C不选；二者的相对分子质量相等，质谱法测定的最大质荷比相同，但信号不完全相同，故D不选。
随堂演练·知识落实
1．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
B
2．符合下面核磁共振氢谱图的有机物是( )
A
3．(2023·天津高二检测)某化学小组为测定有机物G的组成和结构，设计如图实验装置：
(2)装置B和装置D中浓硫酸的作用分别是___________和__________ _____________________。
(3)装置E和装置F中碱石灰的作用分别是_____________________ ___________和____________________________。
回答下列问题：
(1)实验开始时，先打开分液漏斗活塞，一段时间后再加热反应管C，目的是___________________。
排出装置中的空气
干燥O2
吸收有机
物燃烧生成的水蒸气
吸收有机物燃烧生成
的CO2
吸收空气中的H2O和CO2
(4)若准确称取4.4 g样品G(只含C、H、O三种元素)，经充分燃烧后(CuO的作用是确保有机物充分氧化，最终生成CO2和H2O)，装置D质量增加3.6 g，U形管E质量增加8.8 g。又知有机物G的质谱图如图所示：
该有机物的分子式为_____________。
C4H8O2
(5)已知有机物G中含有羧基，经测定其核磁共振氢谱有3组峰，且
峰面积之比为6∶1∶1。综上所述，G的结构简式为________________。
解析：实验开始时先制氧气，把装置中的空气排出来，防止二氧化碳等干扰，B干燥氧气，加热C，样品燃烧生成二氧化碳和水，CuO的作用是确保有机物充分被氧化，最终生成CO2和H2O，D用于吸收生成物中的水，E用于吸收生成物中的二氧化碳，F防止空气中的二氧化碳和水进入E装置，根据称量的质量进行有关的计算。
(1)实验开始时先制氧气，把装置中的空气排出来，防止二氧化碳等干扰。
(2)B中浓硫酸用于干燥氧气，防止干扰后面装置生成的水，D用于吸收有机物燃烧生成的水蒸气。
(3)E用于吸收生成物中的二氧化碳，F防止空气中的二氧化碳和水进入E装置。
(4)装置D的质量增加3.6 g，样品中的H的物质的量为3.6 g÷18 g·mol－1×2＝0.4 mol，质量为0.4 g，U形管E质量增加8.8 g，样品中C的物质的量为8.8 g÷44 g·mol－1＝0.2 mol，质量为2.4 g，所以样品中O的质量为4.4 g－0.4 g－2.4 g＝1.6 g，O的物质的量为1.6 g÷16 g·mol－1＝0.1 mol，样品中C∶H∶O＝0.2 mol∶0.4 mol∶0.1 mol＝2∶4∶1，由质谱图可知，该物质的相对分子质量为88，因此该物质的分子式为C4H8O2。第一章 第二节 第2课时
对点训练
题组一 元素分析法
1．某有机化合物含C 60%、H 13.33%,0.2 mol该有机化合物质量为12 g，则它的分子式为( B )
A．CH4 B．C3H8O
C．C2H4O2 D．CH2O
解析：根据题目条件该物质的相对分子质量为＝60，分子中碳原子数为60×60%÷12＝3，氢原子数为60×13.33%÷1≈8，相对分子质量和碳、氢总相对质量之差为16，因此还有一个氧原子。
2．某有机化合物完全燃烧只生成CO2和H2O，两者的物质的量之比为2∶3，下列说法正确的是( D )
A．该有机化合物中含C、H、O三种原子
B．该化合物是乙烷
C．该化合物中C、H原子个数比为2∶3
D．一个该化合物分子中含两个C原子、六个H原子，但不能确定是否含有O原子
解析：根据题目条件可知C、H原子个数之比为1∶3，1个分子中的碳原子和氢原子的个数只能是2和6，但不能确定是否含有氧原子。
3．充分燃烧0.1 mol气态烃A，在标准状况下生成4.48 L CO2和5.4 g H2O，则烃A是( C )
A．C4H6 B．C2H4
C．C2H6 D．C2H2
解析：根据题中所给数据，烃分子和C、H原子的数目之比为1∶2∶6，则其分子式为C2H6。
题组二 谱图分析
4．下图是一种分子式为C3H6O2的有机化合物的红外光谱图，则该有机化合物的结构简式为( A )
A．CH3COOCH3 B．CH3CH2COOH
C．HCOOCH2CH3 D．CH3COCH2OH
解析：根据红外光谱可知，分子中含有不对称的—CH3、和基团，因此只有A符合题意。
5．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图所示，该有机化合物的结构简式是( B )
质谱图
核磁共振氢谱
A．CH3CHO B．CH3CH2OH
C．CH3OCH3 D．CH3OCH2CH3
解析：4.6 g该有机化合物完全燃烧，生成了0.2 mol CO2和5.4 g H2O，则n(H2O)＝＝0.3 mol，n(H)＝0.6 mol，因m(C)＋m(H)＝0.2 mol×12 g· mol－1＋0.6 mol×1 g· mol－1＝3 g<4.6 g，故有机化合物含有O元素，且m(O)＝4.6 g－3 g＝1.6 g，故n(O)＝＝0.1 mol，n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.2 mol∶0.6 mol∶0.1 mol＝2∶6∶1，即该有机化合物的实验式为C2H6O，由质谱图可知相对分子质量为46，则有机化合物的分子式为C2H6O，因核磁共振氢谱中含3种H原子，3种H原子数目之比为1∶2∶3。
综合强化
6．(2024·陕西西安高二期末)麻黄素有平喘的作用，我国药物学家从中药麻黄中提取麻黄素作为平喘药。某实验兴趣小组用李比希法、现代仪器等测定麻黄素的分子式，测得含C、H、O、N四种元素中的若干种，其中含氮元素质量分数为8.48%；同时将5.0 g 麻黄素完全燃烧可得13.335 g CO2和4.09 g H2O，据此可判断麻黄素的分子式为( C )
A．C2H3NO B．C10H15N2
C．C10H15NO D．C15H15N2O
解析：5.0 g麻黄素中含氮元素质量分数为8.48%，含N质量为5.0 g×8.48%＝0.424 g，含N原子的物质的量为≈0.03 mol；完全燃烧可得13.335 g CO2，其物质的量为≈0.30 mol，即C原子为0.30 mol，碳元素的质量为0.30 mol×12 g· mol－1＝3.6 g；4.09 g H2O的物质的量为≈0.227 mol，即H原子的物质的量为0.45 mol，氢元素的质量为0.45 g；则含有氧元素的质量为5.0 g－3.6 g－0.45 g－0.424 g＝0.526 g，则含O原子的物质的量约为0.03 mol，则C、H、N、O原子数目比为0.3∶0.45∶0.03∶0.03＝10∶15∶1∶1，则麻黄素的分子式为C10H15NO。
7．下列说法中正确的是( D )
A．的核磁共振氢谱中有7组 吸收峰
B．红外光谱图只能确定有机化合物中所含官能团的种类和数目
C．质谱法不能用于相对分子质量的测定
D．核磁共振氢谱、红外光谱和X射线衍射都可用于分析有机化合物的结构
解析：有机化合物分子中有3种不同化学环境的氢原子，在核磁共振氢谱中有3组吸收峰，故A错误；红外光谱能确定官能团的种类，不能确定其数目，故B错误；质谱图中，用最大质荷比可确定有机化合物的相对分子质量，故C错误；核磁共振氢谱、红外光谱和X射线衍射都可用于分析有机化合物的结构，故D正确。
8．根据研究有机化合物的步骤和方法填空：
(1)测得A的蒸气密度是相同状况下甲烷的4.375倍。则A的相对分子质量为_70__。
(2)将5.6 g A在足量氧气中燃烧，并将产物依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重7.2 g和17.6 g。则A的实验式为_CH2__；A的分子式为_C5H10__。
(3)将A通入溴水，溴水褪色，说明A属于_烯烃__。
(4)A的核磁共振氢谱如下：
综上所述，A的结构简式为 。
解析：(1)根据题意可知，该有机化合物的相对分子质量为16×4.375＝70。
(2)由A的燃烧产物知，5.6 g A含m(C)＝17.6 g×＝4.8 g，m(H)＝7.2 g×＝0.8 g，则可确定该有机化合物只含碳、氢两种元素，其实验式为CH2。设其分子式为(CH2)n，则12n＋2n＝70，n＝5，则A的分子式为C5H10。
(3)A的分子式为C5H10，且A能使溴水褪色，则A为烯烃。
(4)该有机化合物的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＝CH2符合题意。
9．某研究性学习小组为确定某蜡状有机化合物A的结构和性质，他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。请你参与过程探究。
Ⅰ.实验式的确定
(1)取样品A进行燃烧法测定，发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0.125 mol CO2和0.15 mol H2O。据此得出的结论是_分子中n(C)∶n(H)＝5∶12，分子式为C5H12Ox(x＝0,1，2…)__。
(2)另一实验中，取3.4 g蜡状有机化合物A在3.36 L(标准状况下，下同)氧气中完全燃烧，两者均恰好完全反应，生成2.8 L CO2和液态水。
由此得出的实验式是_C5H12O4__。
Ⅱ.结构式的确定(经测定A的相对分子质量为136)
(3)取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明A分子中含有_羟基__。
(4)进行核磁共振，发现只有两个特征峰，且面积比为2∶1，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。图谱如下：
则A的结构简式为_C(CH2OH)4__。
解析：(1)根据C、H原子守恒可以知道分子中n(C)∶n(H)＝0.125 mol∶(0.15 mol×2)＝5∶12，可能含有O元素，实验式为C5H12Ox(x＝0,1，2…)。
(2)生成二氧化碳为＝0.125 mol，则生成水为0.15 mol,3.4 g有机化合物中氧元素质量为3.4 g－0.125 mol×12 g· mol－1－0.15 mol×2×1 g· mol－1＝1.6 g，则氧原子物质的量为＝0.1 mol，则分子中n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.125 mol∶(0.15 mol×2)∶0.1 mol，故最简式为C5H12O4。
(3)经测定A的相对分子质量为136，且最简式中H原子已经饱和碳原子，故最简式即为分子式，可以知道分子式为C5H12O4，取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明含有羟基。
(4)进行核磁共振发现只有两个特征峰，且面积比为2∶1，说明含有两种H原子，两种H原子数目分别为8、4，由红外光谱图可以知道，分子中含有O—H、C—O、C—H基团，该有机化合物结构简式为C(CH2OH)4。
10．(1)根据核磁共振氢谱图可以确定有机化合物分子中氢原子的种类和数目之比。例如，乙醚的结构式为，其核磁共振氢谱中有2组吸收峰(如图)。
CH3CH2OCH2CH3的核磁共振氢谱
①下列分子中，其核磁共振氢谱中只有一组峰的物质是_AD__(填字母)。
A．CH3—CH3 B．CH3COOH
C．CH3COOCH3 D．CH3COCH3
②化合物A和B的分子式都是C2H4Br2，A的核磁共振氢谱如图所示，则A的结构简式为_BrCH2CH2Br__，请预测B的核磁共振氢谱上有_2__组峰。
A的核磁共振氢谱
③用核磁共振氢谱来研究C2H6O的结构，请简要说明根据核磁共振氢谱的结果来确定C2H6O分子结构的方法是_其核磁共振氢谱中有3组峰时，分子结构为CH3CH2OH，有1组峰时，分子结构为CH3—O—CH3__。
(2)有机化合物C常用于食品行业。已知9.0 g C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。C分子的质谱图如图所示。
①C能与NaHCO3溶液发生反应，C一定含有的官能团名称是_羧基__。
②C分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则C的结构简式是 。
解析：(1)①核磁共振氢谱中只有1组峰，说明该分子中的H原子都是等效的，只有1种等效H原子，CH3—CH3中6个H原子都是等效的，核磁共振氢谱中只有一组峰，故A符合题意；CH3COOH中甲基中的H原子与羧基中的H原子所处化学环境不同，CH3COOH有2种等效H原子，核磁共振氢谱中有2组峰，故B不符合题意；CH3COOCH3中甲基所处化学环境不同，甲基H原子不同，有2种等效H原子，核磁共振氢谱中有2组峰，故C不符合题意；CH3COCH3中2个甲基连在同一个羰基上，6个H原子都是等效的，核磁共振氢谱中只有一组峰，故D符合题意。②由A的核磁共振氢谱可知，分子中只有一种等效H原子，A分子中2个Br原子连接不同的碳原子，故A的结构简式为BrCH2CH2Br，B与A互为同分异构体，B分子中2个Br原子连接在同一碳原子上，B为CH3CHBr2，分子中有2种等效H原子，故核磁共振氢谱图有2组峰。③若核磁共振氢谱中有3组峰时，分子结构为CH3CH2OH；若核磁共振氢谱中有1组峰时，分子结构为CH3—O—CH3。(2)①由C分子的质谱图可知，C的相对分子质量为90,9.0 g C的物质的量为＝0.1 mol，燃烧生成二氧化碳为＝0.3 mol，生成水为＝0.3 mol，则1个有机化合物分子中N(C)＝＝3、N(H)＝＝6，则一个分子中N(O)＝＝3，故有机化合物C的分子式为C3H6O3；C能与NaHCO3溶液发生反应，则C一定含有羧基；②有机化合物C的分子式为C3H6O3，含有羧基，C分子的核磁共振氢谱有4组峰，说明含有4种等效H原子，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则4种等效H原子数目分别为1、1、1、3，则其结构简式为CH3CH(OH)COOH。
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