《创新方案》第一章 5 聚集突破1 有机化合物分子结构的确定 讲义（教师版）化学选择性必修3人教版
文档属性
| 名称 | 《创新方案》第一章 5 聚集突破1 有机化合物分子结构的确定 讲义（教师版）化学选择性必修3人教版 |
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| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 590.0KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2026-02-07 00:00:00 | ||
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文档简介
eq \o(\s\up7( INCLUDEPICTURE "聚焦突破1LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "聚焦突破1LLL.TIF" \* MERGEFORMAT ),\s\do5( 有机化合物分子结构的确定))
一、有机化合物中氢原子种类的判断与应用
1．等效氢原子
有机化合物中，处于相同化学环境中的氢原子，可认为是等效氢原子。
(1)同一个碳原子上的氢原子等效，如CH4中4个氢原子等效。
(2)同一个碳原子上所连甲基(—CH3)上的氢原子等效，如新戊烷()中12个氢原子等效。
(3)分子中位于对称位置的相同基团上的氢原子等效，如CH3CH2CH2CH3分子中有2种等效氢原子。
2．一元取代物同分异构体的种类数
单官能团有机化合物可看作烃分子中的一个氢原子被其他原子或原子团(官能团)取代的产物，即烃分子中等效氢原子有几种，该烃的一元取代产物就有几种同分异构体。
[知识拓展] 对于二元取代物，可先固定一个取代基的位置，继续分析等效氢的种类，以确定二元取代物的种类数。
【突破集训】
1．(2024·信阳高二月考)下列有机化合物中，核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1的是( )
解析：选C。核磁共振氢谱只出现两组峰，说明只有两种处于不同化学环境的氢原子；峰面积之比为3∶1，说明两种氢原子的个数比为3∶1。A. 中含有三种处于不同化学环境的氢原子，A不符合题意；B.CH3OOCCH2CH3中含有三种处于不同化学环境的氢原子，B不符合题意；C. 中含有两种处于不同化学环境的氢原子，两种氢原子个数比为6∶2＝3∶1，C符合题意；D．中含有两种处于不同化学环境的氢原子，两种氢原子的个数比为6∶4＝3∶2，D不符合题意。
2．下列有机化合物一氯代物的同分异构体数目与其他三种不同的是(不考虑立体异构)( )
解析：选D。A项，有4种等效氢原子，一氯代物有4种；B项，有4种等效氢原子，一氯代物有4种；C项，有4种等效氢原子，一氯代物有4种；D项，有3种等效氢原子，一氯代物有3种。
3．回答下列问题：
(1)已知化合物B3N3H6(硼氮苯，结构如右图所示)与C6H6(苯)的分子结构相似，硼氮苯的一氯代物、二氯代物的同分异构体分别为________、________种。
(2)萘的分子式为C10H8，结构简式可以表示为。萘的一氯代物有________种可能的结构，萘的六氯代物有________种可能的结构。
答案：(1)2 4 (2)2 10
二、确定有机化合物分子式的方法和思维模板
1．确定方法
(1)单位物质的量法
根据有机化合物的摩尔质量(或相对分子质量)和有机化合物中各元素的质量分数，推算出1 mol有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确定分子中各原子的个数，最后确定有机化合物的分子式。
(2)最简式法
根据有机化合物中各元素的质量分数求出分子组成中各元素原子个数之比(最简式)，分子式为最简式的整数倍，利用有机化合物的相对分子质量(Mr)可确定其分子式。
N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝a∶b∶c(最简整数比)，最简式为CaHbOc，分子式为(CaHbOc)n，得n＝。
(3)商余法(适用于烃类分子式的求法)
用烃(CxHy)的相对分子质量除以12，看商和余数，即＝x……y，则分子式为CxHy。在此基础上，由一种烃的分子式求另一可能烃的分子式可采用增减法推断，其规律如下：
(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，常利用有机化合物燃烧的化学方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式：
CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O
CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O
2．思维模板
【突破集训】
4．某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，相对分子质量小于150，若已知氧的质量分数为50%，则分子中碳原子数最多有( )
A．4个 B．5个 C．6个 D．7个
解析：选B。因为150×50%＝75，≈4.69，故氧原子最多为4个，该有机化合物的相对分子质量最大为128，然后依据商余法：＝5……4，故碳原子数最多有5个。
5．有a mL三种气态烃的混合物与足量的氧气混合点燃充分反应后，恢复到原状况(常温常压)，体积共缩小 2a mL。这三种气态烃不可能是( )
A．CH4、C2H4、C3H4 B．C2H6、C3H6、C4H6
C．C2H2、C2H6、C3H8 D．CH4、C2H6、C2H2
解析：选B。设混合烃的平均分子组成为CxHy，在常温常压下完全燃烧的化学方程式如下：
CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O ΔV(减小)
1 x＋ x 1＋
a mL 2a mL
1∶(1＋)＝a mL∶2a mL，解得y＝4，根据“平均值原理”，B项氢原子个数始终是6，B项符合题意。
6．(2024·莱州一中高二月考)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；最后气体通过碱石灰被完全吸收，碱石灰的质量增加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组峰
D．1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应
解析：选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，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；最后气体通过碱石灰被完全吸收，碱石灰的质量增加17.6 g，即n(CO2)＝＝0.4 mol，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该有机化合物中含有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，故n(有机化合物)∶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，故该有机化合物的分子式为C2H6O2，0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g即0.2 mol金属钠完全反应，故1 mol该有机化合物中含有2 mol羟基。该有机化合物的分子式为C2H6O2，相对分子质量是62，A、B正确；该有机化合物的分子式为C2H6O2，且1 mol有机化合物中含有2 mol羟基，结构简式为HOCH2CH2OH，核磁共振氢谱有2组峰，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即0.2 mol金属钠完全反应，故1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应，D正确。
三、有机化合物结构简式的确定方法
1．不饱和度(Ω)
烃分子的不饱和度＝N(C)＋1－，其中N(C)为碳原子数，N(H)为氢原子数。即在链状烷烃基础上缺2个氢原子就多出一个不饱和度，多出的可能形成环或双键等，如的Ω＝1，—C≡C—的Ω＝2，的Ω＝1，的Ω＝1，苯环的Ω＝4。
2．思维流程
【突破集训】
7．为了测定某仅含碳、氢、氧三种元素的有机化合物的结构，同学们进行了如下实验。首先取4.6 g该有机化合物样品，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，二者分别增重5.4 g和8.8 g；然后用质谱仪测定其相对分子质量，经测定得到如图1所示的质谱图；最后用核磁共振仪处理该有机化合物，得到如图2所示的核磁共振氢谱图。
试回答下列问题：
(1)该有机化合物的相对分子质量为________。
(2)该有机化合物的实验式为________。
(3)能否根据该有机化合物的实验式确定其分子式？________(填“能”或“不能”)，原因是________________________________。该有机化合物的分子式为________。
(4)请写出该有机化合物的结构简式：_________________________________
____________________。
解析：本题考查有机化合物分子式及结构简式的确定。
答案：(1)46 (2)C2H6O (3)能 实验式为C2H6O，碳原子已经饱和，所以实验式即为分子式 C2H6O (4)CH3OCH3
8．为确定某蜡状有机化合物A的结构和性质，某研究性学习小组拟用传统实验与现代技术相结合的方法进行探究。
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2.7 g H2O。据此得出的结论是
______________________________________________________。
(2)另一实验中，取3.4 g蜡状A在3.36 L(标准状况下)氧气中完全燃烧，二者均恰好完全反应，生成标准状况下2.8 L CO2和液态水。通过计算确定A的实验式是__________。
Ⅱ.结构式的确定(经测定A的相对分子质量不超过140)
(3)取少量样品熔化，加入金属钠有氢气放出，说明A分子中含有________(填官能团名称)。
(4)核磁共振氢谱显示只有两组吸收峰，且峰面积之比为2∶1，红外光谱如下图所示，A的结构简式为________________。
解析：(1)燃烧产物只有CO2和H2O，说明样品中一定含有C、H元素，可能含有O元素。n(C)＝n(CO2)＝0.125 mol，n(H)＝n(H2O)×2＝×2＝0.3 mol，故N(C)∶N(H)＝n(C)∶n(H)＝0.125 mol∶0.3 mol＝5∶12。(2)n(CO2)＝＝0.125 mol，与(1)中CO2等量，说明燃烧生成的n(H2O)＝0.15 mol，3.4 g A中n(O)＝
＝0.1 mol，该分子中N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.125 mol∶0.3 mol∶0.1 mol＝5∶12∶4，A的实验式是C5H12O4。(3)设A的分子式为(C5H12O4)n，则Mr＝136n＜140，仅n＝1合理，故A的分子式为C5H12O4。A与金属Na反应放出H2，说明A分子中含有羟基(A分子中氢原子数已饱和，不可能有羧基)。(4)A的核磁共振氢谱图中只有两组吸收峰，且峰面积之比为2∶1，说明A分子中有两种处于不同化学环境的氢原子且数目之比为2∶1；红外光谱图说明A分子中有C—H、O—H、C—O，由此可推断出A的结构简式为。
答案：(1)该有机化合物中一定含有碳、氢元素，可能含有氧元素，且分子中N(C)∶N(H)＝5∶12
(2)C5H12O4 (3)羟基
(4)
一、有机化合物中氢原子种类的判断与应用
1．等效氢原子
有机化合物中，处于相同化学环境中的氢原子，可认为是等效氢原子。
(1)同一个碳原子上的氢原子等效，如CH4中4个氢原子等效。
(2)同一个碳原子上所连甲基(—CH3)上的氢原子等效，如新戊烷()中12个氢原子等效。
(3)分子中位于对称位置的相同基团上的氢原子等效，如CH3CH2CH2CH3分子中有2种等效氢原子。
2．一元取代物同分异构体的种类数
单官能团有机化合物可看作烃分子中的一个氢原子被其他原子或原子团(官能团)取代的产物，即烃分子中等效氢原子有几种，该烃的一元取代产物就有几种同分异构体。
[知识拓展] 对于二元取代物，可先固定一个取代基的位置，继续分析等效氢的种类，以确定二元取代物的种类数。
【突破集训】
1．(2024·信阳高二月考)下列有机化合物中，核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1的是( )
解析：选C。核磁共振氢谱只出现两组峰，说明只有两种处于不同化学环境的氢原子；峰面积之比为3∶1，说明两种氢原子的个数比为3∶1。A. 中含有三种处于不同化学环境的氢原子，A不符合题意；B.CH3OOCCH2CH3中含有三种处于不同化学环境的氢原子，B不符合题意；C. 中含有两种处于不同化学环境的氢原子，两种氢原子个数比为6∶2＝3∶1，C符合题意；D．中含有两种处于不同化学环境的氢原子，两种氢原子的个数比为6∶4＝3∶2，D不符合题意。
2．下列有机化合物一氯代物的同分异构体数目与其他三种不同的是(不考虑立体异构)( )
解析：选D。A项，有4种等效氢原子，一氯代物有4种；B项，有4种等效氢原子，一氯代物有4种；C项，有4种等效氢原子，一氯代物有4种；D项，有3种等效氢原子，一氯代物有3种。
3．回答下列问题：
(1)已知化合物B3N3H6(硼氮苯，结构如右图所示)与C6H6(苯)的分子结构相似，硼氮苯的一氯代物、二氯代物的同分异构体分别为________、________种。
(2)萘的分子式为C10H8，结构简式可以表示为。萘的一氯代物有________种可能的结构，萘的六氯代物有________种可能的结构。
答案：(1)2 4 (2)2 10
二、确定有机化合物分子式的方法和思维模板
1．确定方法
(1)单位物质的量法
根据有机化合物的摩尔质量(或相对分子质量)和有机化合物中各元素的质量分数，推算出1 mol有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确定分子中各原子的个数，最后确定有机化合物的分子式。
(2)最简式法
根据有机化合物中各元素的质量分数求出分子组成中各元素原子个数之比(最简式)，分子式为最简式的整数倍，利用有机化合物的相对分子质量(Mr)可确定其分子式。
N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝a∶b∶c(最简整数比)，最简式为CaHbOc，分子式为(CaHbOc)n，得n＝。
(3)商余法(适用于烃类分子式的求法)
用烃(CxHy)的相对分子质量除以12，看商和余数，即＝x……y，则分子式为CxHy。在此基础上，由一种烃的分子式求另一可能烃的分子式可采用增减法推断，其规律如下：
(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，常利用有机化合物燃烧的化学方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式：
CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O
CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O
2．思维模板
【突破集训】
4．某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，相对分子质量小于150，若已知氧的质量分数为50%，则分子中碳原子数最多有( )
A．4个 B．5个 C．6个 D．7个
解析：选B。因为150×50%＝75，≈4.69，故氧原子最多为4个，该有机化合物的相对分子质量最大为128，然后依据商余法：＝5……4，故碳原子数最多有5个。
5．有a mL三种气态烃的混合物与足量的氧气混合点燃充分反应后，恢复到原状况(常温常压)，体积共缩小 2a mL。这三种气态烃不可能是( )
A．CH4、C2H4、C3H4 B．C2H6、C3H6、C4H6
C．C2H2、C2H6、C3H8 D．CH4、C2H6、C2H2
解析：选B。设混合烃的平均分子组成为CxHy，在常温常压下完全燃烧的化学方程式如下：
CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O ΔV(减小)
1 x＋ x 1＋
a mL 2a mL
1∶(1＋)＝a mL∶2a mL，解得y＝4，根据“平均值原理”，B项氢原子个数始终是6，B项符合题意。
6．(2024·莱州一中高二月考)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；最后气体通过碱石灰被完全吸收，碱石灰的质量增加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组峰
D．1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应
解析：选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，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；最后气体通过碱石灰被完全吸收，碱石灰的质量增加17.6 g，即n(CO2)＝＝0.4 mol，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该有机化合物中含有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，故n(有机化合物)∶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，故该有机化合物的分子式为C2H6O2，0.1 mol该有机化合物恰好与4.6 g即0.2 mol金属钠完全反应，故1 mol该有机化合物中含有2 mol羟基。该有机化合物的分子式为C2H6O2，相对分子质量是62，A、B正确；该有机化合物的分子式为C2H6O2，且1 mol有机化合物中含有2 mol羟基，结构简式为HOCH2CH2OH，核磁共振氢谱有2组峰，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即0.2 mol金属钠完全反应，故1 mol该有机化合物最多能与2 mol Na反应，D正确。
三、有机化合物结构简式的确定方法
1．不饱和度(Ω)
烃分子的不饱和度＝N(C)＋1－，其中N(C)为碳原子数，N(H)为氢原子数。即在链状烷烃基础上缺2个氢原子就多出一个不饱和度，多出的可能形成环或双键等，如的Ω＝1，—C≡C—的Ω＝2，的Ω＝1，的Ω＝1，苯环的Ω＝4。
2．思维流程
【突破集训】
7．为了测定某仅含碳、氢、氧三种元素的有机化合物的结构，同学们进行了如下实验。首先取4.6 g该有机化合物样品，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，二者分别增重5.4 g和8.8 g；然后用质谱仪测定其相对分子质量，经测定得到如图1所示的质谱图；最后用核磁共振仪处理该有机化合物，得到如图2所示的核磁共振氢谱图。
试回答下列问题：
(1)该有机化合物的相对分子质量为________。
(2)该有机化合物的实验式为________。
(3)能否根据该有机化合物的实验式确定其分子式？________(填“能”或“不能”)，原因是________________________________。该有机化合物的分子式为________。
(4)请写出该有机化合物的结构简式：_________________________________
____________________。
解析：本题考查有机化合物分子式及结构简式的确定。
答案：(1)46 (2)C2H6O (3)能 实验式为C2H6O，碳原子已经饱和，所以实验式即为分子式 C2H6O (4)CH3OCH3
8．为确定某蜡状有机化合物A的结构和性质，某研究性学习小组拟用传统实验与现代技术相结合的方法进行探究。
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2.7 g H2O。据此得出的结论是
______________________________________________________。
(2)另一实验中，取3.4 g蜡状A在3.36 L(标准状况下)氧气中完全燃烧，二者均恰好完全反应，生成标准状况下2.8 L CO2和液态水。通过计算确定A的实验式是__________。
Ⅱ.结构式的确定(经测定A的相对分子质量不超过140)
(3)取少量样品熔化，加入金属钠有氢气放出，说明A分子中含有________(填官能团名称)。
(4)核磁共振氢谱显示只有两组吸收峰，且峰面积之比为2∶1，红外光谱如下图所示，A的结构简式为________________。
解析：(1)燃烧产物只有CO2和H2O，说明样品中一定含有C、H元素，可能含有O元素。n(C)＝n(CO2)＝0.125 mol，n(H)＝n(H2O)×2＝×2＝0.3 mol，故N(C)∶N(H)＝n(C)∶n(H)＝0.125 mol∶0.3 mol＝5∶12。(2)n(CO2)＝＝0.125 mol，与(1)中CO2等量，说明燃烧生成的n(H2O)＝0.15 mol，3.4 g A中n(O)＝
＝0.1 mol，该分子中N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.125 mol∶0.3 mol∶0.1 mol＝5∶12∶4，A的实验式是C5H12O4。(3)设A的分子式为(C5H12O4)n，则Mr＝136n＜140，仅n＝1合理，故A的分子式为C5H12O4。A与金属Na反应放出H2，说明A分子中含有羟基(A分子中氢原子数已饱和，不可能有羧基)。(4)A的核磁共振氢谱图中只有两组吸收峰，且峰面积之比为2∶1，说明A分子中有两种处于不同化学环境的氢原子且数目之比为2∶1；红外光谱图说明A分子中有C—H、O—H、C—O，由此可推断出A的结构简式为。
答案：(1)该有机化合物中一定含有碳、氢元素，可能含有氧元素，且分子中N(C)∶N(H)＝5∶12
(2)C5H12O4 (3)羟基
(4)