2017-2018学年高一化学苏教版选修五教学案：专题1第二单元　科学家怎样研究有机物Word版含答案

1．某有机物在O2中完全燃烧生成CO2和H2O，你能确定该有机物中含有哪些元素吗？
提示：该有机物中一定含有碳、氢两种元素，可能含有氧元素。
2．C2H6O是否存在同分异构体？若存在，写出其结构简式。
提示：C2H6O存在同分异构体，分别为CH3CH2OH和CH3OCH3。
3．什么是官能团？你能写出羟基、醛基、羧基、氨基的结构简式吗？
提示：决定有机物化学性质的原子或基团称为官能团。羟基、醛基、羧基、氨基的结构简式分别为—OH、—CHO、—COOH、—NH2。
[新知探究]
探究　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。
探究　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。
[必记结论]
1．最简式
最简式又称实验式，是表明有机化合物所含各元素原子个数的最简整数比的式子。
2．李比希燃烧确定元素组成法
有机化合物水＋二氧化碳测定出水和CO2的质量；由原有机化合物的质量―→确定有机化合物中碳、氢的质量分数。
模拟图如下：
说明：实验中的CuO能确保有机物充分氧化，最终生成CO2和H2O。
3．确定元素组成的其他方法
(1)燃烧法：
有机物完全燃烧，各元素分别转化为以下物质：
C―→CO2　H―→H2O　N―→N2　Cl―→HCl
(2)钠融法：
①应用：用钠融法可定性确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。
②方法：

(3)铜丝燃烧法：
将一根铜丝加热至红热，蘸上有机试样，放在火焰上灼烧，如存在卤素，火焰为绿色。用铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤族元素。
[成功体验]
1．为测定一种气态烃的化学式，取一定量的A置于密闭容器中燃烧，定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气。学生甲、乙设计了如下两个方案，均认为根据自己的方案能求出A的最简式。他们测得的有关数据如下(图中的箭头表示气体的流向，实验前系统内的空气已排除)：
甲方案：
燃烧产物增重增重生成CO2
　　　　　　2.52 g　　1.32 g 　1.76 g
乙方案：
燃烧产物增重减轻增重
　　　　　　　5.6 g　　　 　0.64 g　　　4 g
试回答：
(1)根据两方案，你认为能否求出A的最简式(填“能”或“不能”)?
甲方案：________；乙方案：________。
(2)根据你选出的方案，求出A的最简式(实验式)为
___________________________________。
(3)若要确定A的化学式，是否还需要测定其他数据？如果需要，应该测定哪些数据？
__________________________________。
解析：(1)乙方案中将燃烧产物通过碱石灰时，二氧化碳和水蒸气都被吸收，不能求出碳氢元素的物质的量之比，所以不能求出A的最简式。
(2)甲方案中将燃烧产物先通过浓硫酸，水蒸气被吸收，通过碱石灰时，二氧化碳被吸收，点燃时CO反应生成二氧化碳，可以求出碳氢元素的物质的量之比，所以能求出A的最简式。氢元素的物质的量为：
n(H)＝×2＝0.28 mol，
碳元素的物质的量为：
n(C)＝＝0.07 mol，
n(C)∶n(H)＝0.07∶0.28＝1∶4，
所以A的最简式为CH4。
答案：(1)能　不能
(2)最简式为CH4
(3)还需要测定相对分子质量
[新知探究]
探究　甲醚和乙醇的分子式都是C2H6O，用1H核磁共振谱为什么能区分二者？
提示：甲醚(CH3OCH3)分子中的6个氢原子处于相同的化学环境，在1H核磁共振谱上只有一组峰，而乙醇(CH3CH2OH)分子中存在3种不同化学环境的氢原子，在1H核磁共振谱上有3组峰。
探究　C3H8(丙烷)的1H核磁共振谱中有几组特征峰？其面积之比为多少？
提示：C3H8的1H核磁共振谱中有2组特征峰，其面积之比是1∶3。
探究　能快速、微量、精确的测定有机物相对分子质量的物理方法是什么？
提示：质谱法。
[必记结论]
1．基团理论
有机物中的“基团”包含两类，一类是烃基，另一类是官能团。人们研究有机化合物时首先研究其所具有的基团，如甲基(—CH3)、羟基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)、氨基(—NH2)、烃基(—R)。
2．有机物结构的测定
(1)红外光谱法(IR)：
①作用：初步判断该有机物中具有哪些基团。
②原理：用红外线照射有机物分子时，分子中的基团发生振动吸收，不同的基团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。
③红外光谱图：
横坐标表示波长(或波数)，即吸收峰的位置，纵坐标表示吸收强度。如分子式为C4H8O2的化合物，红外光谱如图所示：
根据谱值可判断官能团的种类，此化合物的结构简式为。
(2)1H核磁共振谱法(1H—NMR)：
①作用：测定有机物分子中等效氢原子(氢原子处于相同的化学环境中)的类型和数目。
②原理：用电磁波照射氢原子核时，不同化学环境(即其附近的基团)的氢原子通过共振吸收电磁波的频率不同，在1H核磁共振谱图上出现的位置也不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
③1H核磁共振谱图：
横坐标表示化学位移，即吸收峰的位置，纵坐标表示吸收强度，其中吸收峰数目＝氢原子种类，吸收峰面积比＝氢原子数目比。
如分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图如下：
分析谱图知，图1只有一组峰，只有一种氢原子，则结构简式为CH3OCH3；图2有三组峰，有三种氢原子，则结构简式为CH3CH2OH。
3．质谱法
(1)作用：测定有机物分子的相对分子质量。
(2)原理：用高能电子流轰击样品，使分子失去电子变成带正电荷的碎片，在磁场的作用下，由于碎片的相对质量不同，它们到达检测器的时间也先后不同，其结果被记录为质谱图。
(3)质谱图：
横坐标表示碎片的质荷比，纵坐标表示碎片的相对丰度，峰上的数据表示碎片的相对质量。分子离子的相对质量越大，质荷比就越大，到达检测器需要的时间就越长，因此质谱图中最右边的峰表示的就是样品的相对分子质量。
如图所示，甲苯的相对分子质量为92。
4．手性分子
(1)手性分子的定义：两种分子式相同的有机分子，其空间结构互为镜像，且不能完全重叠，其关系正和左、右手的关系相似，现在普遍地称这类分子为手性分子。例如乳酸CH3CHCOOHOH，它可以写出结构式(ⅰ)和(ⅱ)，(ⅰ)和(ⅱ)与左、右手一样具有实体和镜像的关系，因此乳酸是一个手性分子。
(2)手性碳原子：手性分子中具有与4个不同原子(或原子团)相连接的碳原子称为手性碳原子，如丙氨酸分子中的手性碳原子。
[成功体验]
2．下图是某有机物的1H核磁共振谱图，则该有机物可能是(　　)
A．CH3CH2OH　　　　　　　B．CH3CH2CH2OH
C．CH3OCH3 D．CH3CHO
解析：选C　从谱图看，只存在一组峰，C项中两个甲基上的6个氢原子是等效的，与图符合。A项峰应为3∶2∶1；B项峰为3∶2∶2∶1；D项峰为3∶1。
[新知探究]
探究　氯气在光照或加热条件下形成的氯自由基是什么？
提示：氯自由基就是氯原子，氯原子易得电子，性质很活泼。
探究　甲烷和氯气在光照条件下得到的产物有哪些？
提示：反应产物有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。
探究　CH3CH2OH和 在浓硫酸作用下反应一段时间后，能够检测出18O的物质有哪些？
提示：根据酯化反应的实质可知，酸和醇酯化反应的机理是酸脱羟基、醇脱氢，所以能够检测出18O的物质是 和HO和HO。
[必记结论]
1．甲烷与氯气取代反应的反应机理
(1)反应机理：自由基型链反应

(2)反应产物：共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。
2．同位素示踪法研究酯的水解反应
(1)方法：将乙酸乙酯与HO在H2SO4催化下加热水解，检测 18O的分布情况，判断酯水解时的断键情况。
(2)反应机理：
由此可以判断，酯在水解过程中断开的是酯中的①键，水中的—18OH连接在①键上。
[成功体验]
3．已知在水溶液中存在平衡：
与CH3CH2OH发生酯化反应时，不可能生成的是(　　)
A． B．
C．H2O D．
解析：选B　溶液中存在，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。
———————————————[关键语句小结]————————————————
1．有机物中通常含有碳和氢两种元素，若将其完全燃烧，碳元素则生成CO2，氢元素则生成H2O，由此可以求出有机物中碳、氢的质量分数。
2．常见的基团：羟基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)、氨基(—NH2)、烃基(—R)。
3．1H核磁共振谱图中的峰代表有机物不同种类的氢原子。红外光谱可以读出有机物中含有的基团。
4．手性分子即含有手性碳的分子，手性碳是指某个碳原子连接的四个原子或原子团各不相同。
5．同位素示踪法可以研究出有机化学反应的历程(机理)。
1．有机物组成元素的推断
一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为C、H或C、H、O。
欲判断该有机物是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将碳、氢的质量之和与原来有机物质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧元素；否则，原有机物的组成中含有氧元素。
2．确定分子式的方法
(1)直接法：
有机物的密度(或相对密度)―→摩尔质量―→1 mol有机物中各原子的物质的量―→分子式。
(2)最简式法：
各元素的质量分数―→最简式分子式。
(3)余数法：
用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。
＝＝A……
其中商数A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯、苯的同系物等)。
(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，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：
CxHy＋O2xCO2＋H2O
CxHyOz＋O2xCO2＋H2O
[例1]　某仅由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，经测定其相对分子质量为90。取有机物样品1.8 g，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重1.08 g和2.64 g。试求该有机物的分子式。
解析：已知m(H)＝1.08 g÷18 g·mol－1×2×1 g·mol－1＝0.12 g，
m(C)＝2.64 g÷44 g·mol－1×12 g·mol－1＝0.72 g，
m(O)＝1.8 g－0.12 g－0.72 g＝0.96 g；
n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.72/12∶0.12/1∶0.96/16＝1∶2∶1，则其实验式为CH2O；
可设分子式为(CH2O)n，则有30n＝90，解之得：n＝3，故分子式为C3H6O3。
答案：C3H6O3
有机物分子式确定的解题流程
1．实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%、含氢20%，又测得该化合物的相对分子质量是30，你能确定该化合物的分子式吗？
答案：化合物中N(C)∶N(H)＝∶＝1∶3，该化合物的实验式为CH3，设其化学式为(CH3)n，则15n＝30，n＝2，该化合物的分子式为C2H6。
[例2]　某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为72.0%、含氢为6.67%，其余为氧。现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。
方法一：用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。
方法二：核磁共振仪测出A的1H核磁共振谱有5组峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3，如图A所示。
方法三：利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图B所示。
请填空：
(1)A的分子式为________。
(2)一个A分子中含一个甲基的依据是________。
a．A的相对分子质量
b．A的分子式
c．A的1H核磁共振谱图
d．A分子的红外光谱图
(3)A的结构简式为_________________。
解析：(1)由题意知，有机物A中O的质量分数为1－72.0%－6.67%＝21.33%，Mr(A)＝150得N(C)＝＝9，N(H)＝≈10，N(O)＝≈2，则A的分子式为C9H10O2。
(2)由分子式知A中含有10个H，1H核磁共振谱中有5组峰，说明A中有5种氢，峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3，则A中5种H的个数比为1∶2∶2∶2∶3，由于3个H相同的只有一种即有一个CH3。
(3)A中含苯环结构，且苯环与C原子相连形成的结构，含和C—O，可联想(酯基) ，含CC和CH，可知含烷烃基，综合可知A的结构简式为。
答案：(1)C9H10O2　(2)b、c
(3)
有机物分子结构的确定——物理方法(波谱法)
化学方法以官能团的特征反应为基础，鉴定出官能团，进一步确认其结构。但当化合物结构比较复杂时，该法就比较费时，此时我们可以利用物理方法(波谱法)来确定有机物的结构。
①质谱——可快速、准确测定有机物的相对分子质量。
②红外光谱——可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
③核磁共振氢谱——可推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目之比。
2．已知某有机物A的红外光谱和 1H核磁共振谱图如图所示，下列说法中不正确的是(　　)
A．由红外光谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键
B．由1H核磁共振谱图可知，该有机物分子中有三种不同的氢原子
C．仅由其1H核磁共振谱图无法得知其分子中的氢原子总数
D．若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3OCH3
解析：选D　由图可知，红外光谱显示该有机物含有C—H、O—H和C—O三种不同的化学键。在1H核磁共振谱图中有三组峰，所以分子中有三种不同的氢原子，由1H核磁共振谱可知道分子中的氢原子种类及数目之比，但无法得知其分子中的氢原子总数。D项，若A为CH3OCH3，则在1H核磁共振谱图中应只有一组峰，所以A应为CH3CH2OH。
1．某有机物完全燃烧后生成CO2、H2O和SO2，该化合物可能不含有的元素是(　　)
A. C　　　　B. H　　　　C. O　　　　D. S
解析：选C　由生成物可知该有机物中一定含有C、H、S元素，无法判断是否含有氧元素。
2．能够测出有机化合物分子中所处不同化学环境里的氢原子的仪器是(　　)
A．核磁共振仪 B．红外光谱仪
C．紫外光谱仪 D．质谱仪
解析：选A　核磁共振仪的作用是测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目。
3．借助先进的实验仪器和方法，可用于测定有机物的分子结构和有机化学反应历程，下列实验方法主要用于测定有机化学反应历程的是(　　)
A．同位素示踪法 B．核磁共振法
C．红外光谱法 D．李比希法
答案：A
4．某有机物的1H核磁共振谱图如下，该物质可能是(　　)
A．乙酸 B．苯
C．丙醇 D．乙酸乙酯
解析：选D　该有机物有3种氢原子且个数比为3∶3∶2。
5．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”。
(1)李比希法可以测定有机化合物中碳、氢元素质量分数(　　)
(2)钠融法可定性确定有机物中是否存在卤素(　　)
(3)元素分析仪可同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析(　　)
(4)常见含氧官能团有羟基、醛基、羧基和氨基(　　)
(5)1H核磁共振谱可以测定有机化合物中氢原子的个数(　　)
(6)乙酸和乙醇发生酯化反应的机理是酸脱羟基醇脱羟基氢(　　)
(7)同位素示踪法是经常使用的研究化学历程的手段之一(　　)
答案：(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√　(7)√
1．利用红外光谱对有机化合物分子进行测试并记录，可以初步判断该有机物分子拥有的(　　)
A．同分异构体数　　 　 　B．原子个数
C．基团种类 D．共价键种类
解析：选C　红外光谱的作用是初步判断该有机物中具有哪些基团。有机物中的“基团”包含两类，一类是烃基，另一类是官能团。
2．[双选]1838年李比希提出了“基”的定义，从此，有机化学中“基”的概念就确定了，下列有机基团的表达式正确的是(　　)
A．羟基—OH－ B．醛基—COH
C．羧基—COOH D．甲基—CH3
解析：选CD　A项羟基为—OH；B项醛基为—CHO。
3．要证明有机物中是否存在卤素，最方便的方法是(　　)
A．钠熔法 B．铜丝燃烧法
C．核磁共振法 D．红外光谱法
解析：选B　A、B均能确定有机物中是否含有卤素，相比钠熔法，铜丝燃烧法更方便。
4．若乙酸分子中的氧都是 18O，乙醇分子中的氧都是16O，二者在浓硫酸作用下加热发生反应，一段时间后，分子中含有 18O的物质有(　　)
A．1种　　　B．2种　　　C．3种　　　D．4种
解析：选C　由故生成的酯、水中均含有 18O，此反应为可逆反应，乙酸本身也含有 18O。
5．下列有机物在1H—NMR上只给出一组峰的是(　　)
A．HCHO B．CH3OH
C．HCOOH D．CH3COOCH3
解析：选A　B中甲醇在1H核磁共振谱中出现2组峰，峰强度之比为3∶1，C中甲酸在1H核磁共振谱中出现2组峰，峰强度之比为1∶1，D中乙酸甲酯1H核磁共振谱中出现2组峰，峰强度之比为1∶1。
6．2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机物分子进行结构分析的质谱法。其方法是让极少量(10－9g)的化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离子化后可得到C2H、C2H、C2H……，然后测定其质荷比。设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如下图所示(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 B．甲烷 C．丙烷 D．乙烯
解析：选B　谱图中的质荷比最大的就是该有机物的相对分子质量，故该有机物的相对分子质量为16，即为甲烷。
7．某含C、H、O三种元素的未知物A经元素分析仪测定，该未知物中含碳、氢的质量分数分别为52.16%、13.14%。则该有机物的分子式为(　　)
A．C2H6 B．C2H6O C．C6H6O D．C2H6O2
解析：选B　未知物A中C、H、O的原子个数比为∶∶＝2∶6∶1。未知物A的实验式为C2H6O，因其中氢原子数已达饱和，该实验式即为未知物A的分子式。
8．某有机物C3H6O2的1H核磁共振谱中有两组共振峰，面积比为1∶1，该有机物的结构简式是(　　)
解析：选B　A中有3组峰，面积比为3∶2∶1；C中有4组峰，面积比为3∶1∶1∶1；D中有3组峰，面积比为3∶2∶1。
9．在1H核磁共振谱中出现两组峰，其氢原子数之比为3∶2的化合物是(　　)
解析：选D　据1H核磁共振谱中出现两组峰的情况分析，A中氢原子数之比为3∶1；B、C两项中出现的都是三组峰；D对。
10．下列分子中指定的碳原子(用*标记)不属于手性碳原子的是(　　)
解析：选A　手性碳原子的特点是其所连接的四个原子或原子团各不相同。A项中的碳原子连接两个氢原子，不是手性碳原子。
11.某含氧有机物中含碳的质量分数为64.86%，含氢的质量分数为13.5%，该有机物的实验式是________，结合该有机物的质谱图，该有机物的相对分子质量为：____________，分子式为：____________。
解析：氧的质量分数为：1－64.86%－13.5%＝21.64%，N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝4∶10∶1，则实验式为：C4H10O。从质谱图读出74为最大值，即该有机物的相对分子质量为74，对比实验式的相对分子质量，刚好也为74，所以实验式即为分子式。
答案：C4H10O　74　C4H10O
12．仅由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，经测定其相对分子质量为46。取该有机化合物样品4.6 g，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重5.4 g和8.8 g。
(1)试求该有机化合物的分子式____________。
(2)若该有机化合物的1H核磁共振谱图如下图所示，请写出该有机化合物的结构简式__________________________。
解析：(1)该有机物的物质的量为：4.6 g÷46 g·mol－1＝0.1 mol，其中：n(C)＝n(CO2)＝8.8 g÷44 g·mol－1＝0.2 mol，n(H)＝2n(H2O)＝2×(5.4 g÷18 g·mol－1)＝0.6 mol，则该有机物一个分子中含有2个C原子和6个H原子，由此推知其中含O的个数为(46－12×2－6×1)÷16＝1，所以，其分子式为C2H6O。
(2)从该有机化合物的1H核磁共振谱图可以看出，其中只有1组“峰”，即只有一种“H”，因此，其结构简式为CH3OCH3。
答案：(1)C2H6O　(2)CH3OCH3
13．测定有机化合物中碳和氢的组成常用燃烧分析法，下图是德国化学家李比希测定有机物组成的装置，氧化铜作催化剂，在750℃左右使有机物在氧气流中全部氧化为CO2和H2O，用含有固体氢氧化钠和氯化钙的吸收管分别吸收CO2和H2O。
试回答下列问题：
(1)甲装置中盛放的是______，甲、乙中的吸收剂能否颠倒？______，请说明理由：_____________________。
(2)实验开始时，要先通入氧气一会儿，然后再加热，为什么？_________________。
(3)将4.6 g 有机物A进行实验，测得生成5.4 g H2O和8.8 g CO2，则该物质中各元素的原子个数比是________。
(4)经测定，有机物A的核磁共振氢谱示意图如图，则A的结构简式为______________。
解析：(1)NaOH固体不但吸收CO2，也吸收水蒸气，故只能盛放到乙中。
(2)实验前要先通入氧气一会儿，然后再加热。将装置中的空气排尽，否则会因空气中含有二氧化碳和水蒸气而影响测定结果的准确性。
(3)n(C)＝＝0.2 mol，
n(H)＝2×＝0.6 mol，
n(O)＝＝0.1 mol，
即N(C)∶N(H)∶N(O)＝2∶6∶1
(4)根据核磁共振氢谱图可知有3种不同的H原子，且个数比为3∶1∶2，即结构简式为CH3CH2OH(或C2H5OH)。
答案：(1)CaCl2　 不能　 因为氢氧化钠能同时吸收CO2和H2O，从而无法确定生成水和CO2的质量
(2)将装置中的空气排尽，否则会因空气中含有二氧化碳和水蒸气而影响测定结果的准确性
(3)N(C)∶N(H)∶N(O)＝2∶6∶1
(4)CH3CH2OH(或C2H5OH)