(共28张PPT)
第4节
研究有机化合物的
一般步骤和方法(2)
第一章
认识有机化合物
[知识回顾]
1、研究有机化合物的一般步骤是？
2、常见的分离提纯方法有？
[回顾练习]
1、欲用96%的工业酒精制取无水乙醇时，可选用的
方法是（
）
A.加入无水CuSO4，再过滤
B.加入生石灰，再蒸馏
C.加入浓硫酸，再加热，蒸出乙醇
D.将96%的乙醇溶液直接加热蒸馏出苯
B
2、天然色素的提取往往应用到萃取操作，现在有用大量水提取的天然色素，下列溶剂不能用来萃取富集这些天然色素的是（
）
A．石油醚
B．丙酮
C．乙醇
D．乙醚
C
分离、提纯
元素定量分析
确定实验式
波谱分析
确定结构式
测定相对分子质量
确定分子式
研究有机物一般经历的步骤：
学习目标：
1、掌握有机化合物定性分析和定量分析的基本方法；
2、了解鉴定有机化合结构的一般过程与数据处理方法；
3、感受现代物理学及计算机技术对有机化学发展的推动作用，体验严谨求实的有机化合物研究过程。
例1、某含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测定该未知物A中碳的质量分数为52.16%，氢的质量分数13.14%，试求该未知物A的实验式。
例2、燃烧某有机物B
1.50g，生成1.12L（标准状况）
CO2
和0.05mol
H2O。该有机物的蒸气对氢气的相对密度是30，求该有机物的分子式。
[归纳总结]
1、根据某有机物燃烧只生成CO2和H2O，是如何确定该有机物的元素组成的？
2、实验式和分子式的区别和联系？
1.燃烧法（李比希法）
元素分析仪
二、元素定性、定量分析
2.现代元素分析法
（1）M
=
m
/
n
（2）根据气体的相对密度d，
d
=M1
/
M2
（3）标况下气体的密度为ρg/L，
M
=
22.4L/mol
?ρg/L
（4）质谱法（最精确、最快捷的方法）
[思考与交流1]
求相对分子质量有那些的常用方法？
质谱仪
三、相对分子质量的测定---质谱法
阅读课本p21，回答以下问题：
1、质谱法的原理？
2、质荷比？
3、如何读质谱图确定样品的相对分子质量？
即:Mr
=
46,例1中未知物A的分子式为C2H6O
相
对
丰
度
质荷比
未知物A的质谱图
根据元素分析和质谱法确定A分子式为C2H6O,但是符合A
的结构有2种：
H—C—O—C—H
H—C—C—O—H
H
H
H
H
H
H
H
H
二甲醚
乙醇
[思考与交流2]
用什么方法可以确定A是二甲醚还是乙醇？
1、红外光谱
⑴原理：由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。
⑵作用：可以确定有机物含有的化学键、官能团。
四、分子结构的鉴定---波谱分析
1、红外光谱
即推知A为
CH3CH2OH
2、核磁共振氢谱
⑴原理:处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同,在图谱上出现的位置也不同,各类氢原子的这种差异被称作化学位移;而且吸收峰的面积(或强度)与氢原子数成正比。
⑵作用:
可以提供核磁共振氢谱信息。
A.吸收峰数目＝氢原子类型
B.不同吸收峰的面积之比(强度之比)
=
不同氢原子的个数之比
1种氢原子
吸收峰数目1种
3种氢原子
吸收峰数目3种
H—C—O—C—H
H—C—C—O—H
H
H
H
H
H
H
H
H
2、核磁共振氢谱
例3、分子式为C2H4O2的结构可能有
和
两种，为对其结构进行物理方法鉴定，可用__________或____________。
(1)若为
，则红外光谱中应该有__个振动吸收；核磁共振氢谱中应有______个峰。
(2)若为
，则红外光谱中应该有__个振动吸收；核磁共振氢谱中应有______个峰。
操作简单
快速准确
耗样量少
诺贝尔化学奖与物质结构分析(2002年)
引入了核磁共振光谱学观察到了DNA、蛋白质等大分子的真面目。
美国
芬恩
日本
田中耕一
瑞士
维特里希
分子结构的鉴定
【小结】确定有机化合物结构一般过程：
红外光谱、核磁共振等波谱分析确定结构式
元素定量分析
确定实验式
质谱等测定相对分
子质量确定分子式
例4、为了测定某有机物A的结构，做如下实验：
①将2.3
g该有机物完全燃烧，生成0.1
mol
CO2和2.7
g水；
②用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；
③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图二所示图谱，图中
三个峰的面积之比是1∶2∶3。试回答下列问题：
图一
图二
(1)
有机物A的实验式是________；相对分子质量是_____；结构式简式是
。
(2)能否根据A的实验式确实A的分子式________(填“能”或“不能”)，若能，则A的分子式是________，若不能，请说明原因______________________。
[课堂达标练习]
D
2、对有机物分子进行质谱法分析,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图所示,则该有机物可能是
(
)
A
甲醇
B
甲烷
C
丙烷
D
乙烯
B
[课堂达标练习]
3、下列化合物中，核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶2的是(双选)( )
BD
[课堂达标练习]
1、实验式（最简式）法：
吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品。吗啡分子含C
71.58%、H
6.67%、N
4.91%、其余为O。已知其分子量不超过300。试求吗啡的分子式。
2、余数法：
已知某烃的相对分子质量为142。求分子式。
3、化学方程式法：
在同温同压下，10mL某气态烃在50mL
O2里充分燃烧，得到液态水和体积为35mL的混合气体，则该烃的分子式可能为（
）
A、CH4
B、C2H6
C、C3H8
D、C3H6
BD
4、平均分子式法：
两种气态烃组成的混合物0.1mol完全燃烧，得0.16molCO2和0.2molH2O.
则该混合物中（
）
A.一定有
CH4
C2H4
C.一定有
C2H2
D.
一定有
CH4
B.
一定没有
C2H4
D《研究有机化合物的一般步骤和方法》评测练习
2、对有机物分子进行质谱法分析，测定其质荷比。某有机物样品的质荷比如图所示，则该有机物可能是
(
)
A
甲醇
B
甲烷
C
丙烷
D
乙烯
3、下列化合物中，核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶2的是(双选)（
）
4.吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品。吗啡分子含C
71.58%、H
6.67%、N
4.91%、其余为O。已知其分子量不超过300。试求吗啡的分子式。
5.已知某烃的相对分子质量为142，求分子式。
6.在同温同压下，10mL某气态烃在50mL
O2里充分燃烧，得到液态水和体积为35mL的混合气体，则该烃的分子式可能为（
）
A、CH4
B、C2H6
C、C3H8
D、C3H6
7.两种气态烃组成的混合物0.1mol完全燃烧，生成0.16molCO2和0.2molH2O，则该混合物中（
）
A.一定有
CH4和C2H4
B.一定没有C2H4
C.一定有
C2H2
D.
一定有CH4
下列实验式中,不用相对分子质量就可
以确定分子式的是()
①CH3②CH③CH2④C2Hs
A.①②
B.③3④
C.②③
D.①④《研究有机化合物的一般步骤和方法》教学设计
课题：第一章
第四节
研究有机化合物的一般步骤和方法(二)
授课班级
课
时
教学目的
知识与技能
1、掌握有机化合物定性分析和定量分析的基本方法2、了解鉴定有机化合结构的一般过程与数据处理方法
过程与方法
1、通过对典型实例的分析，初步了解测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，并能根据其确定有机化合物的分子式2、通过有机化合物研究方法的学习，了解燃烧法测定有机物的元素组成，了解质谱法、红外光谱、核磁共振氢谱等先进的分析方法
情感态度价值观
感受现代物理学及计算机技术对有机化学发展的推动作用，体验严谨求实的有机化合物研究过程
重
点
有机化合物组成元素分析与相对分子质量的测定方法
难
点
分子结构的鉴定
知识结构与板书设计
二、元素分析与相对分子质量的测定1、元素分析2、相对分子质量的测定——质谱法（MS）(1)
质谱法的原理：用高能电子流轰击样品，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子，在磁场的作用下，由于它们的相对质量不同而使其到达检测器的时间也先后不同，其结果被记录为质谱图。三、分子结构的鉴定1、红外光谱（IR）(1)原理：由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。（2）作用：推知有机物含有哪些化学键、官能团。2、核磁共振氢谱(NMR，nuclear
magnetic
resonance)
（1）原理：氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在图谱上出现的位置也不同，各类氢原子的这种差异被称作化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。（2）作用：不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率不同，被核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同。所以，可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类型及数目。①吸收峰数目＝氢原子类型②不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝不同氢原子的个数之比
教学过程
教学步骤、内容
教学方法、手段、师生活动
［引入］上节课我们已经对所要研究的有机物进行了分离和提纯，接下来进行第二步——元素定量分析确定实验式。［板书］二、元素分析与相对分子质量的测定1、元素分析[思考与交流]如何确定有机化合物中C、H元素的存在？［讲］定性分析：确定有机物中含有哪些元素。（李比希法）一般讲有机物燃烧后，各元素对应产物为：C→CO2，H→H2O，若有机物完全燃烧，产物只有CO2和H2O，则有机物组成元素可能为C、H或C、H、O。定量分析：确定有机物中各元素的质量分数。（现代元素分析法）［讲］元素定量分析的原理是将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定其实验式。以便于进一步确定其分子式。［点击试题］例1、某烃含氢元素的质量分数为17.2%，求此烃的实验式。又测得该烃的相对分子质量是58，求该烃的分子式。［分析解答］分析：此题题给条件很简单，是有机物分子式确定中最典型的计算。由于该物质为烃，则它只含碳、氢两种元素，则碳元素的质量分数为（100－17.2）%＝82.8%。则该烃中各元素原子数（N）之比为：C2H5仅仅代表碳原子和氢原子的最简整数比，是该烃的实验式，不是该烃的分子式。设该烃有n个C2H5，则因此，烃的分子式为。［讲］对于一种未知物，如果知道了物质的元素组成和相对分子质量，就会很容易通过计算得出分子式。确定有机物的分子式的途径：1.确定实验式
2.
确定相对分子质量［点击试题］例2、某含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52.16%，氢的质量分数为13.14%。（1）试求该未知物A的实验式（分子中各原子的最简单的整数比）。［投影］(1)先确定该有机物中各组成元素原子的质量分数
由于碳的质量分数为52．16％，氢的质量分数为13．14％，则氧的质量分数为l—52．16％—13．14％＝34．70％。(2)再求各元素原子的个数比
则该未知物A的实验式为C2H6O
[讲]实验式和分子式的区别：实验式表示化合物分子所含元素的原子数目最简单整数比的式子。分子式表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。［思考与交流］若要确定它的分子式，还需要什么条件？[讲]确定有机化合物的分子式的方法：（一）由物质中各原子（元素）的质量分数→
各原子的个数比(实验式)→由相对分子质量和实验式
→
有机物分子式
（二）有机物分子式
←
知道一个分子中各种原子的个数
←
1mol物质中的各种原子的物质的量
←
1mol物质中各原子（元素）的质量除以原子的摩尔质量
←1mol物质中各种原子（元素）的质量等于物质的摩尔质量与各种原子（元素）的质量分数之积
［点击试题］例3、燃烧某有机物A
1.50g，生成1.12L（标准状况）CO2
和0.05mol
H2O
。该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式。［分析解答］首先要确定该物质的组成元素。1.5g
A中各元素的质量：，所以有机物中还含有O元素。则实验式为，其式量为30。又因该有机物的相对分子质量因此实验式即为分子式。［讲］从例题可以看出计算相对分子量很重要，计算有机物相对分子质量的方法有哪些？密度法(标准状况)，相对密度法(相同状况)。另外可以看出元素的质量有时不能由实验直接得出，还需要对实验现象和结果进行必要的分析和计算。［投影总结］确定有机物分子式的一般方法．（1）实验式法：①根据有机物各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数比（最简式）。②求出有机物的摩尔质量（相对分子质量）。（2）直接法：①求出有机物的摩尔质量（相对分子质量）②根据有机物各元素的质量分数直接求出1mol有机物中各元素原子的物质的量。确定相对分子质量的方法有：（1）M
=
m/n
（2）根据有机蒸气的相对密度D，M1
=
DM2
（3）标况下有机蒸气的密度为ρg/L，
M
=
22.4L/mol
?ρg/L［讲］有机物的分子式的确定方法有很多，在今后的教学中还会进一步介绍。今天我们仅仅学习了利用相对分子质量和实验式共同确定有机物的基本方法。应该说以上所学的方法是用推算的方法来确定有机物的分子式的。在同样计算推出有机物的实验式后，还可以用物理方法简单、快捷地测定相对分子质量，比如——质谱法。［板书］2、相对分子质量的测定——质谱法（MS）［讲］质谱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。接下来对质谱法的原理，怎样对质谱图进行分析以确定有机物的相对分子质量，以及此方法的优点作简要精确的介绍［讲］在高真空下，有机化合物分子受到能量较高的电子束轰击时，会失去一个外层电子变成分子离子(即正离子自由基，又称母离子)，电子流多余的能量再传给分子离子，又使之在一处或数处发生化学键断裂，产生许多“更小的原分子的碎片，”由于碎片的质量和所带电荷的不同，到达检测器的顺序也不同，就得到各特征质量的碎片离子所对应的谱图。谱图也显示不同的峰，对就于不同质量的碎片，因此称为质谱。［板书］(1)
质谱法的原理：用高能电子流轰击样品，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子，在磁场的作用下，由于它们的相对质量不同而使其到达检测器的时间也先后不同，其结果被记录为质谱图。［强调］以乙醇为例，质谱图最右边的分子离子峰表示的就是上面例题中未知物A（指乙醇）的相对分子质量。［投影］
[思考与交流]质荷比是什么？如何读谱以确定有机物的相对分子质量？分子离子与碎片离子的相对质量与其电荷的比值。由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。[点击试题]某有机物的结构确定：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（C4H10O）。②确定分子式：下图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为（74），分子式为（C4H10O）。［过渡］好了，通过测定，现在已经知道了该有机物的分子式，但是，我们知道，相同的分子式可能出现多种同分异构体，那么，该如何进以步确定有机物的分子结构呢？下面介绍两种物理方法。［板书］三、分子结构的鉴定1、红外光谱（IR）［讲］普通红外光是指波长在2-15ｕm的电磁波，能量较低，当它照射到分子上时，只能引起分子中成键原子核间振动和转动能级的跃迁。红外光谱是利用有机化合物分子中不同基团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的谱图。［讲］由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。因此，我们就可以根据红外光谱图，推知有机物含有哪些化学键、官能团，以确定有机物的结构。限于在知道红外谱图中的化学键和官能团可以确定有机物的结构，大学有机化学将专门专门学习。［板书］(1)原理：由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。（2）作用：推知有机物含有哪些化学键、官能团。［讲］从未知物A的红外光谱图上发现右O—H键、C—H键和C—O键的振动吸收，可以判断A是乙醇而并非甲醚，因为甲醚没有O—H键。［投影］［讲］从上图所示的乙醇的红外光谱图上，波数在3650cm-1区域附近的吸收峰由O-H键的伸缩振动产生，波数在2960-2870cm-1区域附近的吸收峰由C-H
(-CH3、-CH2-)键的伸缩振动产生；在1450-650cm-1区域的吸收峰特别密集(习惯上称为指纹区)，主要由C-C、C-O单键的各种振动产生。要说明的是，某些化学键所对应的频率会受诸多因素的影响而有小的变化。［点击试题］有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结构，请写出该分子的结构简式
。ANS：（CH3—CH2—O—CH2—CH3）［小结］红外光谱具有高度的特征性，不仅可以用来研究分子的结构和化学键，还可广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。根据红外光谱，可以初步判断该有机物中具有哪些基团，即判断化合物的类型。［板书］2、核磁共振氢谱(NMR，nuclear
magnetic
resonance)
［讲］在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物的1H核磁共振谱(1H-NMR)进行分析。氢核磁共振谱的特征有二：一是出现几种信号峰，它表明氢原子的类型，二是共振峰所包含的面积比，它表明不同类型氢原子的数目比。［板书］（1）原理：氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在图谱上出现的位置也不同，各类氢原子的这种差异被称作化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。［讲］有机物分子中的氢原子核，所处的化学环境（即其附近的基团)不同），表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置(化学位移，符号为δ)也就不同。即表现出不同的特征峰；且特征峰间强度(即峰的面积、简称峰度)与氢原子数目多少相关。（2）作用：不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率不同，被核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同。所以，可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类型及数目。①吸收峰数目＝氢原子类型②不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝不同氢原子的个数之比［讲］未知物A的核磁共振氢谱有三种类型氢原子的吸收峰，说明A只能是乙醇而并非甲醚，因为甲醚只有一种氢原子。［投影］图1一8未知物A的核磁共振氢谱图1一9二甲醚的核磁共振氢谱［点击试题］一个有机物的分子量为70,红外光谱表征到碳碳双键和C＝O的存在，核磁共振氢谱列如下图：①写出该有机物的分子式：C4H6O
O②写出该有机物的可能的结构简式：
H—C—CH=CHCH3［小结］本节课主要掌握鉴定有机化合物结构的一般过程和方法。包括测定有机物的元素组成、相对分子质量、分子结构。了解几种物理方法——质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法。［课后练习］1、吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品。吗啡分子含C
71.58%、H
6.67%、N
4.91%、其余为O。已知其分子量不超过300。试求：⑴吗啡的分子量；⑵吗啡的分子式。（吗啡分子量285，分子式C17H19NO3）2、有机物中含碳40﹪、氢6.67﹪，其余为氧，又知该有机物的相对分子质量是60。求该有机物的分子式。（C2H4O2）3、燃烧某有机物A
1.50g，生成1.12L（标准状况）CO2和0.05mol
H2O
。该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式。
（CH2O）4、分子式为C2H6O的有机物，有两种同分异构体，乙醇(CH3CH2OH)、甲醚(CH3OCH3)，则通过下列方法，不可能将二者区别开来的是(
)
A、红外光谱
B、1H核磁共振谱
C、质谱法
D、与钠反应5、某烃类化合物A的质谱图表明其相对分子质量为84，红外光谱表明分子中含有碳碳双键，核磁共振氢谱表明分子中只有一种类型的氢。则A的结构简式是______
相对分子质量为74
C—O—C
对称CH2
对称CH3
有四类不同信号峰，有机物分子中有四种不同类型的H。
