1.2.2法 有机化合物分子式和结构式的确定 课件【新教材】2020-2021学年人教版（2019）高二化学选择性必修三

第二课时 有机化合物分子式和结构式的确定
第二节 研究有机化合物的一般方法
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定分子结构
蒸馏、
萃取、
重结晶等
元素定量分析
质谱法
波谱分析：
质谱、红外光谱、
核磁共振氢谱、
X射线衍射等
研究有机化合物的基本步骤：
有机物（纯净）
确定实验式
我们需要知道哪些数据才能确定呢？
有机物元素组成
各元素质量分数
元素的定性、定量分析
二、 确定实验式---元素分析
二、确定实验式---元素分析
测定有机化合物的元素组成，
以及各元素质量分数的化学方法
元素的定性分析
元素的定量分析
然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，确定实验式（最简式）
通过无机化合物的质量推算出该有机化合物所含各元素的质量分数
将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物，并进行定量测定
元素的定性、定量分析是用化学方法测定有机化合物的元素组成，以及各元素的质量分数。
元素定量分析：
将一定量的有机物燃烧
定量测定
转化为简单的无机物
推算有机物各元素质量分数
计算有机物各元素原子最简整数比
确定实验式（最简式）
①含义
②原理
1.元素的定性、定量分析
2．实验式：
有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，也称为最简式。
3．李比希定量分析一般过程
定量分析的原理
有机化合物
燃烧
简单的无机物
定量测定
计算推算
各元素的质量分数
计算
实验式(最简式）
看书本上的例题
对李比希元素分析法的几点思考
1、实验过程需要测定哪些物理量？
样品的质量及吸收剂在吸收前和吸收后的质量差
2、氯化钙和氢氧化钾位置能否互换？
不能互换，因为氢氧化钾既可以吸收水又可以吸收二氧化碳
对李比希元素分析法的几点思考
3、怎样确定有机物中是否含氧元素？
先分别计算出碳、氢的质量分数，剩余的就是氧。
4、你觉得该装置有需要改进的地方吗？
a.在吸收剂之间加一个检验水是否吸收完全的装置
b.在最后再加一个装有碱石灰的干燥管防止空气中的二氧化碳和水进入。
1、某仅由C、H、O三种元素组成的未知有机物A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为40.00%，氢的质量分数为6.67%。
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）。
n(C)∶n(H)∶n(O)
＝（40.00／12）∶（6.67／1）∶（53.33／16） ＝1∶2∶1
∴实验式为 CH2O
元素定量分析只能确定有机化合物分子中各组成原子的最简整数比，得到实验式。要确定它的分子式，还必须知道其相对分子质量。目前有许多测定相对分子质量的方法，质谱法是其中最精确、快捷的方法。
李比希不仅建立了可以定量测定碳、氢 、氧元素的分析方法，还建立了有机化合物中含氮、硫、卤素等元素的定量分析方法，为现代元素定量分析奠定了基础。现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪。
现代元素分析仪
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已知由C、H、O元素组成的某化合物9.2 g完全燃烧后可以得到17.6 g CO2和10.8 g H2O，通过计算确定该化合物的实验式。
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一般有机物中氧元素的确定方法
一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为碳、氢元素或碳、氢、氧元素。欲判断该有机物分子是否含氧元素，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C、H的质量之和与原来有机物质量比较，若两者相等，则原有机物分子的组成中不含氧元素；否则，原有机物分子的组成中含氧元素。
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1．某有机物在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，则该物质可能是 (　　)①CH4　 ②C2H4　 ③C2H5OH　 ④CH3OHA．②③　　　 B．①④ C．①③ D．②④
　解析：该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，即N(H2O)∶N(CO2)＝2∶1，则该物质中N(H)∶N(C)＝4∶1，分子式满足N(C)∶N(H)＝1∶4的有①CH4、④CH3OH。
B
2．验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是(　　)A．只测定它的C、H原子个数比B．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量
　解析：当CO2和H2O中m(C)＋m(H)＝m(有机物)时，说明有机物中没有氧元素。
D
相对分子质量的计算方法
（1）M = m / n
（2）根据有机蒸气的相对密度D，
D =M1 / M2
（3）标况下有机蒸气的密度为ρg/L，
M = 22.4L/mol ×ρg/L
相对分子质量也可以通过仪器测定，测定相对分子质量的方法很多，
质谱法是最精确、最快捷的方法。
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三、确定分子式——质谱法
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
的分子离子和碎片离子等。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，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果，就得到有机化合物的质谱图。
2．相对分子质量确定质谱图中最右侧的分子离子峰或质荷比最大值表示样品中分子的相对分子质量。
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3．示例说明下图是某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图，由此可确定该未知物的相对分子质量为46 。
质谱仪——确定相对分子质量的利器
2、质荷比
碎片离子或分子离子的相对质量与电荷的比值
有机物分子
高能电子流轰击
带电的“碎片”
确定相对式量
碎片的质荷比
1、质谱仪工作原理
3、质谱图
质谱图中质荷比最右侧的质荷比最大，等于相对分子质量
有机化合物分子式的确定
(1)确定流程
(2)确定分子式的方法
①根据有机物中各元素的质量分数，求出有机物的实验式，再根据有机物的相对分子质量确定分子式。
②根据有机物的摩尔质量和各元素的质量分数，求出1 mol 该有机物中各元素原子的物质的量，从而确定出该有机物的分子式。
③根据有机物燃烧时消耗O2的量及产物的量，求出有机物的实验式，再通过计算确定出有机物的分子式。
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：
根据课本例题可知：
未知物A的相对分子质量为46，实验式C2H6O的式量是46，M={M (C2H6O)} ×n； n=1所以未知物A的实验式和分子式都是C2H6O 。
试写出C2H6O可能的结构：
怎样确定有机物A是乙醇，还是二甲醚？
二甲醚
乙醇
思考与讨论
符合分子式为C2H6O的可能的结构有以下两种：
质谱图中的碎片峰对我们确定有机化合物的分子结构有一定帮助，但未知物A究竟是二甲醚还是乙醇？这还需要我们根据其他证据作出进一步推断。
确定比较复杂的有机化合物的分子结构，仅靠质谱法是很难完成的，需要借助其他现代分析仪器，进行红外光谱、核磁共振氢谱、X射线衍射谱等波谱分析。
四、确定分子结构——波谱分析
1、红外光谱
(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。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。
红外光谱仪
(2)作用：初步判断某有机物分子中所含有的化学键或官能团。
(3)实例
下图是分子式为C2H6O的有机化合物的红外光谱:
从图中可以找到C—O、C—H和O—H的吸收峰，因此，可以初步推测该未知物A是含有羟基官能团的化合物，结构可表示为C2H5OH。
(1)原理
2、核磁共振氢谱
核磁共振中的核指的是氢原子核。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，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱图上出现的位置也不同。且吸收峰的面积与氢原子数成正比。可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目多少。
核磁共振仪
测定有机物中H 原子的种类和数目
信号个数
信号强度之比
峰面积
吸收峰数目＝氢原子类型
不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝
不同氢原子的个数之比
读谱要点
(2)作用：测定有机物分子中氢原子的类型和它们的相对数目。
(3)分析：吸收峰数目＝氢原子类型种类，吸收峰面积比＝氢原子数之比。
(4)示例分析：
未知物A的核磁共振氢谱
二甲醚的核磁共振氢谱
未知物A（分子式为C2H6O ）的核磁共振氢谱图如左上图所示，由此可以判断A的分子中有3中处于不同化学环境的氢原子，个数比为3:2:1。
CH3CH2OH（乙醇）分子中有3种处于不同化学环境的氢原子，个数比为3:2:1，对应的核磁共振氢谱图中应该有3个峰，且面积比为3:2:1，与未知物A的谱图一致。故未知物A的结构简式是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3。
CH3OCH3（二甲醚）分子中的6个氢原子的化学环境相同，对应的核磁共振氢谱图中只有一个峰（如右上图所示）
乙醇核磁共振氢谱
3、X射线衍射
(1)原理：X射线是一种波长很短(约10－10m)的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。越复杂的有机化合物作用越大。(2)应用：将X射线衍射技术用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。
X射线衍射
仪
青蒿素结构的测定
20世纪70年代初，我国屠呦呦等科学家使用乙醚从中药中提取并用柱色谱分离得到抗疟疾有效成分青蒿素，随后展开对青蒿素分子结构的测定和相关医学研究。科学家们通过元素分析和质谱法分析，确定了青蒿素的相对分子质量为282，分子式为C15H22O5。经红外光谱和核磁共振谱分析，确定青蒿素分子结构中含有酯基和甲基等结构片段。通过化学反应证明其分子中含有过氧基团（—O—O—）。1975年底，中国科学院的科学家通过X射线衍射最终测定了青蒿素的分子结构。
我国科学家通过X射线衍射获得的青蒿素的分子结构
碳
氢
氧
有机物分子结构的确定(物理方法)
有机化合物
定性元素分析
相对分子质量测定
化学分析或仪器分析
元素组成
相对分子质量
官能团及碳骨架
分子式
分子结构
质谱法： 确定相对分子质量
红外光谱－确定化学键、官能团
核磁共振氢谱－确定等效氢原子的类型和数目
X射线衍射可以确定键长、键角等结构信息
课堂小结
确定有机化合物分子式、结构式的思维模型
1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)根据实验式CH4O可以确定分子式为CH4O。 (　　)(2)根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类。 (　　)(3)核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子。 (　　)(4)CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱中，有3个吸收峰，且吸收峰面积为4∶3∶1。 (　　)
√
√
×
×
2．某有机物X含C、H、O三种元素，已知下列条件：①碳的质量分数　②氢的质量分数　③X蒸气的体积(已折算成标准状况下的体积)　④X对氢气的相对密度 ⑤X的质量　⑥X的沸点，确定X的分子式所需要的最少条件是(　　)A．①②⑥　　　B．①③⑤ C．①②④ D．①②③④⑤
解析：确定分子式的方法有许多种，若有碳、氢元素的质量分数，则可求出氧元素的质量分数，根据质量分数可计算各元素的原子个数之比，从而确定最简式；再根据相对分子质量即可求得分子式，相对分子质量可由标准状况下气体的密度或相对密度求出。
C
3．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，相对丰度与该离子的质量有关)，则该有机物可能是
(　　)
A．甲醇 B．甲烷C．丙烷 D．乙烯
解析：根据图示可知该有机物的相对分子质量为16。
B
4．已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中不正确的是 (　　)
A．由红外光谱可知，该有机物分子中至少有三种不同的化学键B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同的氢原子C．仅由核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数D．若A的分子式为C3H8O，则其结构简式可能为
D
解析：由红外光谱可知有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键，A正确；由核磁共振氢谱可知有机物分子中三种不同的氢原子的个数比，但不知总的氢原子数，B、C正确；因为 中的不同化学环境的氢原子个数比为1∶1∶6，与图像不符，D错误。
5．乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别为
，通过下列方法或检测仪得出的信息或
信号完全相同的是(　　)
A．李比希元素分析法 B．红外光谱仪 C．核磁共振仪 D．质谱仪
解析：二者互为同分异构体，则通过李比希元素分析法得出的信息完全相同，A项符合题意；官能团不同，红外光谱信号不同，B项不符合题意；二者含有的氢原子的种类和个数虽然相同，但峰出现的位置不同，核磁共振氢谱信号不完全相同，C项不符合题意；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，D项不符合题意。
A
6．有一种有机物的分子式为C7H8O，苯环上有1个羟基，请写出该有机物可能的结构简式：_____________________，核磁共振氢谱图上观察到氢原子的峰面积比为______(前后要对应)。