1、第二单元第二单元 科学家怎样研究有机物科学家怎样研究有机物 核心素养发展目标 1.科学探究与创新意识：通过有机物元素分析方法的学习，认识科学 探究的过程，培养严谨的科学态度和科学的思维方式，并能对探究过程进行优化和创新。2. 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、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。3. 证据推理与模型认知：了解研究有机反应机理的基本方法，形成有机化学研究的思维模型， 并能根据有机物的结构特点推理有机物反应的机理。 一、有机化合物组成的研究 1定性分析有机物的组成元素 (1)一般测定方法燃烧法
2、 各元素对应的燃烧产物：CCO2；HH2O；SSO2。 (2)其他测定方法钠融法、铜丝燃烧法 钠融法可定性确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。 铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤素。将一根纯铜丝加热至红热，蘸上样品，放 在火焰上灼烧，若存在卤素，火焰呈绿色。 2定量分析有机物中各元素的质量分数(李比希定量分析) (1)测定原理 将一定量的有机物燃烧并测定各产物的质量，从而推断出各元素的质量分数，然后计算出有 机物分子中所含元素原子的最简整数比，确定有机物的最简式。 (2)测定步骤 (3)最简式(实验式)与分子式的关系：分子式(最简式)n。 3仪器分析法 人们常借助元素分析仪来确定有机
3、物的组成。优点是自动化程度高、所需样品量小、分析速 度快、同时对多种元素进行分析等，若与计算机连接还可进行数据存储和统计分析，并可生 成各种形式的分析报告。 (1)李比希分析法中的高氯酸镁可用碱石灰、浓 H2SO4或无水 CaCl2替代；烧碱石棉剂可用碱 石灰或 NaOH 溶液替代。 (2)利用李比希定量分析法确定的是有机物的最简式，若确定其分子式还要知道有机物的相对 分子质量，确定有机物相对分子质量的常用方法如下： 标态密度法：根据标准状况下气体的密度，求算该气体的相对分子质量：Mr22.4。 相对密度法：根据气体 A 相对于气体 B 的相对密度 D，求算该气体的相对分子质量：MA DMB。
4、 混合物的平均相对分子质量： M m 总 n总。 例 1 某化合物 6.2 g 在氧气中完全燃烧，只生成 8.8 g CO2和 5.4 g H2O。下列说法正确的是 ( ) A该化合物仅含碳、氢两种元素 B该化合物中碳、氢原子个数比为 12 C该有机物的分子式为 C2H6 D该化合物中一定含有氧元素 答案 D 解析 n(CO2) 0.2 mol， n(C)n(CO2)0.2 mol， m(C)0.2 mol12 g mol 12.4 g； n(H 2O) 0.3 mol，n(H)2n(H2O)0.6 mol，m(H)0.6 g；n(C)n(H)0.2 mol0.6 mol13； m(C)m(H
5、)2.4 g0.6 g3.0 g6.2 g，所以该化合物中一定含有氧元素，其质量为 6.2 g 3.0 g3.2 g， 其物质的量n(O) 3.2 g 16 g mol 10.2 mol。 n(C)n(H)n(O)N(C)N(H)N(O) 131，实验式为 CH3O，设化合物分子式为(CH3O)n，讨论可知其分子式只能为 C2H6O2。 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物组成元素的分析及应用 有机物完全燃烧的产物为 CO2和 H2O，确定是否含有氧元素的方法： 通过相关的实验可以先确定 CO2和 H2O 的质量， 进而求得有机物中所含碳元素和氢元素的质 量。m(C)12 44m(C
6、O2)，m(H) 2 18m(H2O)。若 m(有机物)m(C)m(H)，则说明该有机物 中只含碳和氢两种元素。若 m(有机物)m(C)m(H)，且完全燃烧只生成 CO2和 H2O，则说 明有机物中含有 C、H、O 三种元素，其中 m(O)m(有机物)m(C)m(H)。 例 2 根据已知条件，确定下列物质的分子式。 (1)实验测得某碳氢化合物 A 中，含碳 80%，含氢 20%，该化合物的实验式为_。又 测得该化合物的相对分子质量是 30，则该化合物的分子式为_。 答案 CH3 C2H6 解析 方法一：n(C)n(H)80% 12 20% 1 13，化合物 A 的实验式是 CH3。 设化合物
7、A 分子中含有 n 个 CH3， 则：n MrA MrCH3 30 152，化合物 A 的分子式是 C2H6。 方法二：化合物 A 分子式中各元素原子的数目： n(C)3080% 12 2，n(H)3020% 1 6 化合物 A 的分子式是 C2H6。 (2)燃烧某有机物 A 1.50 g，生成 1.12 L(标准状况)CO2和 0.05 mol H2O。该有机物的蒸气对空 气的相对密度是 1.04，该有机物的分子式为_。 答案 CH2O 解析 有机物的相对分子质量是 1.042930 有机物的物质的量为 1.50 g 30 g mol 10.05 mol 有机物分子中含有： C： 1.12
8、L 22.4 L mol 10.05 mol1 H：0.05 mol2 0.05 mol 2 O：30 g mol 112 g mol111 g mol12 16 g mol 11 有机物的分子式为 CH2O。 (3)某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，经测定其相对分子质量为 90。取该有机物样 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。该有机物的分子式为_。 答案 C3H6O3 解析 设有机物的分子式为 CxHyOz CxHyOz(xy 4 z 2)O2 点燃 xCO2y 2H2O 90 g 44x g 9y g 1.8
9、 g 2.64 g 1.08 g 90 g1.8 g44x g2.64 g x3 90 g1.8 g9y g1.08 g y6 z9031261 16 3 有机物的分子式为 C3H6O3。 规律方法有机物分子式的确定方法 (1)实验方法：各元素的质量分数 各元素原子的个数比(实验式) 相对分子 质量 分子式 (2)直接法： 根据有机物各元素的质量分数和有机物的摩尔质量(相对分子质量)直接求出 1 mol 有机物中各元素原子的物质的量。 (3)方程式法：根据有机物的燃烧通式及消耗 O2的量(或生成产物的量)，通过计算确定出有机 物的分子式。 二、有机化合物结构的研究 1李比希基团理论 (1)有机
10、物的结构特点：在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。原子之间结 合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。 (2)基团理论： 1838 年， 德国化学家李比希提出了“基团理论”。 常见的基团有： 羟基(OH)、 醛基(CHO)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、烃基(R)等，它们有不同的结构和性质特点。 2现代化学测定有机物结构的方法 (1)核磁共振氢谱 原理：处于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，在谱图上出现 的位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数目成正比。 作用：测定有机物分子中氢原子的类型和数目。 分析：吸收峰数目氢原子的类型，吸收峰面积比氢
11、原子个数比。 如 CH3CH2OH 的吸收峰面积比321。 (2)红外光谱 原理：不同官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。 作用：初步判断有机物中含有的官能团或化学键。 如分子式为 C2H6O 的有机物 A 有如下两种可能的结构：(CH3CH2OH)或(CH3OCH3)，利 用红外光谱来测定，分子中有 OH 键或OH 可确定 A 的结构简式为(CH3CH2OH)。 (3)质谱法 测定有机物的组成和结构的现代分析方法还有质谱法和紫外光谱法等，质谱法测定有机物的 相对分子质量。 原理：用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片 离子。分子离子和
12、碎片离子各自具有不同的相对质量，它们在磁场的作用下到达检测器的时 间将因质量不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。 质荷比：指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。质谱图中，质荷比的最大值 就表示了样品分子的相对分子质量。 例如，由上图可知，样品分子的相对分子质量为 46。 3手性分子 (1)手性碳原子是指与 4 个不同的原子或原子团相连的碳原子。 (2)手性分子指含有手性碳原子的有机物分子。 谱图法在确定有机物分子结构中的应用 (1)核磁共振氢谱图中，峰的个数即氢原子的种类数，而峰面积之比为各类氢原子个数之比。 (2)不同化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中所处位置不同。因此，可
13、根据红外光 谱图，推知有机物分子中含有哪些化学键、官能团，从而确定有机物的结构。 (3)质谱图中，质荷比最大值即为有机物的相对分子质量。 例 3 已知某有机物 A 的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中错误的是( ) 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由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子 C仅由 A 的核磁共振氢谱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 答案 D 解析 红外光谱图中给出的化学键有 CH 键、OH 键和 CO 键三种，A 正确；核磁共振 氢谱图中峰的个数即代表氢的种类，B 正
14、确；核磁共振氢谱峰的面积比表示氢的数目比，在 没有明确化学式的情况下， 无法得知氢原子总数， C 正确； 若 A 为 CH3OCH3， 则无 OH 键，与所给红外光谱图不符，且其核磁共振氢谱图应只有 1 个峰，与核磁共振氢谱图不符， D 错误。 【考点】 有机物结构式的鉴定 【题点】 根据红外光谱和核磁共振氢谱图判断有机物的结构简式 例 4 (2018 长春调研)有机物 X 是一种重要的有机合成中间体， 用于制造塑料、 涂料和黏合 剂等高聚物。为研究 X 的组成与结构，进行了如下实验： (1)有机物 X 的质谱图如下图所示，该有机物 X 的相对分子质量为_。 (2)将 10.0 g X 在足量
15、 O2中充分燃烧， 并将其产物依次通过足量的无水 CaCl2和 KOH 浓溶液， 发现无水 CaCl2增重 7.2 g， KOH 浓溶液增重 22.0 g。 有机物 X 的分子式为_。 (3)经红外光谱测定，有机物 X 中含有醛基；有机物 X 的核磁共振氢谱图上有 2 个吸收峰， 峰面积之比为 31。有机物 X 的结构简式为_。 答案 (1)100 (2)C5H8O2 (3)(CH3)2C(CHO)2 解析 (1)质谱图中质荷比最大数值即为相对分子质量， 由质谱图可知有机物 X 的相对分子质 量为 100。 (2)无水 CaCl2增重的 7.2 g 是水的质量， 10.0 g X 中氢原子的物
16、质的量 7.2 g 18 g mol 1 20.8 mol，KOH 浓溶液增重的 22.0 g 是二氧化碳的质量，10.0 g X 中碳原子的物质的量 22.0 g 44 g mol 10.5 mol，根据质量守恒，氧原子的质量为 10.0 g0.8 mol1 g mol 10.5 mol 12 g mol 13.2 g，则氧原子的物质的量为 3.2 g 16 g mol 10.2 mol，则该分子中碳、氢、氧元 素的原子个数之比为 0.5 mol0.8 mol0.2 mol582，结合 X 的相对分子质量可知，有 机物 X 的分子式为 C5H8O2。(3)有机物 X 中含有醛基，核磁共振氢谱
17、图上有 2 个吸收峰，则 分子中含有 2 种不同化学环境的氢原子， 其中一种是醛基中的氢原子， 又峰面积之比为 31， 则含两个醛基，故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。 思维启迪 根据有机物分子结构的确定过程，学会有机化合物分子结构测定的方法及证据的获取，促进 “证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。 相关链接 确定有机物的结构式的其他方法 确定有机物的结构式除借用物理方法外，还可以用以下方法： (1)根据价键规律确定 根据价键规律可以判断出某些有机物只存在一种结构，则可直接根据分子式确定其结构式。 如 C2H6的结构只能是 CH3CH3；CH4O 的结构只能是 CH3OH。 (2)
18、通过化学方法确定 进行定性实验 实验中有机物表现出的性质官能团。 进行定量实验 通过定量实验确定官能团的数目，如测得 1 mol 某醇与足量钠反应可得到 1 mol 气体，则可 说明 1 mol 醇分子中含 2 mol OH。 进行“组装”确定 根据实验测得的官能团种类、数目，联系价键规律等进行“组装”和“拼凑”来确定有机物 的结构式。 三、有机化学反应的研究 1研究的内容 首先研究已知有机物的结构、性质、用途等方面，进而研究能与哪些物质反应，经历了哪些 具体反应过程，需要什么样的反应条件，受到哪些内外因素的影响等。 2研究的目的 利用已知有机物和已有条件合成我们想要的新的有机物。 3机理的研
19、究 (1)甲烷与氯气反应的机理(自由基链式反应) Cl2 光照 Cl Cl CH4Cl CH3 HCl CH3 Cl2 CH3ClCl Cl CH3Cl ClCH2 HCl (2)机理的研究方法同位素示踪法 将反应物中某元素的原子替换为该元素的同位素原子，反应后再检验该同位素原子所在的生 成物，从而确定化学反应机理的一种方法。 如乙酸乙酯水解反应的机理： 将乙酸乙酯与 H218O 混合后加入硫酸作催化剂，在加热条件下，反应一段时间后检测到存在 18O 的物质有两种：一种是 H 2 18O，另一种是 。于是判断酯水解时断裂的是 上的 CO 键，在的碳原子上加上羟基，在氧原子上加上氢。明确了酯水
20、解的反应机理，反过来也认识到了酯化反应的反应机理，即酸脱羟基醇脱氢。 例 5 已知 CH4与 Cl2反应的产物中除 CH3Cl 外，还有 CH2Cl2、CHCl3、CCl4。下列关于生 成 CH2Cl2的过程中，可能出现的是( ) A2Cl CH4 2HCl CH2 B CH2ClCl2 CH2Cl2Cl C CH2ClCl CH2Cl2 DCH3ClHCl 光照 CH2Cl2H2 答案 B 例 6 已知在水溶液中存在平衡： 当与 CH3CH2OH 发生酯化反应时，不可能生成的是( ) A B CH2O DH218O 答案 B 解析 溶液中存在和，与 CH3CH2OH 进行酯化反应。根据酯 化
21、反应的机理：酸脱羟基醇脱氢，可知 B 项不可能。 有机物结构确定的方法思路 1正误判断，正确的打“”，错误的打“” (1)“OH”和“OH”的电子数相同，都是独立存在的基团( ) (2)李比希提出的基团就是我们后来研究的官能团( ) (3)有机物燃烧后只生成 CO2和 H2O 的物质不一定只含有碳氢两种元素( ) (4)有机物的实验式、分子式一定不同( ) (5)核磁共振氢谱中有几个吸收峰就有几个氢原子( ) (6)质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法均能确定有机物的分子结构( ) (7)1 mol CH4和 1 mol Cl2光照下发生反应，得到 1 mol CH3Cl 和 1 mol HCl
22、( ) (8)同位素示踪法研究化学反应，利用的是同位素的化学性质不同( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 2为了确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素，应将有机物样品与下列哪种金属混合 熔融后，再进行定性分析( ) AFe BSi CCu DNa 答案 D 3(2018 石家庄市高二下学期期末)下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是( ) A红外光谱 B质谱法 C色谱法 D核磁共振氢谱 答案 A 解析 红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。 4符合下面核磁共振氢谱图的有机物是( ) ACH3COOCH2CH3 BCH2=CHCH2CH3 C D 答
23、案 A 解析 分析选项中各有机物不同化学环境的氢原子的种数及原子个数(吸收强度)之比，再与 已知核磁共振氢谱对照即可找出答案。A 中物质有 3 种不同化学环境的氢原子，个数之比为 233；B 中物质有 4 种不同化学环境的氢原子，个数比为 2123；C 中物质有 4 种 不同化学环境的氢原子，个数比为 3221；D 中物质有 3 种不同化学环境的氢原子，个 数比为 311。 核磁共振氢谱图中有 3 种不同化学环境的氢原子， 再由原子个数(吸收强度) 之比可知 A 项符合。 【考点】有机物结构式的鉴定 【题点】根据核磁共振氢谱图判断有机物的结构简式 5某有机物在氧气中充分燃烧，生成二氧化碳和水的
24、物质的量之比为 11，由此可得出的 正确结论是( ) 该有机物分子中碳、氢、氧原子个数比为 123 该有机物分子中碳、氢原子个数比为 12 该有机物中肯定含氧 无法判断该有机物中是否含氧 A B C D 答案 D 解析 n(CO2)n(H2O)11，则 n(C)n(H)12，CO2和 H2O 中的氧可能来自于氧气中 的氧元素，从题中条件无法确认，故和正确。 6下列分子中含有手性碳原子的是( ) ACF2Cl2 BCH3CH2OH C DCH2=CHCOOH 答案 C 解析 手性碳原子连接四个不同的原子或原子团，据此可知只有 C 项符合。 7根据研究有机物的步骤和方法，填满下列空格： 实验步骤
25、解释实验结论 测得 A 的蒸气密度是同状况下甲烷 的 4.375 倍 (1)A 的相对分子质量为 _ 将 5.6 g A 在足量氧气中燃烧，并将 产物依次通过浓硫酸和碱石灰， 分别 (2)A的实验式为_； A 的分子式为_ 增重 7.2 g 和 17.6 g A 的核磁共振氢谱如下： (3)综上所述，A 的结构简 式为_ 答案 (1)70 (2)CH2 C5H10 (3) 解析 (1)根据公式 MrD Mr(CH4)计算该有机物的相对分子质量等于 164.37570。 (2)由 A 的燃烧反应知，5.6 g A 含 m(C) 17.6 g 44 g mol 112 g mol 14.8 g，m(H) 7.2 g 18 g mol 1 21 g mol 10.8 g， 确定该有机物只含碳、 氢两种元素， 实验式为 CH 2， 设分子式为(CH2)n， 则 12n2n70，n5，分子式为 C5H10。(3)读取该核磁共振氢谱共有 4 个吸收峰，吸收峰 面积之比为 1126，则符合题意。 【考点】 研究有机化合物的基本步骤 【题点】 确定结构方法的综合应用