1、第第 2 2 课时课时 有机物分子结构的确定方法有机物分子结构的确定方法 学业水平目标 核心素养对接 1.学会测定有机化合物元素含量、相对 分子质量的一般方法，并能据此确定有 机化合物的分子式。 2 能够根据化学分析和波谱分析确定有 机化合物的分子结构。 1.科学探究：把握测定有机化合物元素 含量、相对分子质量的一般方法。 2 模型认知： 结合简单图谱信息分析判 断有机化合物的分子结构。 知识梳理 知识点一、确定实验式 分类 定性分析 定量分析 含义 用化学方法鉴定 有机化合物的元 素组成 将一定量的有机化合物燃烧并测定各产物的 质量，从而推算出各组成元素的质量分数， 然后计算有机物分子内各元
2、素原子的最简整 数比，确定实验式(也称最简式) 举例 完全燃烧后，碳元 素变成 CO2，氢元 素变成 H2O 根据 CO2的质量确定有机化合物中 C 的质 量， 根据 H2O 的质量确定有机化合物中 H 的 质量 微思考 1某有机化合物燃烧产物只有 CO2和 H2O，如何判断该有机物中是否含有氧元 素？ 答案 首先求出产物 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化合物的质量比较，若两者相等，则原有机化合物只由碳 和氢两种元素组成，否则原有机化合物的组成里含有氧元素。 知识点二、确定分子式 (1)原理：用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子形
3、成带正电荷的分子 离子和碎片离子。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，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)质荷比：指分子离子或碎片离子的相对质量与其电荷数的比值。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。 知识点三、确定分子结构 1红外光谱 (1)原理：不同的官能团或化学键对红外光线的吸收频率不同，在红外光谱图中 处于不同的位置。 (2)作用：获得某有机化合物分子中含有化学键或官能团的信息。 2.核磁共振氢谱 (1)原理：处在不同化学环境中的氢原子在光谱图上出现的位置不同
4、，而且吸收 峰的面积与氢原子数成正比。 (2)作用：测定有机化合物分子中氢原子的类型和数目。 (3)分析：吸收峰数目氢原子种类，吸收峰面积比氢原子数目比。 3X 射线衍射 (1)原理：X 射线是一种波长很短(约 10 10 m)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。 (2)作用： 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。 微思考 2某有机化合物的核磁共振氢谱图如下图所示： 该有机化合物有几种类型的氢原子？ 答案 有 3 种类型的氢原子。
5、3乙酸(CH3COOH)在核磁共振氢谱中有几个吸收峰？其吸收峰面积之比是多 少？ 答案 有 2 个吸收峰，其吸收峰面积之比是 13。 探究一 元素分析与分子式的确定 探究素材 探究题目 1某有机物在氧气中充分燃烧，生成水蒸气和 CO2的物质的量比为 11，由此 可得出的结论是( ) A分子中碳、氢原子个数比为 21 B该有机物分子中 C、H、O 个数比为 123 C有机物中必定含有氧元素 D无法判断有机物中是否含有氧元素 解析 水蒸气和 CO2的物质的量之比为 11，根据原子守恒可知，有机物分子 中碳、氢原子个数比为 12，A 错误；有机物的相对分子质量未给出，无法判 断有机物中是否含有氧元素
6、，B、C 错误，D 正确。 答案 D 2某化合物 6.4 g 在氧气中完全燃烧，生成 8.8 g CO2和 7.2 g H2O，下列说法中 正确的是( ) A该化合物含碳、氢两种元素 B该化合物中碳、氢原子个数比为 14 C无法确定该化合物是否含有氧元素 D该化合物一定是 C2H8O2 解析 n(CO2) 8.8 g 44 g mol 10.2 mol，m(C)0.2 mol12 g mol 12.4 g，n(H 2O) 7.2 g 18 g mol 10.4 mol， m(H)1 g mol 10.8 mol0.8 g； 则 m(C)m(H)2.4 g 0.8 g3.2 g，3.2 g6.4
7、 g，故该化合物中含有氧元素，其质量为 6.4 g3.2 g 3.2 g， n(O) 3.2 g 16 g mol 10.2 mol， n(C)n(H)n(O)141， 实验式为CH4O， 分子式一定不是 C2H8O2，因为实验式中 H 原子已饱和。 答案 B 3有机物 A 完全燃烧只生成 CO2和 H2O。将 12 g 该有机物完全燃烧后的产物 通过足量浓硫酸，浓硫酸增重 14.4 g，再将剩余气体通过足量碱石灰，碱石灰增 重 26.4 g，则该有机物的分子式是( ) AC4H10 BC2H6O CC3H8O DC2H4O2 解析 浓硫酸增加的质量是 H2O 的质量，碱石灰增加的质量是 CO
8、2的质量，即 m(H2O)14.4 g，m(CO2)26.4 g，由此易求出 m(C)7.2 g，m(H)1.6 g，则 m(O)3.2 g，据此可求出有机物中 C、H、O 的原子个数比为 381，即有机 物 A 的实验式为 C3H8O，因氢原子数已达饱和，故此实验式就是有机物 A 的分 子式。 答案 C 规律方法 有机物分子式的确定方法 (1)直接法 直接计算出 1 mol 有机物中各元素原子的物质的量，即可得出分子式。 (2)实验式法 由各元素的质量分数各元素原子的最简整数比(实验式) 相对分子质量分子式。 (3)通式法 物质的性质等 类别及组成通式(如 CnH2n) 相对分子质量n 值分
9、子式。 (4)化学方程式法 利用燃烧反应的化学方程式时，要抓住以下关键：气体体积变化；气体压强 变化；气体密度变化；混合物平均相对分子质量等。同时可结合适当方法， 如平均值法、十字交叉法、讨论法等技巧来确定有机物的分子式。 探究二 有机化合物分子结构的确定 探究素材 有机化合物分子结构的确定方法 (1)根据有机物成键特点确定：根据有机物成键特点只存在一种结构，则直接根 据分子式确定其结构式。 (2)通过定性实验确定：实验有机物表现的性质及相关结论官能团确定结 构式。 (3)通过定量实验确定： 通过定量实验确定有机物的官能团，如乙醇结构式的确定。 通过定量实验确定官能团的数目， 如测得1 mol
10、某醇与足量钠反应可得到1 mol 气体，则可说明醇分子含有 2 个OH。 (4)仪器法：可用红外光谱、核磁共振氢谱确定有机物中的官能团和各类氢原子 数目，确定结构式。 探究题目 4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 的核磁共振氢谱有 5 组峰，其面积之比为 12223，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
11、子中含一个甲基的依据是_(填字母)。 aA 的相对分子质量 bA 的分子式 cA 的核磁共振氢谱图 dA 分子的红外光谱图 (3)A 的结构简式为_(写出 三种)。 解析 (1)由题意知，有机物 A 中 O 的质量分数为 172.0%6.67%21.33%， Mr(A)150 得 N(C) 15072.0% 12 9，N(H) 1506.67% 1 10，N(O) 15021.33% 16 2，则 A 的分子式为 C9H10O2。 (2)由分子式知，A 中含有 10 个 H，核磁共振氢谱中有 5 组峰，说明 A 中有 5 种 氢，峰面积之比为 12223，则 A 中 5 种 H 的个数比为 1
12、2223， 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 C=O 和 CO，可联想(酯基) ，含 CC 和 CH，综合可知 A 的结构简式为、 、。 答案 (1)C9H10O2 (2)b、c (3) 、 【方法规律】 有机物分子结构确定的物理方法波谱法 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，此时可以利用物理方法(波谱法)来确 定有机物的结构。 质谱可快速、准确测定有机物的相对分子质量。 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。 核磁共振氢谱可推知
13、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。 5(1)有机物 A 的质谱图和红外光谱图分别如下： A 的结构简式为_。 写 出 属 于 醇 类 ， 与A互 为 同 分 异 构 体 的 结 构 简 式 ： _ _。 (2)相对分子质量不超过 100 的有机物 B， 既能与金属钠反应产生无色气体， 又能 与碳酸钠反应产生无色气体，还可以使溴的四氯化碳溶液褪色。B 完全燃烧只生 成 CO2和 H2O。经分析，其含氧元素的质量分数为 37.21%。经核磁共振检测发 现 B 的氢谱如下： B 的结构简式为_。 解析 (1)质谱图中，质荷比的最大值表示样品的相对分子质量，故 A 的相对 分子质量
14、为 74， 由红外光谱图能够推断出 A 中含有对称的CH3与CH2和醚 键，所以 A 为 CH3CH2OCH2CH3。由于 C4H9有 4 种结构，故 A 属于醇类的 同分异构体有 4 种。 (2)推断化合物 B 既要结合氢谱图，还要根据 B 的性质。B 能与金属钠反应产生 无色气体，也能与碳酸钠反应产生无色气体，说明 B 中至少含有一个羧基，同 时还可能含有羟基等，为含氧衍生物。根据含氧量可以试推出 B 的相对分子质 量，如分子中含有 2 个氧原子，则 B 的相对分子质量为 86，如果含有 3 个氧原 子，相对分子质量为 129，大于 100，不符合要求，所以 B 只含有一个羧基，又 因为可
15、以使溴的四氯化碳溶液褪色， 所以还含有碳碳双键。 B的分子式为C4H6O2， 再结合核磁共振氢谱图显示 B 中含有三种等效氢原子，可以推断其结构简式为 CH2=C(CH3)COOH。 答案 (1)CH3CH2OCH2CH3 HOCH2CH2CH2CH3、CH3CH(OH)CH2CH3、 HOCH2CH(CH3)CH3、 (2) 1某有机物完全燃烧只生成 CO2和 H2O，两者的物质的量之比为 23，因而可 以说( ) A该有机物中含 C、H、O 三种元素 B该化合物是乙烷 C该化合物中 C、H 原子个数比为 23 D该化合物中含 C 原子和 H 原子，但不能确定是否含有 O 原子 解析 有机物
16、燃烧生成 CO2和 H2O 的物质的量之比为 23，说明有机物中含有 C、H 元素，而且原子物质的量之比为 13，而有没有 O 元素则不能确定，可 能是乙烷，也可能是乙醇或者甲醚等等。 答案 D 2下列说法错误的是( ) A从核磁共振氢谱图上可以推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们 的相对数目 B红外光谱是用高能电子流等轰击样品分子，使分子失去电子变成分子离子或 碎片离子 C质谱法具有快速、微量、精确的特点 D通过红外光谱图可以初步判断有机物所含的官能团 解析 核磁共振氢谱可测定有机物分子中氢原子的种类及各种类氢原子的个数 比；质谱法是快速、微量、精确测定有机物相对分子质量的方法，它用
17、高能电子 流等轰击样品分子，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子；从红 外光谱图上可以获得分子中含有的化学键或官能团的信息。 答案 B 3.为测定某有机物的结构，用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱， 则该有机物可能是( ) AC2H5OH B. CCH3CH2CH2COOH D. 解析 由题图可知， 该分子中有 3 种氢原子。 乙醇分子中有 3 种氢原子， A 正确； 连在同一个碳原子上的甲基上的氢原子相同，所以 B 有 2 种氢原子，错误；C 有 4 种氢原子，错误；该分子结构对称，D 有 2 种氢原子，错误。 答案 A 4燃烧 0.2 mol 某有机物，得到 0.4 m
18、ol CO2和 0.6 mol H2O，由此可得出的结论 是( ) A该有机物含有 2 个碳原子和 6 个氢原子 B该有机物中碳元素和氢元素的原子个数比为 31 C该有机物中含有 2 个 CO2和 3 个 H2O D该有机物的 1 个分子里含有 2 个碳原子和 6 个氢原子，还可能含有氧原子 解析 A 项，该有机物的 1 个分子里含有 2 个碳原子和 6 个氢原子；B 项，该有 机物中碳元素和氢元素的原子个数比为 13， C 项， 有机物燃烧生成 CO2和水， 不是该有机物中含二氧化碳和水。 答案 D 5汽车污染主要来源于汽车配件和材料、操控台、坐椅、车顶毡、脚底垫和所 使用的零配件、胶水、涂
19、料、泡沫、塑料、橡胶、皮革、皮革着色剂、填充料等 汽车本身的物件，它们都会产生大量的有毒气体，这些有毒气体大都是有机物。 其中一种有毒气体的质谱图如下图， 则由图可知该气体的相对分子质量是_，若该分子含有苯环，核磁共振氢 谱中有 4 个吸收峰，则有机物的名称为_，其苯环上的一氯代物有 _种。 解析 从质谱图中可以看出，该分子的相对分子质量为 92，再根据核磁共振氢 谱中有 4 个吸收峰，可以判断出应是甲苯，其苯环上的一氯代物有 3 种。 答案 92 甲苯 3 6某含氧有机化合物可以作为无铅汽油的抗爆震剂，其相对分子质量为 88.0， 含 C 的质量分数为 0.682，含 H 的质量分数为 0.136，其余为 O。 (1)试确定该化合物的分子式。 (2)经红外光谱和核磁共振氢谱显示该分子中有 4 个甲基，请写出其结构简式。 解析 (1)(实验式法)该化合物中 w(O)1.0000.6820.1360.182 N(C)N(H)N(O) 0.682 12 0.136 1 0.182 16 5121，该化合物的实验式为 C5H12O，由于碳原子已饱和，则该有机物的分子式为 C5H12O。 (2)由于该有机物分子中有 4 个甲基，除去这 4 个甲基外，还有 ， 所以 C 和 O 应被 4 个甲基包围， 结构简式为。 答案 (1)C5H12O (2)