1、第第 2 节节 有机化合物结构的测定有机化合物结构的测定 第第 1 课时课时 有机化合物分子式的确定有机化合物分子式的确定 核心素养发展目标 1.证据推理与模型认知：学会测定有机物元素含量、相对分子质量的 一般方法，建立确定有机物分子式的思维模型。2.宏观辨识与微观探析：通过燃烧分析法、 质谱法等微观探析有机物分子的元素组成、相对分子质量及元素的质量分数。 一、有机化合物元素组成的确定 1有机化合物元素组成的分析 (1)确定有机物中含 C、H 元素的方法 若将有机物完全燃烧，生成物使无水 CuSO4变蓝色、澄清石灰水变浑浊，则该有机物中一定 含有 C、H 元素，可能含有 O 元素。 (2)确定
2、有机物是否含 O 元素的方法 有机物完全燃烧产物为 CO2和 H2O，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(CO2)，m(H) 2 18m(H2O)。 若 m(有机物)m(C)m(H)，则说明该有机物中只含 C 和 H 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)。 2有机化合物中各元素质量分数的测定 (1)碳、氢元素质量分数的测定燃烧分析法 (2)氮元素质量分数的测定 样品 CO2气流 Cu
3、O催化N2 测定 N2的体积 计算 氮元素的质量分数 (3)卤素质量分数的测定 样品 .NaOH溶液 .稀硝酸、AgNO3溶液AgX 计算 卤素的质量分数 (4)氧元素质量分数的计算 氧元素的质量分数100%其他元素质量分数之和。 例 1 某化合物 6.4 g 在氧气中完全燃烧只生成 8.8 g CO2和 7.2 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无法确定该化合物中是否含氧元素 D该化合物中一定含氧元素 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物组成元素的分析 答案 D 解析 n(CO2) 8.8 g 44 g mo
4、l 10.2 mol m(C)0.2 mol12 g mol 12.4 g n(H2O) 7.2 g 18 g mol 10.4 mol m(H)0.4 mol21 g mol 10.8 g m(C)m(H)2.4 g0.8 g3.2 g6.4 g 所以该化合物中含氧元素 n(O)6.4 g3.2 g 16 g mol 10.2 mol 所以 n(C)n(H)n(O)0.20.80.2141。 规律总结 完全燃烧只生成 H2O 和 CO2的有机物不一定含有氧元素， 可根据氧原子守恒判断有机物中是 否含有氧元素。 二、有机物分子式的确定 1有机物相对分子质量的测定质谱法 (1)原理 用高能电子流
5、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。 (2)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。 2有机物分子式的确定方法 (1)直接法 由题意求算出 1 mol 有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确定各原子的个数，即可 推出分子式。 利用相对分子质量及各元素质量分数求算出 1 分子有机物中各元素的原子个数，从而确定 分子式。
6、例如：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： N(C) 1.12 L 22.4 L mol 10.05 mol1， N(H)0.05 mol2 0.05 mol 2， N(O)3012112 16 1。 故该有机物分子式为 CH2O。 (2)实验式法 先利用有机物中各元素的质量分数求出有机物的最简式，再结合有机
7、物的相对分子质量求得 分子式。 例如：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，该化合物的分子式为_。 答案 CH3 C2H6 解析 n(C)n(H)80% 12 20% 1 13，该化合物的实验式是 CH3。 方法一：设该化合物分子式为(CH3)n，则 n MrA MrCH3 30 152；故该化合物的分子式是 C2H6。 方法二：A 分子式中各元素原子的数目： N(C)3080% 12 2 N(H)3020% 1 6 故该化合物 A 的分子式是 C2H6。 (3)化学方程式法 利用燃烧反应的化学方程式，由题给条件
8、并依据下列燃烧通式所得 CO2和 H2O 的量求解 x、 y、z。 CxHy(xy 4)O2 点燃 xCO2y 2H2O。 CxHyOz(xy 4 z 2)O2 点燃 xCO2y 2H2O。 例如：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 g 2.64 g
9、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。 1确定有机物分子式的一般途径 2确定有机物分子式的其他方法 (1)利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定 类别 通式 相对分子质量 烷烃 CnH2n2 Mr14n2(n1) 环烷烃、烯烃 CnH2n Mr14n(烯烃 n2， 环烷 烃 n3) 二烯烃、炔烃 CnH2n2 Mr14n2(炔烃 n2) 苯及苯的同系物 CnH2n6 Mr14n6(n6) 饱和醇 CnH2n2Ox Mr14n216x 饱和一元醛 CnH2nO
10、Mr14n16 饱和一元羧酸及酯 CnH2nO2 Mr14n32 (2)商余法(只适用于烃) Mr 14n2(烷烃)， Mr 14n(烯烃、环烷烃)， Mr 14n2(炔烃、二烯烃)， Mr 14n6(苯或苯的同系物)。 例 2 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_。 (2)确定分子式：如图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为_；分子式为 _。 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式的确定方法 答案 (1)C4H10O (2)74 C4H10O
11、解析 (1)该物质中碳、氢、氧原子个数之比64.86% 12 13.51% 1 21.63% 16 4101，其实验 式为 C4H10O。 (2)由质谱图知其相对分子质量为 74，而其实验式的相对分子质量为 1241101674， 故其分子式为 C4H10O。 相关链接 有机物相对分子质量的计算方法 (1)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。 (2)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。 (3)混合物的平均相对分子质量： M m 总 n总。 例3 某卤代烃的蒸气对同温、 同压下H2的相对密度是
12、54.5。 取5.45 g该卤代烃与足量NaOH 溶液反应后，再加入过量的稀 HNO3酸化至溶液显酸性，最后加入过量的 AgNO3溶液可生成 9.40 g 浅黄色沉淀，则此卤代烃是( ) ACH3Cl BCH3CH2Cl CCH3CH2Br D 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式的确定方法 答案 C 解析 Mr(卤代烃)54.52109， n(卤代烃) 5.45 g 109 g mol 10.05 mol， n(AgBr) 9.40 g 188 g mol 1 0.05 mol，因此该卤代烃是一溴代烃，故分子式为 RBr，Mr(R)1098029，即 R为 CH3CH2。 例
13、 4 为了测定一种气态烃 A 的化学式，取一定量的 A 与氧气置于一密闭容器中燃烧，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(箭头表示气流方向，实验前系统内的空气 已排尽)： 甲方案：燃烧产物 浓硫酸 增重 1.26 g 碱石灰 增重 1.32 g 点燃 生成 CO2 1.76 g 乙方案：燃烧产物 碱石灰 增重 2.58 g 灼烧CuO减重 0.64 g 石灰水 增重 4.0 g 试回答： (1)你认为能够求出 A 的最简式的方案是_(填“甲”或“乙”)，理由是 _。 (2)根据你选择的方案，通
14、过计算确定 A 的最简式为_。 (3)若要确定 A 的化学式_(填“需要”或“不需要”)测定其他数据，其原因是 _ _。 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式测定实验 答案 (1)甲 甲方案先将产物通过浓硫酸，其增重为 H2O 的质量，再通过碱石灰，其增重为 CO2的质量，而点燃则将 CO 转化为 1.76 g CO2。由此可求得 A 中的 C、H 原子个数比，从 而确定出 A 的最简式，而乙方案先将产物通过碱石灰，增重的是燃烧产物中 CO2和 H2O 的 质量之和，而无法求出 CO2和 H2O 的质量各为多少，无法确定出 A 的最简式 (2)CH2 (3)需要 A 的最简式中
15、，氢原子数未达饱和，确定 A 的化学式，还需要测定其相对 分子质量 解析 (2)浓硫酸增重 1.26 g 为 H2O 的质量，从而可求得气态烃 A 中，n(H)1.26 g 18 g mol 120.14 mol， 根据碳元素守恒，若有机物完全燃烧产生的 CO2为 132 g1.76 g3.08 g n(C)3.08 g 44 g mol 10.07 mol n(C)n(H)0.07 mol0.14 mol12，故有机物最简式为 CH2。 1(2019 武汉高二月考)某有机物在氧气中充分燃烧，生成的水蒸气和 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 2
16、1 B该有机物分子中 C、H、O 个数比为 123 C有机物中必定含氧 D无法判断有机物中是否含有氧元素 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物组成元素的分析 答案 D 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， B、C 错误，D 正确。 2(2018 临沂高二期末)A 是一种含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。已知 A 中碳元素的 质量分数为 44.1%，氢元素的质量分数为 8.82%，那么 A 的实验式是( ) AC5H12O4 BC5H12O3
17、CC4H10O4 DC5H10O4 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式的确定方法 答案 A 解析 N(C)N(H)N(O)44.1% 12 8.82% 1 144.1%8.82% 16 5124。 3(2018 青岛高二期中)某物质在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数比为 21， 则该物质可能是( ) CH4 C2H4 C2H5OH CH3OH A B C D 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式的确定方法 答案 B 解析 该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数比为 21，即 N(H2O)N(CO2)21， 则该物质中氢原子与碳原子个数之比为(22)1
18、41，化学式满足 N(C)N(H)14 的 有CH4、CH3OH，所以 B 正确。 4将 0.1 mol 某有机物与 0.3 mol O2混合，于密闭反应器中用电火花点火，将燃烧产物通入 过量的澄清石灰水中， 可得到沉淀 20.0 g， 溶液质量减少 5.8 g； 剩余气体继续通过灼热的CuO， 可以使 CuO 质量减少 1.6 g，由此可知该有机物的分子式为( ) AC2H6O BC3H6O CC3H6O2 DC4H8O2 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式的确定方法 答案 C 解析 将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中，可得到沉淀 20.0 g 为生成 CaCO3的质量，其物
19、 质的量为 20.0 g 100 g mol 10.2 mol， 根据碳原子守恒知生成 CO2的物质的量为 0.2 mol， 该有机物 的燃烧产物可以使CuO 还原为Cu， 说明有CO 产生，可以使CuO 减少1.6 g， 则n(CO)0.1 mol， 故 0.1 mol 有机物含有 C 原子为 0.2 mol0.1 mol0.3 mol；由题意知，溶液质量减少 5.8 g， 故燃烧生成水的质量为 20.0 g0.2 mol44 g mol 15.8 g5.4 g，故 n(H 2O) 5.4 g 18 g mol 1 0.3 mol， 故0.1 mol有机物含有H原子为0.3 mol20.6
20、mol； 故n(有机物)n(C)n(H)n(O) 0.1 mol0.3 mol0.6 mol(0.220.30.10.32)mol1362， 故该有机物分子 式为 C3H6O2。 5(2018 南京高二期中)某气态烃对空气的相对密度为 2，在氧气中充分燃烧 1.16 g 这种烃， 并将所得产物通过装有无水氯化钙的干燥管和装有碱石灰的干燥管，当称量这两个干燥管的 质量时，它们依次增重 1.8 g 和 3.52 g。这种烃的化学式是( ) AC2H6 BC4H10 CC5H10 DC5H12 【考点】 有机物分子式的确定 【题点】 有机物分子式的确定方法 答案 B 解析 该烃的相对分子质量为 29
21、258， 则 1.16 g 该烃的物质的量为 1.16 g 58 g mol 10.02 mol， 装有无水 CaCl2的干燥管增重的 1.8 g 为生成水的质量，其物质的量为 1.8 g 18 g mol 10.1 mol， 装有碱石灰的干燥管增重的3.52 g 为生成二氧化碳的质量，其物质的量为 3.52 g 44 g mol 10.08 mol， 根据原子守恒可知烃分子中 N(C)0.08 mol 0.02 mol4、N(H) 0.1 mol2 0.02 mol 10，故该烃的分子式为 C4H10，故 B 正确。 6(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
22、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 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_。 答案 (1)100 (2)C5H8O2 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 中氢元素的物质的量 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 中碳元素的物质的量 22.0 g 44 g mol 10.5 mol，根据质量守恒，氧元素的质量为 10.0 g0.8 mol1 g mol 10.5 mol 12 g mol 13.2 g，则氧元素的物质的量为 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。
