高中化学第1章第4节第2课时有机物分子式与分子结构的确定教案新人教版选修5

高中化学第1章第4节第2课时有机物分子式与分子结构的确定

教案新人教版选修5

第2课时有机物分子式与分子结构的确定目标与素养：1.了解测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，能确定有机化合物分子式。(证据推理)2.知道通过化学实验和某些物理方法可以确定有机化合物的分子结构。(科学探究)3.初步了解质谱、红外光谱、核磁共振氢谱的原理及用途。(宏观辨识)

一、元素分析与相对分子质量的测定

1．元素分析

(1)定性分析：确定有机物分子的元素组成。

用化学方法鉴定有机物分子的元素组成。如燃烧后，一般C生成CO2、H生成H2O、N生成N2、S生成SO2、Cl生成HCl。

(2)定量分析法(李比希法)

例如：某含C、H、O三元素的未知物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%。则：

①氧的质量分数为34.70%；

②C、H、O的原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)＝2∶6∶1；

③该未知物的实验式为C2H6O。

2．相对分子质量的测定——质谱法

(1)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、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的不同而先后有别，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，由图可知，样品分子的相对分子质量为46。

二、分子结构的鉴定

1．红外光谱

(1)作用：初步判断某有机物中含有何种化学键或官能团。

(2)原理：不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。

例如：分子式为C2H6O的红外光谱上发现有O—H键，C—H键和C—O键，可推知该分子的结构简式为C2H5—OH。

2．核磁共振氢谱

(1)作用：测定有机物分子中氢原子的种类和数目。

(2)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，在谱图上出现的位置也不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

(3)分析：吸收峰数目＝氢原子种类，吸收峰面积比＝氢原子数之比。

例如，C2H5—OH的核磁共振氢谱有三个峰，面积之比为1∶2∶3。而CH3OCH3的核磁共振氢谱有一个峰。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)燃烧后只产生CO2和H2O的物质不一定只含有碳、氢两种元素。

(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)根据核磁共振氢谱可推知分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目。

[答案](1)√(2)√(3)×(4)√

2．如图是某有机物核磁共振氢谱图，则该有机物的结构简式是( )

A ．CH 3CH 2CH 3

B ．CH 3CH===CHCH 3

C ．CH 3COOCH 2CH 3

D ．CH 3CHOHCH 3

[答案] C

3．经测定，咖啡因分子中各元素的质量分数是：碳49.5%，氢5.2%，氧16.5%，氮28.9%，且其相对分子质量为194.1，则咖啡因的分子式为________。

[答案] C 8H 10O 2N 4

有机物分子式的确定

一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO 2和H 2O ，其组成元素可能为C 、H 或C 、H 、O 。欲判断该有机物分子是否含氧元素，首先应求出产物CO 2中碳元素的质量及H 2O 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。

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O 2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：

C x H y ＋(x ＋y

4)O 2――→点燃

x CO 2＋y

2

H 2O ；

C x H y O z ＋(x ＋y 4－z

2)O 2――→点燃

x CO 2＋y

2

H 2O 。

(5)余数法

用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。

M r(C x H y)

M r(CH2)

＝

M

14

＝A……

??

?

??余2 为烷烃

除尽为烯烃或环烷烃

差2 为炔烃或二烯烃等

差6 为苯或苯的同系物等

其中商数A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物等)。

模型认知：分子式的确定模板

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 ( )

①CH4②C2H4③C2H5OH ④CH3OH

A．②③B．①④

C．①③ D．②④

B[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。] 2．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，则该化合物的分子式为( )

A．C2H6O2B．C2H6O

C．C2H4O2D．C2H4O

B[n(C)＝

17.6

44

mol＝0.4 mol，n(H)＝

10.8

18

×2＝1.2 mol，n(O)＝9.2 g－0.4×12 g－1.2×1 g

16 g·mol－1

＝0.2 mol，故N(C)∶N(H)∶N(O)＝2∶6∶1。]

有机物分子结构的确定

在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

2．通过核磁共振氢谱可确定氢原子的种类与数目。

3．举例

已知：①经元素定量分析推算出其最简式为C2H6O。

②经质谱法测定其相对分子质量为46，可以确定其分子式为C2H6O，推测其结构可能为

③红外光谱图表明物质A中含有C—H键、O—H键、C—O键，初步判断A中含有—OH，结构简式可写为C2H5—OH。

④未知物A的核磁共振氢谱有三个吸收峰(如甲所示)，即有三种氢原子。若是结构(a)，其核磁共振氢谱中只有一个峰，即只有一种氢原子(如乙所示)。故物质A的结构应该为(b)，即A为乙醇。

甲未知物A的核磁共振氢谱乙二甲醚的核磁共振氢谱由上可知：红外光谱和核磁共振氢谱共同结合能够基本确定有机物的结构。

3．下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物分子可能为( )

A．CH3COOCH2CH3 B．CH3CH2CH2COOH

C．HCOOCH2CH2CH3 D．(CH3)2CHCH2COOH

A[本题所给选项的结构简式分别为A项、B项CH3CH2CH2COOH、

C项、D项，首先排除D项，因D项的分子式为C5H10O2，与题设不符；再由图像可知有不对称CH3，则排除B、C项，而A项存在不对称CH3、C===O与C—O—C，所以有可能。]

4．现有某物质的核磁共振氢谱如图所示。

则该有机物可能是( )

A．CH3CH2CH2OH

B．HOOCCH2CH2COOH

A[由核磁共振氢谱图中峰的个数可推知该有机物有4种不同化学环境的氢原子。四个选项中有机物的氢原子种类分别为4种、2种、2种、1种。因此只有A项正确。]

有机物结构确定的其他方法

(1)根据价键规律确定

某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构简式。例如C2H6，只能是CH3CH3。

(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→确定结构简式。

如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有双键或三键。

(3)根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物。

实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼凑”。

(4)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个该醇分子中含2个—OH。

1．为验证某有机物(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)属于烃的含氧衍生物，下列方法正确的是( )

A．验证其完全燃烧后的产物只有H2O和CO2

B．测定其燃烧产物中H2O和CO2的物质的量之比

C．测定其完全燃烧时消耗有机物的物质的量与生成的H2O和CO2的物质的量之比

D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成的H2O和CO2的质量

D[A项，烃的含氧衍生物或烃燃烧都生成H2O和CO2，不能确定是否含有氧元素，错误；B项，测定其燃烧产物中H2O和CO2的物质的量之比只能确定该有机物分子中碳原子、氢原子的个数比，不能确定是否含有氧元素，错误；C项，测定其完全燃烧时消耗有机物的物质的量与生成的H2O和CO2的物质的量之比，只能确定该有机物分子中碳原子和氢原子的个数，不能确定是否含有氧元素，错误；D项，测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成的H2O和CO2的质量，可以确定一定质量的有机物中含有碳、氢元素的质量，根据质量守恒可确定是否含有氧元素，正确。]

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．①②⑥B．①③⑤

C．①②④ D．①②③④⑤

C[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。] 3．下列物质的核磁共振氢谱图中，有5个吸收峰的是( )

B[核磁共振氢谱图中峰的数目等于氢原子类型的数目。A项分子中含有2种氢原子，错误；B项分子中含有5种氢原子，正确；C项分子中含有4种氢原子，错误；D项分子中含有4种氢原子，错误。]

4．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

B[根据图示可知该有机物的摩尔质量为16 g/mol。]