1、第四节 研究有机化合物的一般步骤和方法第 2 课时 元素分析与相对分子质量的测定 分子结构的鉴定学习目标定位 1.通过对典型实例的分析，初步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.能够根据实验和某些物理方法确定有机化合物的结构。1鉴定有机物中含有哪些元素(定性分析)(1)将某有机物在 O2 中充分燃烧后，各元素对应的燃烧产物：CCO 2；HH 2O；NN 2；SSO 2。(2)若将有机物完全燃烧，生成物只有 H2O(使无水 CuSO4 变蓝)和 CO2(使澄清石灰水变浑浊) ，则该有机物中一定含有的元素是 C、H，可能含有的元素是 O。(3)判断
2、是否含氧元素，可先求出产物 CO2 和 H2O 中 C、H 两元素的质量和，再与有机物的质量比较，若两者相等，则说明原有机物中不含氧元素，否则有机物中含氧元素。2确定有机物中各元素的质量分数(定量分析)(1)有机物中元素定量分析原理( 李比希法)先用红热的 CuO 作氧化剂将仅含 C、H、O 元素的有机物氧化，然后分别用无水 CaCl2和 KOH 浓溶液吸收生成的水和二氧化碳；根据吸收前后吸收剂的质量变化即可算出反应生成的水和二氧化碳的质量，从而确定有机物中氢元素和碳元素的质量，剩余则为氧元素的质量；最后计算确定有机物分子中各元素的质量分数。(2)实验式(最简式 )和分子式的区别实验式表示化合
3、物分子中所含元素的原子数目最简单整数比的式子；分子式表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子；二者中各元素的质量分数相等，可能不同的是原子个数。探究点一 有机物分子式的确定1有机物相对分子质量的确定方法(1)根据标准状况下气体的密度 ，计算该气体的相对分子质量 M22.4 ( 限于标准状况下)。(2)依据气体的相对密度 D，计算气体的相对分子质量 MADM B。(3)A、B 两种气体组成的混合气体中，它们的体积分数分别为 w(A)、w(B) ，该混合气体的平均相对分子质量 MM Aw(A)M Bw(B)。(4)质谱法可以测定有机物的相对分子质量，在质谱图中，最大的质荷比就是有机物的 相对分
4、子质量。2有机物分子式的确定方法(1)实验测得某碳氢化合物 A 中，含碳 80%，含氢 20%，求该化合物的实验式 。又测得该化合物的相对分子质量是 30，求该化合物的分子式 。答案 CH 3 C 2H6解析 方法一：(1)n(C)n(H) 13，该化合物的实验式是 CH3。80%12 20%1(2)设该化合物分子中含有 n 个 CH3，则：n 2，该化合物的分子式是MrAMrCH3 3015C2H6。方法二：A 分子式中各元素原子的数目：n(C) 2 n(H) 63080%12 3020%1A 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)CO 2
5、 和 0.05 mol H2O。该有机物的蒸气对空气的相对密度是 1.04，求该有机物的分子式 。答案 CH 2O解析 有机物的相对分子质量是 1.042930有机物的物质的量为 0.05 mol1.50 g30 gmol 1有机物分子中含有：C： 11.12 L22.4 Lmol 10.05 molH： 20.05 mol 20.05 molO： 130 121 1216有机物分子式为 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。试
6、求该有机物的分子式 。答案 C 3H6O3解析 设有机物的分子式为 CxHyOzCxHyOz (x )O2 x CO2 H2Oy4 z2 y290 g 44x g 9y g1.8 g 2.64 g 1.08 g90 g1.8 g44x g2.64 g x390 g1.8 g9y g1.08 g y6z 390 312 6116有机物分子式为 C3H6O3。归纳总结有机物分子式的确定方法：(1)实验方法先根据有机物各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数比(最简式) 。再根据有机物的摩尔质量(相对分子质量 )，求出有机物的分子式。(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
7、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。活学活用1某气态有机物 X 含 C、H、O 三种元素，已知下列条件，现欲确定 X 的分子式，所需的最少条件是( )X 中含碳质量分数 X 中含氢质量分数 X 在标准状况下的体积 质谱确定 X 的相对分子质量 X 的质量A B C D答案 B解析 由 C、H 的质量分数可推出 O 的质量分数，由各元素的质量分数可确定 X 的实验式，由相对分子质量和实验式可确定 X 的分子式。2某含碳、氢、氧三种元素的有机物 X 质谱图如图所示。
8、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%，该有机物的分子式是 。答案 C 4H10O解析 常用实验式和相对分子质量来确定有机物的分子式。本题可以根据题目中所给各元素的质量分数求出该有机物的实验式，再分析该有机物的质谱图找出相对分子质量，进而求出分子式。由题意可知，氧的质量分数为 164.86% 13.51% 21.63%。各元素原子个数比：N(C)N(H) N(O) 4101。64.86%12 13.51%1 21.63%16故该有机物的实验式为 C4H10O，实验式的相对分子质量为 74。观察该有机物的质谱图，质荷比最大的数值为 74，所以其相对分子质量
9、为 74，该有机物的分子式为 C4H10O。探究点二 有机物结构式的确定1阅读下列材料，回答问题：红外光谱(infrared spectroscopy)中不同频率的吸收峰反映的是有机物分子中不同的化学键或官能团的吸收频率，因此从红外光谱可以获得有机物分子中含有何种化学键或官能团的信息。核磁共振氢谱(nuclear magnetic resonance spectra)中有多少个峰，有机物分子中就有多少种处在不同化学环境中的氢原子；峰的面积比就是对应的处于不同化学环境的氢原子的数目比。(1)红外光谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物分子含有的化学键和官能团 。(2)核磁共振氢谱在确定有机物
10、分子结构中的作用是推知有机物分子有几种不同类型的氢原子及各自的数目。(3)分析乙醇和甲醚的核磁共振氢谱，填写下表：乙醇 甲醚核磁共振氢谱氢原子类型吸收峰数目3 氢原子类型吸收峰数目1结论 不同氢原子的个数之比不同吸收峰的面积之比213只有一种类型的氢原子2.根据题给条件，确定有机物的结构(1)烃 A 分子式为 C3H6 且能使溴的四氯化碳溶液褪色，其结构简式为 CH3CH=CH2。(2)实验测得某醇 1 mol 与足量钠反应可得 1 mol 气体，该醇分子中含羟基的个数是 2。(3)烃 B 的分子式为 C8H18，其一氯代烃只有一种，其结构简式是 。(4)化学式为 C2H8N2 的有机物经实验
11、测定知，其分子中有一个氮原子不与氢原子相连，则确定其结构简式为 。归纳总结有机物分子结构的确定方法(1)物理方法红外光谱法：初步判断有机物中含有的官能团或化学键。核磁共振氢谱：测定有机物分子中氢原子的类型和数目。氢原子的类型吸收峰数目不同氢原子个数比不同吸收峰面积比(2)化学方法根据价键规律，某些有机物只存在一种结构，可直接由分子式确定结构。官能团的特征反应定性实验确定有机物中可能存在的官能团。通过定量实验，确定有机物中的官能团及其数目。活学活用3下列化合物分子，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号峰的是( )答案 C解析 有机物中含有几种不同类型的氢原子，在核磁共振氢谱上就能出现几种信号峰，现题
12、给有机物在核磁共振氢谱图中有三种信号峰，这表明有机物分子中含有三种不同类型的氢原子。4某有机物 X 由 C、H、O 三种元素组成，它的红外吸收光谱表明有羟基 OH 键、CO 键和烃基上 CH 键的红外吸收峰。X 的核磁共振氢谱有四个峰，峰面积之比是4112(其中羟基氢原子数为 3)，X 的相对分子质量为 92，试写出 X 的结构简式 。答案 解析 由红外吸收光谱判断 X 应属于含有羟基的化合物。由核磁共振氢谱判断 X 分子中有四种不同类型的氢原子，若羟基氢原子数为 3(两种类型氢原子) ，则烃基氢原子数为 5 且有两种类型。由相对分子质量减去已知原子的相对原子质量就可求出碳原子的个数：3。故分
13、子式为 C3H8O3。羟基氢原子有两种类型，判断三个羟基应分别92 317 512连在三个碳原子上，推知结构简式为 。有机物结构的确定方法思路1能够确定有机物相对分子质量的方法是( )A红外光谱 B质谱C核磁共振氢谱 D紫外光谱答案 B2某有机物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的水和二氧化碳，则该有机物必须满足的条件是( )A分子中的 C、H、O 的个数比为 123B分子中 C、H 个数比为 12C该有机物的相对分子质量为 14D该分子中肯定不含氧原子答案 B解析 根据生成等物质的量的 H2O 和 CO2，只能推断出分子中 C、H 个数比为 12，不能确定是否含有氧原子，也不能推断其相对分子质
14、量。3在相同状况下，相同体积的两种烃蒸气，完全燃烧生成的 CO2 的体积比为 12，生成水的体积比为 23，则这两种烃可能的组合是(写分子式) ：(1) 和 。(2) 和 。(3) 和 。答案 (1)CH 4 C2H6 (2)C 2H4 C 4H6 (3)C 3H8 C 6H12解析 相同状况下，相同体积烃的两种蒸气物质的量相同，完全燃烧生成 CO2 体积之比为12，生成水体积之比为 23，可设这两种烃的分子式分别为 CnH2m、C 2nH3m，所以满足通式的有 CH4 和 C2H6，C 2H4 和 C4H6，C 3H8 和 C6H12。4某种有机物在气态时对 H2 的相对密度为 30，充分燃
15、烧 3.0 g 此有机物可得 3.36 L 二氧化碳(标准状况)和 3.6 g 水。此有机物能与金属钠反应。(1)该有机物的分子式是 ；(2)该有机物的结构简式有 。答案 (1)C 3H8O(2)CH3CH2CH2OH 或 CHCH 3OHCH3解析 根据题意可得：M r30260。有机物中各元素的质量为m(C) 12 gmol1 1.8 g，3.36 L22.4 Lmol 1m(H) 21 gmol1 0.4 g，3.6 g18 gmol 1m(O)3.0 g1.8 g0.4 g0.8 g。则有机物分子中N(C) 3，1.8 g12 gmol 1 3.0 g60 gmol 1N(H) 8，0
16、.4 g1 gmol 1 3.0 g60 gmol 1N(O) 1。0.8 g16 gmol 1 3.0 g60 gmol 1故得分子式为 C3H8O。正好符合饱和一元醇和醚的通式，由于该有机物能和钠反应，则该有机物属于醇类。综上所述，该有机物的结构简式为 CH3CH2CH2OH 或 CHCH3OHCH3。5为测定某有机物 A 的结构，设计了如下实验： 将 2.3 g 该有机物完全燃烧，生成了0.1 mol CO2 和 2.7 g H2O；用质谱仪实验得质谱图；用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图，图中三个峰的面积比为 123。试回答下列问题：(1)有机物 A 的相对分子质量为 。(2)有
17、机物 A 的实验式为 。(3)根据 A 的实验式 (填“能”或“不能”) 确定 A 的分子式。(4)A 的分子式为 ，结构简式为 。答案 (1)46 (2)C 2H6O (3)能 (4)C 2H6O CH 3CH2OH解析 质谱图中最大质荷比即为有机物的相对分子质量，所以根据质谱图可知 A 的相对分子质量为 46。2.3 g A 完全燃烧生成 0.1 mol CO2 和 2.7 g H2O，则可计算出 A 的分子式为(C2H6O)n，即 A 的实验式为 C2H6O。由于 H 原子已经饱和，所以该实验式就是分子式。根据核磁共振氢谱图可知，A 中有三种化学环境不同的 H 原子且数目之比为 123，又因为 A 的通式符合饱和一元醇的通式，所以 A 的结构简式为 CH3CH2OH。
