高二化学教案-知识讲解_有机化合物结构的测定_基础.doc

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1、有机化合物结构的测定（基础）编稿：房鑫 审稿：张灿丽【学习目标】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，并能根据其确定有机化合物的分子式；2、了解确定有机物结构的化学方法和某些物理方法。【要点梳理】要点一、有机化合物最简式的确定 1确定有机化合物分子式的思路 确定有机化合物的分子式，可先确定有机化合物的元素组成，再测定出这些元素各自的质量分数，求出这些元素个数比，即得到最简式。再测出有机化合物的相对分子质量，结合最简式可求出分子式。 【高清课堂：研究有机化合物的一般步骤和方法#元素分析与相对分子质量的测定】 2有机化合物元素组成的测定 有机物的元素定量分析最早是由德国人李比希提

2、出的，其原理是将一定量的有机物燃烧，分解为简单无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算并确定出有机物的实验式。 组成有机化合物最常用的元素为C、H、O，有的还含有N、X(卤素)、S等元素，可先测定出这些元素各自的质量分数。(1)C、H元素质量分数的测定常用的是燃烧分析法。一般来说，有机物完全燃烧后，各元素对应产物为：CCO2，HH2O，ClHCl。某有机物完全燃烧后若产物只有CO2和H2O，则其组成元素可能为C、H或C、H、O。欲判定该有机物中是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将碳、氢元素的质量之和与原有机物

3、质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧；否则，原有机物的组成含氧。根据C、H、O的质量可求出各自的质量分数。C、H元素的含量也可以利用仪器分析方法测定。(2)N元素的质量分数的测定将样品通入CO2气流中，在CuO的催化作用下燃烧生成N2。用KOH溶液把CO2气体全部吸收，剩余的气体为生成的N2，测出N2体积，求出N2的物质的量，计算N元素的质量，求出N元素的质量分数。(3)卤素(X)质量分数的测定将样品中的X原子转化为X，滴加AgNO3溶液生成AgX沉淀，根据沉淀的量，计算出X的物质的量，算出质量，最终求出样品中卤素的质量分数。 有机化合物元素组成测定示意图如下： 现在，元素定量分析采

4、用的是现代化的元素分析仪，由计算机控制，其分析速度和分析的精确度已达到很高的水平。 3求出有机化合物的实验式 由各元素的的质量分数，除以各自的相对原子质量，所得数值相比可求出各元素原子的个数比，即得最简式，又叫实验式。 实验式(最简式)和分子式的区别与联系 (1)最简式是表示化合物分子所含各元素的原子数目最简单整数比的式子。不能确切表明分子中的原子个数。 要点诠释： 最简式是一种表示物质组成的化学用语； 无机物的最简式一般就是化学式； 有机物的元素组成简单，种类繁多，具有相同最简式的物质往往不止一种； 最简式相同的物质，所含各元素的质量分数是相同的，若相对分子质量不同，其分子式就不同。例如，苯

5、 (C6H6)和乙炔(C2H2)的最简式相同，均为CH，故它们所含C、H元素的质量分数是相同的。 (2)分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。 要点诠释： 分子式是表示物质组成的化学用语； 无机物的分子式一般就是化学式； 由于有机物中存在同分异构现象，故分子式相同的有机物，其代表的物质可能有多种； 分子式(最简式)n。既然分子式(最简式)n，n值的求法需借助有机物的相对分子质量，由相对分子质量除以最简式的式量，即求出n值，也就求出了分子式。 4有机物的相对分子质量的测定 测定有机物的相对分子质量的方法很多，可以依据理想气体状态方程并采用特定的装置进行测定，也可以使用质谱仪进行测

6、定。 质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法。它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，它们在磁场作用下到达检测器的时间因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱图，在质谱图中最大的分子离子的质荷比就是有机物的相对分子质量。 质谱记录了有机化合物分子失去一个电子而成为带正电荷的离子的质量大小，其中最大的离子质量就是有机化合物的相对分子质量。 要点二、有机化合物分子式的确定方法 1直接求算法 直接求算出1 mol气体中各元素原子的物质的量，即可推出分子式，如给出一定条件下的密度（或相对密度）及各

7、元素的质量比，求出分子式的途径为：密度（或相对密度）摩尔质量1 mol气体中各元素原子的物质的量分子式。 2求最简式（实验式） 根据分子式为最简式的整数倍，因此利用相对分子质量及求得的最简式可确定其分子式。 3余数法（只适用于烃） （1）用烃的相对分子质量除14，看商数和余数。 其中商数A为烃中的碳原子数。 （2）若烃的类别不确定：可用相对分子质量Mr除以12，看商和余数。 此法适用于具有确定通式的烃（如烷烃、烯烃、炔烃、苯的同系物等）。 即：余y，分子式为CxHy。 4化学方程式法：利用化学方程式求分子式。推出有机化合物的分子式之后，还要分析其结构，从而分析有机化合物的性质。要点三、有机化合

8、物结构式的确定【高清课堂：研究有机化合物的一般步骤和方法#确定结构式】 测定有机物的结构，关键步骤是判定分子的不饱和度及典型的化学性质，进而确定分子中所含的官能团及其所处的位置，从而推知有机物的分子结构。 确定有机物分子结构的流程示意图如下： 1有机物分子不饱和度的计算。 （1）有机物分子的不饱和度=。 其中n（C）为碳原子数，n（H）为氢原子数。在计算不饱和度时，若含卤素原子，可将其视作氢原子；若含氧原子，可不予考虑。若含氮原子，则从氢原子总数中减去氮原子数。 （2）不饱和度（也称缺氢指数）可以为测定有机物分子结构提供其是否含有双键、三键或碳环等不饱和结构的信息。 （3）几种官能团的不饱和度

9、化学键一个碳碳双键一个羰基一个酯基一个碳碳三键一个苯环不饱和度11124 2确定有机物的官能团。很多官能团有相同的不饱和度，在确定了不饱和度的基础上，还要根据各自官能团的典型性质，通过化学反应鉴别和确定，下表是中学涉及到的一些官能团的检验方法。 实际上，用化学方法确定有机化合物的结构是相当复杂的。只用上述简单的推理还不行，现代科学技术的发展，一些先进仪器的出现，结合现代物理测试方法，人们能通过紫外光谱（UV）、红外光谱(IR)及核磁共振谱(NMR)等更准确地确定有机化合物的分子结构。可以广泛应用于分子生物学、医药学、环境科学、材料科学、国防科学等领域。3某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则

10、直接根据分子式确定其结构式。例如，C2H6只能是CH3CH3；CH4O只能是CH3OH。 4通过物理方法（红外光谱、核磁共振谱等）确定随着科学技术地发展，人们能通过红外光谱（IR）、核磁共振谱（NMR）等快速准确地确定有机物的结构。红外光谱核磁共振谱原理在有机物分子中，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。氢原子核有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发

11、生跃迁，用核磁共振仪可记录到有关信号，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此。从核磁共振氢谱上可推知有机物分子有几种不同类型的氢原子以及它们的数目。【典型例题】类型一：有机物分子式的确定例1、（2015 日照一中检测）一种有机物的相对分子质量为70，红外光谱表明其中存在CC键和CO键，1H核磁共振谱图中有4组不同的特征峰。根据上述信息，回答下列问题： （1）该有机物分子中共有_种化学环境不同的氢原子。（2）写出该有机物的分子式_，写出该有机物可能的结构简式_。【思路点拨】用该有机物的相对分子质量减去C=O键的“式量”

12、得残余基团的“式量”。【答案】（1）4 （2）C4H6O CH2CHCH2CHO或CH3CHCHCHO 【解析】用该有机物的相对分子质量减去CO键的“式量”得残余基团的“式量”为7028=42，即残余基团的化学式为“C3H6”，所以该有机物的分子式为C4H6O。1H核磁共振谱图中有4组不同的特征峰，表示有机物分子中有4种化学环境不同的氢原子，由此可确定该有机物的结构简式。【总结升华】确定有机物分子式的方法：（1）实验式（最简式）法：根据分子式为最简式的整数倍，利用相对分子质量和最简式可确定其分子式，如已知有机物最简式为CH2O，相对分子质量为90，可求出该有机物分子式为C3H6O3。常见最简式

13、相同的有机物：最简式对应物质CH乙炔、苯、苯乙烯等CH2烯烃和环烷烃等CH2O甲醛、乙酸、甲酸甲酯、葡萄糖、果糖等（2）通式法：根据题干要求或物质性质 类别及组成通式n值 分子式，如求相对分子质量为60的饱和一元醇分子式：首先设饱和一元醇的分子式为CnH2n+2O，列方程12n+2n+2+1660，得n3，该有机物分子式为C3H8O。（3）余数法：设烃的相对分子质量为M，则M/12的余数为0或碳原子数大于（或等于）氢原子数时，将碳原子数依次减少一个，每减少一个碳原子即增加12个氢原子，直到饱和为止。举一反三：【变式1】某仅由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，经测定其相对分子质量为90。取有机

14、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。试求该有机物的分子式。【答案】C3H6O3 【解析】已知m(H)=1.08g218=0.12g,m(C)=2.64g1244=0.72g,则m(O)=1.8g0.12g0.72g=0.96g 则n(C)n(H)n(O)=0.72120.1210.9616=121,则其实验式为CH2O；故可设其分子式为 (CH2O)n，则有30n=90,解之得：n=3,故分子式为C3H6O3 例2、某有机物样品3.26g，燃烧后得到4.74gCO2和1.92gH2O，实验测得其相对分子质量为60，求该有机物

15、的分子式。【答案】C2H4O2【解析】根据有机物燃烧后得到的CO2和H2O的质量，确定CHO物质的量之比。已知m(样品)3.26g，m(CO2)4.74g，m(H2O)1.92g，Mr60。先判断有机物的类型：根据质量守恒，如果CO2和H2O 中C、H质量之和等于3.26g，则该有机物为烃，如果小于3.26g，则该有机物为烃的含氧衍生物。解法一：最简式法，先求样品中各组成元素的质量分数，由相对分子质量求分子式。 实验式为CH2O(CH2O)n60，n2有机物分子式为C2H4O2。解法二：直接求算法，由质量分数与相对分子质量求1mol有机物中各原子的物质的量，然后确定分子式。由上述计算知：(C)

16、39.6%，(H)6.35%，(O)53.87%Mr60有机物分子式为C2H4O2 解法三：先求样品中各组成元素的质量，由样品与组成元素的物质的量之比求分子式。由上述计算知：m(C)1.29g，m(H)0.213g m(O)3.26g1.29g0.213g1.75g 该有机物分子式为C2H4O2。【总结升华】本题还可采用以下方法：根据燃烧反应方程式计算分子式为C2H4O2类型二：有机物结构式的确定例3、某种有机物在气态时对H2的相对密度为30，充分燃烧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，求此有机物的分子式和结构简式。【思路点拨】由相对密

17、度是30，可求得其相对分子质量M(A)=302=60，再求出最简式即可求出分子式。 【答案】C3H8O，CH3CH2CH2OH或 【解析】根据题意可得：Mr=302=60。有机物中各元素的质量为：，m (O)=3.0 g1.8 g0.4 g=0.8 g。则有机物分子中，。 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 。【总结升华】确定有机物的结构式的思路：先求出分子式，再结合其化学性质确定其含有的官能团，进而确定其结构式。举一反三：【变式1】（2015 汨罗一中月考）（1）请写出下列各

18、有机物的不饱和度（ ）。A =_BCH3CCCH2CHCH2 =_C =_ （2）有机物X的化学式是C1398H1278，它由4种基团组成，这4种基团分别是： 已知，该分子中没有发现苯环连接苯环，也没有发现炔键连接炔键的情况，试求x分子中含有这4种基团各几个。（请列式计算）【答案】（1）4 3 15 （2）X分子中含有的这4种基团依次有94，33，126，96个。【解析】（1）根据不饱和度的计算确定A、B、C的。如C分子的为。（2）设、CC、(CH3)3C的个数分别为x、y、z、w。则由碳原子数、氢原子数、不饱和度以及芳环余价等于脂肪链余价四个条件，可得如下四个方程： 联立解之得x=94，y=

19、33，z=126，w=96。 例4、核磁共振氢谱是研究有机物结构的有力手段之一，在所研究的化合物分子中，每一结构中的等性氢原子在核磁共振氢谱中都给出了相应的峰（信号），谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比。例如，乙醛的结构简式为CH3CHO，其核磁共振氢谱中有两个信号，其强度之比为31。 分子式为C3H6O2的有机物，如果在核磁共振氢谱上观察到的峰有两种情况。第一种情况峰的强度比为11，请写出其对应化合物的结构简式_，第二种情况峰的强度比为321，请写出该化合物的可能的结构简式_。【答案】 【解析】第一种情况峰的强度比为11，说明有两类性质不同的氢原子，且两类氢原子数目相等，则结构简式为。第二

20、种情况峰的强度比为321，说明结构中含有3种不同性质的氢原子，其个数分别为3、2、l，则结构简式为：。举一反三：【变式1】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、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：。故分子式为C3H8O3。羟基氢原子有两种类型，判断三个羟基应分别连在三个碳原子上，推知结构简式为 。