資源簡介

1.2第2課時　確定有機化合物元素組成及分子結構的方法
【學習目標】
1.了解質譜法確定分子式的原理與方法,培養“證據推理”的核心素養。
2.知道紅外光譜、核磁共振氫譜等現代儀器分析方法在有機物分子結構測定中的應用,培養“科學態度與社會責任”的核心素養。
【自主預習】
一、確定分子式
1.元素分析
(1)定性分析:確定有機物分子的元素組成。
用化學方法鑒定有機物分子的元素組成。如燃燒后,一般C生成　　　　,H生成　　　　,N生成　　　　,S生成　　　　,Cl生成HCl。
(2)定量分析法(李比希法)
2.相對分子質量的測定——質譜法
(1)原理圖示:
(2)質荷比:指分子離子、碎片離子的相對質量與其電荷的比值。質譜圖中,質荷比的　　　　就表示了樣品分子的相對分子質量。
例如,由圖可知,樣品分子的相對分子質量為　　　　。
(3)質譜法的優點:快速、微量、精確。
二、確定分子結構
1.紅外光譜
(1)作用:初步判斷某有機物中含有何種　。
(2)原理:不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同,在紅外光譜圖上將處于不同的位置。
例如,分子式為C2H6O的紅外光譜上發現有O—H、C—H和C—O,可推知該分子的結構簡式為　　　　　。
紅外光譜儀的結構與工作原理如下圖所示:
2.核磁共振氫譜
(1)作用:測定有機物分子中氫原子的種類和數目。
(2)原理:處在不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同,相應的信號在譜圖上出現的位置也不同,具有不同的化學位移,而且吸收峰的面積與　　　　　成正比。
簡易核磁共振氫譜儀的結構如圖:
(3)分析:吸收峰數目=　　　　　　,吸收峰面積之比=　　　　　　。
例如,C2H5—OH的核磁共振氫譜有　　　　　　組峰,面積之比為　　　　　　。而CH3OCH3的核磁共振氫譜有　　　　　　組峰。
3.X射線衍射
當一束單色X射線入射到晶體時,由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成的,這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數量級,故由不同原子散射的X射線相互干涉,在某些特殊方向上產生強X射線衍射,衍射線在空間分布的方位和強度與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理。
【答案】
一、1.(1)CO2　H2O　N2　SO2
2.(2)最大值　46
二、1.(1)化學鍵或官能團　(2)C2H5—OH
2.(2)氫原子數　(3)氫原子種類　氫原子數之比　3　1∶2∶3　1
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)根據實驗式CH4O可以確定分子式為CH4O。 (　　)
(2)根據紅外光譜可以確定有機物中化學鍵種類。 (　　)
(3)核磁共振氫譜中,有幾個吸收峰就說明有幾個氫原子。 (　　)
(4)CH3CH2CH2OH的核磁共振氫譜中,有3個吸收峰,且吸收峰面積之比為4∶3∶1。 (　　)
(5)某有機化合物的核磁共振氫譜圖如圖所示,該有機化合物有4種不同化學環境的氫原子,個數比為1∶1∶1∶1。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×
2.如何讀譜以確定有機物的相對分子質量
【答案】由于相對質量越大的分子離子的質荷比越大,達到檢測器需要的時間越長,因此譜圖中的質荷比最大的就是未知物的相對分子質量。
3.已知有機物的實驗式(最簡式),確定其分子式時,還需要知道什么物理量
【答案】相對分子質量。
4.確定有機物分子結構式的方法有哪些
【答案】紅外光譜、核磁共振氫譜等物理方法,實驗法(化學方法)。
【合作探究】
任務1　有機物分子式的確定
情境導入　某公司生產的元素分析儀可在研究工作和常規測量中對不同形式的樣品和含量范圍非常寬的各種化合物進行C、H、N、S、O元素的分別或同時定量測定。被廣泛應用于化學、化工、制藥、農業、環保、能源、材料等不同領域的研究分析。
問題生成
1.常用于有機物分子式、結構式分析的儀器有哪幾種
【答案】質譜儀、核磁共振氫譜儀、紅外光譜儀、X射線衍射儀等。
2.如何求算有機物相對分子質量
【答案】(1)標態密度法:根據標準狀況下氣體的密度,求算該氣體的相對分子質量:Mr=22.4×ρ。
(2)相對密度法:根據氣體A相對于氣體B的相對密度D,求算該氣體的相對分子質量:MA=D×MB。
(3)混合物的平均相對分子質量:=。
(4)讀圖法:質譜圖中,質荷比最大值即為該有機物的相對分子質量。
3.確定有機物分子式的步驟
【答案】有機化合物的密度(或相對密度)→摩爾質量→1 mol 有機化合物中各原子的物質的量→分子式。
【核心歸納】
有機物分子式的確定
1.有機物組成元素的推斷
一般來說,某有機物完全燃燒后,若產物只有CO2和H2O,其組成元素可能為C、H或C、H、O。欲判斷該有機物分子是否含氧元素,首先應求出產物CO2中碳元素的質量及H2O中氫元素的質量,然后將C、H的質量之和與原來有機物質量比較,若兩者相等,則原有機物分子的組成中不含氧元素;否則,原有機物分子的組成中含氧元素。
2.確定分子式的方法
(1)根據有機物中各元素的質量分數,求出有機物的實驗式,再根據有機物的相對分子質量確定分子式。
(2)根據有機物的摩爾質量和各元素的質量分數,求出1 mol該有機物中各元素原子的物質的量,從而確定出該有機物的分子式。
(3)根據有機物燃燒時消耗O2的量及產物的量,求出有機物的實驗式,再通過計算確定出有機物的分子式。
(4)化學方程式法
利用有機反應中反應物、生成物之間“量”的關系求分子式的方法。在有機化學中,常利用有機物燃燒等方程式對分子式進行求解。常用的化學方程式有:
CxHy+(x+)O2xCO2+H2O;
CxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O。
(5)余數法
用烴的相對分子質量除以14,看商數和余數。
==A……
其中商數A為烴中的碳原子數,此法適用于具有特定通式的烴(如烷烴、烯烴、炔烴、苯和苯的同系物等)。
【典型例題】
【例1】燃燒0.1 mol某有機物得0.2 mol CO2和0.3 mol H2O,由此得出的結論不正確的是(　　)。
A.該有機物分子的結構簡式為CH3—CH3
B.該有機物中碳、氫原子數目之比為1∶3
C.該有機物分子中不可能含有
D.該有機物分子中可能含有氧原子
【答案】A
【解析】A項,根據元素守恒和原子守恒,推出0.1 mol 有機物中含有0.2 mol C原子和0.6 mol H原子,即1 mol該有機物中有2 mol C原子和6 mol H原子,因為題中無法確認有機物的質量或相對分子質量,因此無法確認有機物中是否含氧元素,即無法確定有機物的結構簡式,錯誤;B項,根據A項分析,該有機物中碳、氫原子數目之比為2∶6=1∶3,正確;C項,1 mol該有機物中含有2 mol C和6 mol H,該有機物的分子式為C2H6Ox,不飽和度為0,即不含碳碳雙鍵,正確;D項,根據A項分析,該有機物中可能存在氧元素,也可能不存在氧元素,正確。
【例2】某有機物的結構確定。
(1)測定實驗式:某含C、H、O三種元素的有機物,經燃燒分析實驗測定其碳的質量分數是64.86%,氫的質量分數是13.51%,則其實驗式是　　　　。
(2)確定分子式:該有機物的質譜圖如圖所示,則其相對分子質量為　　　　,分子式為　　　　。
【答案】(1)C4H10O　(2)74　C4H10O
【解析】(1)該物質中碳、氫、氧原子個數之比為∶∶≈4∶10∶1,其實驗式為C4H10O。
由質譜圖知其相對分子質量為74,而其實驗式的相對分子質量為12×4+1×10+16=74,故其分子式為C4H10O。
任務2　有機物分子結構的確定
情境導入　2022年2月1日凌晨,我國空間站的三位宇航員通過央視春晚給全國人民拜年,標志著我國的太空探索進入了一個嶄新的階段,在未來的太空探索中,一項重要的任務就是要對太空環境進行分析,通過對物質采樣分析,了解該星球是否有生命痕跡,是否適合生物生存。
問題生成
1.有機物的性質是由什么決定的
【答案】有機物的結構決定性質,官能團是決定有機物性質的主要因素。
2.如何確定有機物官能團種類
【答案】可通過紅外光譜圖確定有機化合物分子中含有的官能團、化學鍵等。
3.用質譜儀測定有機物A的相對分子質量,得到如圖①所示質譜圖。其核磁共振氫譜如圖②所示。該分子的相對分子質量是多少 該物質的結構簡式是什么
【答案】由質譜圖知其相對分子質量為46,觀察A的核磁共振氫譜圖可知:A有三種不同化學環境的氫原子,A的結構簡式為CH3CH2OH。
4.譜圖法在確定有機物分子結構中有哪些應用
【答案】(1)核磁共振氫譜圖中,峰的個數即氫原子的種類數,而峰面積之比為各類氫原子個數之比。
(2)可根據紅外光譜圖推知有機物分子中含有哪些化學鍵、官能團,從而確定有機物的結構。
(3)將X射線衍射技術用于有機化合物(特別是復雜的生物大分子)晶體結構的測定。
【核心歸納】
不同方法確定有機物的分子結構
【典型例題】
【例3】相對分子質量不超過100的有機物A既能與金屬鈉反應產生無色氣體,又能與碳酸鈉反應產生無色氣體,還可以使溴的四氯化碳溶液褪色。A完全燃燒只生成CO2和H2O。經分析,A中含氧元素的質量分數為37.21%。
(1)A可能的結構簡式:　 。
(2)經核磁共振檢測發現A的圖譜如圖所示:
試寫出A與甲醇反應生成有機物B的化學方程式:　 。
(3)B的同分異構體有多種,請寫出三種和B同類別的同分異構體的結構簡式:　 。
【答案】(1)、、
(2)+CH3OH+H2O
(3)、、(或其他合理答案)
【解析】A能與Na2CO3反應產生CO2,則A分子中含有—COOH。若A中含有一個—COOH,則其相對分子質量為≈86<100,符合題意。除羧基外,A分子的殘基式量為86-45=41,即殘基的化學式為C3H5,所以A的分子式為C4H6O2。A還可以使溴的四氯化碳溶液褪色,結合殘基的化學式可知A中還有一個碳碳雙鍵,屬于不飽和羧酸的可能同分異構體有三種。有機物A的核磁共振圖譜說明A中有三種化學環境不同的氫原子,符合條件的A為。與CH3OH發生酯化反應生成的B為,和B同類別的有機物屬于含碳碳雙鍵的不飽和酯。
【隨堂檢測】
1.二甲醚和乙醇是同分異構體,其鑒別可采用化學方法和物理方法,下列方法中不能對二者進行鑒別的是(　　)。
A.利用金屬鈉 B.利用質譜法
C.利用紅外光譜法 D.利用核磁共振氫譜
【答案】B
【解析】乙醇遇鈉產生氫氣,而二甲醚無明顯現象,A項可鑒別;利用紅外光譜法可確定化學鍵或官能團,C項可鑒別;利用核磁共振氫譜可以推知分子中有幾種不同類型的氫原子及它們的數目,D項可鑒別;利用質譜法只能確定有機物的相對分子質量,而二甲醚和乙醇的相對分子質量相同,B項不能鑒別。
2.下列分子中,其核磁共振氫譜中只有一組峰的物質是(　　)。
A.CH2ClCH2Br B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3COCH3
【答案】D
【解析】CH2ClCH2Br有2種不同化學環境的H原子,CH3COOH有2種不同化學環境的H原子,CH3COOCH3有2種不同化學環境的H原子,CH3COCH3呈左右對稱結構,只有1種H原子。
3.某氣態有機物X含C、H、O三種元素?，F欲確定X的分子式,下列條件中所需的最少條件是(　　)。
①X中碳的質量分數　②X中氫的質量分數?、踃在標準狀況下的體積?、苜|譜法確定X的相對分子質量?、軽的質量
A.①② B.①②④
C.①②⑤ D.③④⑤
【答案】B
【解析】由①②可得有機物的實驗式,由①②④可知有機物的分子式,③⑤可算出相對分子質量,與④等效,最少條件為①②④。
4.下列化合物中,核磁共振氫譜只出現兩組峰且峰面積之比為3∶1的是(　　)。
A. B.
C.CH3—CH2—CH3 D.
【答案】C
【解析】CH3—CH2—CH3中只有2種不同的氫原子,且數目之比為3∶1。
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