高中化学第二节 研究有机化合物的一般方法课堂检测

一、确定实验式——元素分析

1. 元素分析

（1）定性分析：确定有机物的元素组成。

（2）定量分析：确定有机物的实验式。

2. 李比希法确定实验式

二、确定分子式——质谱法

1. 质谱法原理

质谱仪用高能电子流等轰击样品（很少量），使有机分子失去电子形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果，就得到有机化合物的质谱图。

2. 质荷比

有机分子离子或碎片离子的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。质谱图中质荷比的最大值等于样品分子的相对分子质量（与相对丰度无关）。

三、确定分子结构——波谱分析

确定分子结构的常用方法包括质谱法、红外光谱法、核磁共振氢谱法和X射线衍射等。

1. 红外光谱

原理：

①有机化合物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，通过红外光谱仪的记录形成该有机化合物的红外光谱图。

②谱图中不同的化学键或官能团的吸收频率不同，因此分析有机化合物的红外光谱图，可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。

2. 核磁共振氢谱

（1）原理：

①氢原子核具有磁性，如果用电磁波照射含氢元素的化合物，其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象，用核磁共振仪可以记录到有关信号。

②处于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，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

③由核磁共振氢谱图可以获得该有机化合物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目等信息。

（2）分析方法：

吸收峰数目＝氢原子种类数，吸收峰面积比＝不同种类氢原子个数比

3. X射线衍射

（1）X射线是一种波长很短（约10-10m）的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射谱图。

（2）经过计算可以从中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。

（3）将X射线衍射技术用于有机化合物（特别是复杂的生物大分子）晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。

题型一：实验式的确定

【变1-2】3g某有机化合物在足量氧气中完全燃烧，生成4.4g CO2和1.8g H2O。下列说法不正确的是

A．该有机化合物中只含有碳元素和氢元素

B．该有机化合物中一定含有氧元素

C．该有机化合物的分子式可能是C2H4O2

D．该有机化合物分子中碳原子数与氢原子数之比一定是1∶2

【答案】A

【解析】

A．根据分析，该有机物中除含有碳、氢两种元素外，还含有氧元素，A错误；

B．根据分析，该有机物中C、H两种元素质量和并不等于有机物总质量，说明该有机物中还含有O元素，B正确；

C．根据有机物中各元素质量可得，该有机物的实验式为CH2O，则该有机物的分子式可能为C2H4O2，C正确；

D．根据有机物中各原子的质量的，有机物中碳原子数与氢原子数比为∶=1∶2，D正确；

故答案选A。

【例2】咖啡和茶类饮料中都含有兴奋剂咖啡因。经元素分析测定，咖啡因中各元素的质量分数是：碳49.5%，氢5.2%，氮28.9%，氧16.5%。

(1)咖啡因的实验式为___________。

(2)质谱法测得咖啡因的相对分子质量为194，则咖啡因的分子式为___________。

【答案】(1)C4H5N2O

(2)C8H10N4O2

题型二：质谱法

【变3-2】为了测定某有机物A的结构，进行如下实验：

①将2.3g该有机物完全燃烧，生成0.1mol CO2和2.7g水，

②用质谱仪测定其相对分子质量，得到如图所示的质谱图。

试回答下列问题：

(1)有机物A的相对分子质量是________。

(2)有机物A的实验式是________。

(3)能否根据A的实验式确定其分子式?____(填“能”或“不能”，并对应回答后面问题)。若能，则A的分子式是________，若不能，请说明原因：_________________。

【答案】     46     C2H6O     能     C2H6O     不用填写

【解析】

(1)根据质荷比可以知道,有机物A的相对分子质量为46；

(2) 2.3g有机物燃烧生成生成0.1mol CO2和2.7g水，则n(C)=n(CO2)=0.1mol，m(C)=0.1mol×12g/mol=1.2g，n(H2O)==0.15mol，m(H)=2×0.15mol×1g/mol=0.3g，则m(H)+m(C)=1.2+0.3=1.5g<2.3g，故有机物含有O元素，且m(O)=2.3g-1.5g=0.8g，故n(O)==0.05mol，n(C): n(H): n(O)=0.1:0.3:0.05=2:6:1，即该有机物最简式为C2H6O；

(3)该有机物的最简式为C2H6O，H原子已经饱和，所以该有机物最简式即为其分子式。

题型三：分子式的确定

【例4】已知某有机物9.2g与足量氧气在密闭容器中完全燃烧后，将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰．浓硫酸增重10.8g，碱石灰增重17.6g，该有机物的化学式是

A．C2H6O B．C2H4O C．CH4O D．C2H6O2

【答案】A

【解析】

将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰，浓硫酸增重10.8g为水的质量，碱石灰增重17.6g为二氧化碳的质量，生成水的物质的量为:=0.6mol，9.2g该有机物分子中含有H原子的物质的量为:0.6mol×2=1.2mol，生成二氧化碳的物质的量为:=0.4mol，9.2g该有机物分子中含有C原子的物质的量为0.4mol，9.2g该有机物分子中含有氧原子的物质的量为:=0.2mol，该有机物分子中含有C、H、O原子的物质的量之比为:0.4mol:1.2mol:0.2mol=2:6:1，该有机物的最简式为C2H6O，由于H原子已经饱和，该有机物分子式为C2H6O，A满足题意；

故选A。

题型四：红外光谱

【变5】有机物Y的分子式为C4H8O2，其红外光谱如图所示，则该有机物可能的结构简式为（　　）

A．CH3COOCH2CH3 B．OHCCH2CH2OCH3

C．HCOOCH2CH2CH3 D．（CH3）2CHCOOH

【答案】A

【解析】

由红外光谱图可看出该分子中有不对称CH3，因此该分子中有2个CH3，由图也可以看出含有C=O双键、C-O-C单键，则A的结构简式为CH3COOCH2CH3或CH3CH2COOCH3，故选A。

【点睛】

本题考查有机物结构式的确定，侧重分析与应用能力的考查，把握图中信息及官能团的确定为解答的关键。

题型五：核磁共振氢谱

【变6-2】据质谱图分析知某烷烃的相对分子质量为86，其核磁共振氢谱图有4个峰，峰面积比为6：4：3：1，则其结构简式为

A． B．

C． D．

【答案】A

【解析】

核磁共振氢谱图有4个峰，峰面积比为6∶4∶3∶1，表明该分子中的氢原子有四种不同的空间位置，且四种位置的氢原子个数比为6∶4∶3∶1，只有A选项符合上述要求；

综上所述，本题正确选项A。

【例7】有机物X是一种重要的有机合成中间体，用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。为研究X的组成与结构，进行如下实验：

(1)将10.0gX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7.2g，KOH浓溶液增重22.0g。该有机物X的实验式为____。

(2)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____。

(3)经红外光谱测定，有机物X中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰，峰面积之比为3∶1。该有机物X的结构简式为____。

【答案】(1)C5H8O2

(2)100

(3)(CH3)2C(CHO)2

【解析】

（1）相同条件下，气体的相对分子质量之比等于密度之比，所以有机物质的相对分子质量=16×4.375=70，

故答案为70。

（2）浓硫酸增重7.2g，则n（H2O）=7.2g÷18g/mol=0.4mol，所含有n（H）=0.8mol，碱石灰增重17.6g，则n（CO2）=17.6g÷44g/mol=0.4mol，所以n（C）=0.4mol，m（C）+m（H）=0.4mol×12g/mol+0.8mol×1g/mol=5.6g，故A不含氧元素，A分子中C、H原子数目之比=0.4：0.8=1：2，故实验式为CH2，令有机物A的分子式为（CH2）x，则14x=70，故x=5，则有机物分子式为C5H10，

故答案为CH2；C5H10。

（3）A的分子式为C5H10，将A通入溴水中，溴水褪色，故A含有1个C=C双键，属于烯烃；若溴水不褪色，则属于环烷烃，

故答案为烯烃；环烷烃。

（4）核磁共振氢谱中有4个吸收峰，面积之比为1：1：2：6，即有机物A中有4种H原子，数目之比为1：1：2：6，有机物A含有2个甲基，A的结构简式为：（CH3）2CHCH=CH2，

故答案为（CH3）2CHCH=CH2。

题型六：实验式、分子式、分子结构的确定综合

【变8】下列说法不正确的是

A．通过质谱法可以确认有机化合物的相对分子质量

B．甲苯分子的核磁共振氢谱中有4个不同的吸收峰

C．红外光谱可以帮助确定许多有机物的结构

D．某有机物完全燃烧只生成和，两者物质的量之比为1:2，则该有机物一定为甲烷

【答案】D

【解析】

A．质谱法用于测定有机物的质荷比，通过质谱法可以确认有机化合物的相对分子质量，故A正确；

B．甲苯分子有4种等效氢，核磁共振氢谱中有4个不同的吸收峰，故B正确；

C．红外光谱图可确定有机物中的化学键及官能团，对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子的结构，故C正确；

D．某有机物完全燃烧只生成和，两者物质的量之比为1:2，则该有机物中C、H原子个数比为1:4，可能为甲烷、甲醇等，故D错误；

选D。

【例11】某有机化合物经李比希法测得其中含碳的质量分数为54.5%、含氢的质量分数为9.1%，其余为氧。用质谱法分析知该有机物的相对分子质量为88.请回答下列有关问题：

(1)该有机物的分子式为_______。

(2)若该有机物的水溶液呈酸性，且结构中不含支链，则其核磁共振氢谱图中的峰面积之比为_______。

(3)若实验测得该有机物中不含结构，利用红外光谱仪测得该有机物的红外光谱如图所示。则该有机物的结构简式可能是_______、_______(写出两种即可)。

【答案】          3：2：2：1         

【解析】

(1)根据已知：有机物的相对分子质量为88，含碳的质量分数为54.5%、含氢的质量分数为9.1%，其余为氧，所以1 mol该有机物中，，，，故该有机物的分子式为，故答案：；

(2) 若该有机物的水溶液呈酸性，说明含有羧基，；结构中不含支链，则该有机物的结构简式为，则其核磁共振氢谱图中的峰面积之比为3：2：2：1。故答案：3：2：2：1；

(3)由图可知，该有机物分子中有2个、1个、1个-C-O-C-结构或2个、1个-COO-结构，据此可写出该有机物可能的结构简式有：、、，故答案：；。

【题1】和互为同分异构体，将其中一种放在下列检测仪上进行检测，显示出的信号不能判断是哪种物质的是

A．质谱仪 B．红外光谱仪 C．核磁共振仪 D．X射线衍射仪

【答案】A

【解析】

A．由质谱仪能够测出物质的质荷比，进而得出相对分子质量，乙醇和二甲醚互为同分异构体，相对分子质量相同，无法判断是哪种物质，A项符合题意。

B．乙醇中含有O-H键，二甲醚中没有，由红外光谱图上是否含有O-H键的吸收峰可以判断是哪种物质，B项不符合题意。

C．乙醇分子中有3种不同化学环境的氢原子，个数比为3：2：1，对应核磁共振氢谱中有3组峰，峰面积比为3：2：1；二甲醚的核磁共振氢谱中只有1组峰，由此可以判断是哪种物质，C项不符合题意。

D．X射线衍射仪可以通过衍射图计算分子的键长和键角等分子结构信息，确定分子结构，能够判断是哪种物质，D项不符合题意。

答案选A。

【题2】实验室常用燃烧法分析有机物的组成与结构。某化合物样品在足量O2中充分燃烧，生成物只有CO2和H2O。燃烧产物依次经过浓硫酸和碱石灰充分吸收，浓硫酸和碱石灰依次增重7.2g和17.6g。有关该物质的组成和结构推测不合理的是（       ）

A．该物质可能是烃类化合物

B．该物质结构中可能含C=C

C．该物质结构中可能含苯环

D．该物质结构中可能含羧基

【答案】C

【解析】

A.由分析可知：碳氢原子个数之比是0.4mol：0.8mol=1：2，该物质可能是烯烃，属于烃类化合物，故A合理；

B.由A选项可知，结构中可能含有含C=C，故B合理；

C. 由分析可知：碳氢原子个数之比是0.4mol：0.8mol=1：2，不可能含有苯环，故C不合理；

D. 由分析可知：碳氢原子个数之比是0.4mol：0.8mol=1：2，可能属于饱和一元羧酸，羧酸含有羧基，故D合理；

故选：C。

【题3】核磁共振氢谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的吸收峰(信号)，根据吸收峰可以确定分子中氢原子的种类和数目。例如氯甲基甲醚(ClCH2OCH3)的核磁共振氢谱如图甲所示，两个吸收峰的面积之比为3：2。金刚烷的分子立体结构如图乙所示，它的核磁共振氢谱图中吸收峰数目与峰面积之比分别为

A．5，1：6：2：3：4 B．3，1：3：12 C．4，1：6：3：6 D．2，1：3

【答案】D

【解析】

由金刚烷的键线式可知，分子中的氢原子分为2类，即4个CH和6个CH2中氢原子，所以它的核磁共振氢谱图中吸收峰数目为2，峰面积之比为（4×1）：（6×2）=1：3。

故选D。

【题5】某研究性学习小组为确定一种从煤中提取的液态烃X的结构，对其进行了如下实验探究。

步骤一：这种烃X的蒸气通过热的氧化铜，可被氧化成二氧化碳和水，再用无水氯化钙吸收水，氢氧化钠浓溶液吸收二氧化碳。实验测得，2.12 g烃X的蒸气通过热的氧化铜被氧化生成7.04 g二氧化碳和1.80 g水。

步骤二：通过仪器分析知X的相对分子质量为106。

步骤三：如图Ⅰ，用核磁共振仪测出X的核磁共振氢谱有2组峰，其面积之比为2∶3。

步骤四：利用红外光谱仪测得X分子的红外光谱如图Ⅱ。

试回答下列问题：

(1)X的分子式为___________，名称为___________。

(2)步骤二中的仪器分析方法为___________。

(3)写出符合下列条件的X的同分异构体的结构简式：___________。

①芳香烃　②苯环上的一氯代物有三种

(4)以X为原料可制得另一种重要的化工产品邻苯二甲酸(PTA)，查阅资料得知PTA在水中的溶解度随着温度的升高明显增大。若得到的PTA粗产品中有部分不溶性杂质，请简述实验室中提纯PTA的方法：___________。

【答案】(1)     C8H10     对二甲苯

(2)质谱法

(3)、

(4)将粗产品溶于适量热水中，趁热过滤，冷却结晶，过滤出晶体

【解析】

烃只含有C、H两种元素，某烃在足量氧气中完全燃烧，生成和，说明该烃分子中C、H原子个数比为1：2，则该有机化合物的实验式为：CH2，若要获得该物质的分子式，还需要进行质谱测试其相对分子质量。

【练1】验证某有机物是否属于烃，应完成的实验内容是（       ）

A．只测定它的C、H原子个数比

B．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2

C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值

D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量

【答案】D

【解析】

A．通过测定有机物中C、H元素的原子个数比，不能确定是否含有O，因此不能确定其是否为烃，A错误；

B．燃烧产物只有H2O和CO2，只能证明有机物含有H和C，不能确定是否含有O，因此不能确定其是否为烃，B错误；

C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值，只能测定它的C、H比，不能确定是否含有O，因此不能验证某有机物是否属于烃，C错误；

D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量，能确定消耗氧气的质量，从而确定有机物中是否含有O，因此能确定该有机物是否属于烃，D正确。

答案选D。

【练2】已知某有机物分子中H原子个数为偶数，若将2.25克该有机物在足量氧气中完全燃烧，得到4.4克CO2和2.25克的H2O，则下列说法不正确的是

A．可以确定该有机物的相对分子量为90

B．可以确定该有机物的分子式为C4H10O2

C．该有机物中碳、氢、氧原子个数比为2:5:1

D．因为不知道其相对分子质量，故无法确定其分子式

【答案】D

【解析】

4.4g二氧化碳的物质的量是0.1mol，其中氧原子的质量是0.1mol×2×16g/mol＝3.2g；2.25g水的物质的量是2.25g÷18g/mol＝0.125mol，其中氧原子的质量是0.125mol×16g/mol＝2g。根据质量守恒定律参加反应的氧气质量是4.4g+2.25g-2.25g＝4.4g，所以2.25g有机物中氧原子的质量是3.2g+2g-4.4g＝0.8g，物质的量是0.8g÷16g/mol＝0.05mol，则有机物分子中C、H、O原子的个数之比为0.1mol：0.25mol：0.05mol＝2：5：1，即最简式为C2H5O，由于氢原子是偶数，则其分子式为C4H10O2，相对分子质量为90，选项ABC正确，D错误。

答案选D。

【练3】具有下列结构的化合物，其核磁共振氢谱中有2个峰的是

A．CH3CH2OH B．CH3CH3 C．CH3OCH3 D．HOCH2CH2OH

【答案】D

【解析】

A．乙醇分子中含有3类氢原子，核磁共振氢谱中有3个不同的吸收峰，故A不符合题意；

B．甲烷分子中含有1类氢原子，核磁共振氢谱中有1个不同的吸收峰，故B不符合题意；

C．二甲醚分子中含有1类氢原子，核磁共振氢谱中有1个不同的吸收峰，故C不符合题意；

D．乙二醇分子中含有2类氢原子，核磁共振氢谱中有2个不同的吸收峰，故D符合题意；

故选D。

【练4】分子式为C2H6O的有机物有两种同分异构体：乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)，则通过下列方式或方法不可能将二者区别开来的是

A．红外光谱 B．核磁共振氢谱

C．元素分析法 D．与钠反应

【答案】C

【解析】

红外光谱可以测定有机物的化学键和官能团的信息，核磁共振氢谱可以测定有机物中氢原子的种类及个数比，由于乙醇和甲醚的分子结构不同，所以红外光谱和核磁共振氢谱不相同，A、B项能区分二者，甲醚与钠不反应而乙醇与钠反应，D项也可以区分二者。同分异构体的分子式相同，元素分析法无法将二者区别开来，故答案为：C。

【练6】为了测定某有机物A的结构，做如下实验：

①将2.3g该有机物完全燃烧，生成0.1mol CO2和2.7g水；

②用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；

③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图二所示图谱，图中三个峰的面积之比是1∶2∶3。

试回答下列问题：

（1）有机物A的相对分子质量是___。

（2）有机物A的实验式是__。

（3）能否根据A的实验式确定A的分子式__(填“能”或“不能”)，若能，则A的分子式是__，若不能，则此空不填。

（4）写出有机物A可能的结构简式___。

【答案】     46     C2H6O     能     C2H6O     CH3CH2OH

【解析】

【详解】

(1)在A的质谱图中，最大质荷比为46，所以A的相对分子质量为46；

(2)将2.3g该有机物完全燃烧，生成0.1mol CO2和2.7g水，根据质量守恒定律可知：n(C)=n(CO2)=0.1mol，m(C)=0.1 mol×12 g•mol-1=1.2 g，n(H)=×2=0.3 mol，m(H)=0.3 mol×1 g•mol-1=0.3 g，该有机物分子中含有C、H元素的总质量为：1.2g+0.3g=1.5g，说明其分子中一定含有氧元素，含有氧元素质量为：m(O)=2.3 g-1.2 g-0.3 g=0.8 g，则n(O)==0.05 mol，所以n(C)：n(H)：n(O)=0.1 mol：0.3 mol：0.05 mol=2：6：1，A的实验式是C2H6O；

(3)已知该有机物的实验式C2H6O，其相对分子质量是46，所以可以确定物质A的分子式为C2H6O；

(4)由A的核磁共振氢谱知A中有3种氢原子，个数比为1：2：3，所以A的结构简式为：CH3CH2OH。