2024年高中化学新教材同步讲义 选择性必修第三册 第1章　提升课1　有机化合物结构的确定（含解析）

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提升课1　有机化合物结构的确定[核心素养发展目标]　1.学会有机物中氢原子种类的判断与应用。2.掌握有机物分子式的确定方法。3.学会有机物结构简式的确定方法。一、有机物中氢原子种类的判断与应用1．等效氢原子有机化合物中，处于相同化学环境中的氢原子，可认为是“等效氢原子”。(1)同一个碳原子上的氢原子等效，如CH4中4个H等效。(2)同一个碳原子上所连接的甲基(—CH3)上的H等效，如新戊烷()中12个H等效。(3)处于对称位置上的氢原子是等效的，如CH3CH3中的6个氢原子等效，乙烯分子中的4个氢原子等效，苯分子中的6个氢原子等效。2．等效氢原子的应用(1)一元取代物同分异构体的种类数单官能团有机物可看作烃分子中一个氢原子被其他原子或原子团(官能团)取代的产物，即烃分子中等效氢原子有几种，则该烃一元取代产物就有几种同分异构体。(2)二元取代物同分异构体的种类数二元取代物可在一元取代物的基础上继续分析等效氢原子的种类，剔除重复结构后，即为二元取代物的种类数。试分析以下3种有机物分别有几种等效氢原子？a．CH3C(CH3)2C(CH3)2CH3b．c.答案　a．1种　b．2种　c．4种1．(2022·广州育才中学期中)下列芳香烃苯环上的一氯代物只有一种的是(　　)A． B．C． D．答案　D解析　的苯环上有3种氢原子，故其苯环上的一氯代物有3种；的苯环上有2种氢原子，故其苯环上的一氯代物有2种；的苯环上有3种氢原子，故其苯环上的一氯代物有3种；的苯环上只有1种氢原子，故其苯环上的一氯代物只有1种。2．回答下列问题(不考虑立体异构)：(1)丙烷的二氯代物的同分异构体有__________种。(2)已知化合物B3N3H6(硼氮苯)与C6H6(苯)的分子结构相似(如图)，则硼氮苯的二氯代物的同分异构体的数目为______种。(3)“立方烷”是人工合成的一种烃，其分子为正方体结构，其碳骨架结构如图所示：立方烷的二氯代物有________种同分异构体。答案　(1)4　(2)4　(3)3二、有机物分子式的确定1．不饱和度(Ω)不饱和度(Ω)是有机物分子不饱和程度的量化标志。有机物分子与碳原子数相等的链状烷烃(CnH2n＋2)比较，每减少2个氢原子，则有机物的不饱和度增加1。如：Ω＝1，—C≡C—：Ω＝2，：Ω＝1，：Ω＝1，苯环：Ω＝4。2．确定有机物分子式的方法(1)单位物质的量法根据有机物的摩尔质量(或相对分子质量)和有机物中各元素的质量分数，推算出1 mol有机物中各元素原子的物质的量，从而确定分子中各原子的个数，最后确定有机物的分子式。(2)最简式法根据有机物中各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数之比(最简式)，分子式为最简式的整数倍，利用物质的相对分子质量可确定其分子式。N(C)∶N(H)∶N(O)＝eq \f(wC,12)∶eq \f(wH,1)∶eq \f(wO,16)＝a∶b∶c(最简整数比)，最简式为CaHbOc，则分子式为(CaHbOc)n，得n＝eq \f(Mr,12a＋b＋16c)(Mr为有机物的相对分子质量)。(3)商余法(适用于烃类分子式的求法)用烃(CxHy)的相对分子质量除以12，看商和余数，即eq \f(Mr,12)＝x……y，则分子式为CxHy。在此基础上，由一种烃的分子式求另一可能烃的分子式可采用增减法推断，其规律如下：CxHyeq \o(,\s\up7(减1个碳原子必增加12个氢原子),\s\do5(加1个碳原子必减少12个氢原子)) eq \a\vs4\co1(Cx－1Hy＋12,可能分子式)注意　氢原子数最多不能超过饱和。例　相对分子质量为128的烃，其可能的分子式为__________。答案　C10H8或C9H20(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，常利用有机物燃烧的化学方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式：CxHy＋(x＋eq \f(y,4))O2eq \o(――→,\s\up7(点燃))xCO2＋eq \f(y,2)H2OCxHyOz＋(x＋eq \f(y,4)－eq \f(z,2))O2eq \o(――→,\s\up7(点燃))xCO2＋eq \f(y,2)H2O已知有机物的最简式，必须要知道其相对分子质量才能确定其分子式吗？提示　不一定。根据有些特殊的实验式，可直接确定分子式。碳氢原子个数符合CnH2n＋2的组成，或实验式中原子个数扩大2倍后符合CnH2n＋2的组成关系，可直接确定分子式。如实验式为CH3O、C2H5O，则分子式为C2H6O2和C4H10O2。完全燃烧某液态烃10.25 g，产生16.8 L CO2(标准状况)和11.25 g水。此烃蒸气对氢气的相对密度为41，则该烃的分子式为________。答案　C6H10解析　方法一　单位物质的量法烃的摩尔质量M＝2 g·mol－1×41＝82 g·mol－1，即1 mol 烃的质量为82 g。1 mol 烃分子中，n(C)＝eq \f(16.8 L,22.4 L·mol－1)×eq \f(82 g,10.25 g)＝6 mol，n(H)＝eq \f(11.25 g,18 g·mol－1)×eq \f(82 g,10.25 g)×2＝10 mol，该烃的分子式为C6H10。方法二　最简式法n(C)＝n(CO2)＝eq \f(16.8 L,22.4 L·mol－1)＝0.75 mol，n(H)＝2n(H2O)＝eq \f(11.25 g,18 g·mol－1)×2＝1.25 mol，所以n(C)∶n(H)＝0.75∶1.25＝3∶5，该烃的最简式为C3H5，设其分子式为(C3H5)n，则41n＝82，n＝2，所以该烃的分子式为C6H10。方法三　商余法eq \f(82,12)＝6……10，则该烃的分子式为C6H10。方法四　化学方程式法设该烃的分子式为CxHy，则CxHy＋(x＋eq \f(y,4))O2eq \o(――→,\s\up7(点燃))xCO2＋eq \f(y,2)H2O12x＋y　　　　　　　　　9y10.25 g　　　　　　　　　11.25 geq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\f(12x＋y,10.25)＝\f(9y,11.25),12x＋y＝82))解得x＝6，y＝10，所以该烃分子式为C6H10。确定有机物分子式的思路与方法三、有机物结构简式的确定1．图谱法红外光谱、核磁共振氢谱分别获取官能团或化学键、氢原子种类等信息。2．价键规律法可根据不饱和度，判断可能含有的化学键或结构。如：CH4O中的碳原子已饱和，其结构简式只能是CH3OH；C4H8的Ω＝1，可能为烯烃或环烷烃。3．化学方法1．已知某有机物X有如下性质：①X不和Na2CO3反应；②X的蒸气相对于H2的相对密度为46.0；③取1.84 g X与过量的金属钠完全反应后，生成672 mL(标准状况)气体；④一定质量的X完全燃烧后，产生的气体依次通过浓硫酸和碱石灰，二者的质量分别增加36.0 g和66.0 g。则X的结构简式为__________。答案　解析　由②可得X的相对分子质量为46.0×2＝92.0。由①③中X的化学性质可知X含有的官能团为羟基。n(X)＝eq \f(mX,MX)＝eq \f(1.84 g,92.0 g·mol－1)＝0.02 moln(H2)＝eq \f(VH2,Vm)＝eq \f(672×10－3 L,22.4 L·mol－1)＝0.03 mol故1个X分子中含有3个—OH。由④得，一定质量的X完全燃烧生成CO2的物质的量为eq \f(66.0 g,44 g·mol－1)＝1.5 mol，生成H2O的物质的量为eq \f(36.0 g,18 g·mol－1)＝2 mol，其中含有4 mol氢原子。因此碳原子和氢原子的个数比为3∶8，由于X中H原子已经达到饱和，所以该有机物中只能含有3个C、8个H，可设X的分子式为C3H8On。由X的相对分子质量为92.0得n＝3，故X的分子式为C3H8O3，结构简式为。2．为了测定某仅含碳、氢、氧三种元素的有机化合物的结构，同学们进行了如下实验。首先取该有机化合物样品4.6 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5.4 g和8.8 g；然后用质谱仪测定其相对分子质量，经测定得到如图1所示的质谱图；最后用核磁共振仪处理该有机物，得到如图2所示的核磁共振氢谱图。试回答下列问题：(1)该有机化合物的相对分子质量为________。(2)该有机物的实验式为________。(3)能否根据该有机物的实验式确定其分子式____(填“能”或“不能”)，原因是_________________________________________________________________________________________。该有机化合物的分子式为________。(4)请写出该有机化合物的结构简式：________。答案　(1)46　(2)C2H6O　(3)能　因为实验式为C2H6O，碳原子已经饱和，所以实验式即为分子式　C2H6O　(4)CH3OCH3解析　本题考查有机物分子式及结构简式的确定。题组一　有机物分子中氢原子种类的判断与应用1．有机化合物的一氯代物共有(不考虑立体异构)(　　)A．3种 B．4种 C．5种 D．7种答案　C2．下列有机物一氯代物的同分异构体数目与其他三种不同的是(不考虑立体异构)(　　)A. B．C. D.答案　D解析　A项，有4种等效氢原子，其一氯代物有4种；B项，有4种等效氢原子，其一氯代物有4种；C项，有4种等效氢原子，其一氯代物有4种；D项，有3种等效氢原子，其一氯代物有3种。3．由E(金属铁)制备的E(C5H5)2的结构如图甲所示，其中氢原子的化学环境完全相同。但早期人们却错误地认为它的结构如图乙所示。核磁共振氢谱能够区分这两种结构。甲和乙的核磁共振氢谱图中，分别有几组吸收峰(　　)A．1　1 B．1　2C．1　3 D．2　3答案　C解析　甲中氢原子的化学环境完全相同，其核磁共振氢谱图中只有1组吸收峰；乙中与铁相连的2个五元环结构完全相同，每个五元环中有3种不同化学环境的氢原子，则其核磁共振氢谱图中有3组吸收峰。题组二　有机物分子式的确定4．验证某有机物属于烃的含氧衍生物，应完成的实验内容是(　　)A．只需验证它完全燃烧后产物只有H2O和CO2B．只需测定其燃烧产物中H2O和CO2物质的量的比值C．测定完全燃烧时消耗的有机物与生成的CO2、H2O的物质的量之比D．测定该试样的质量及其完全燃烧后生成CO2和H2O的质量答案　D解析　烃的含氧衍生物或烃燃烧均生成H2O和CO2，不能通过燃烧法进行确定；测定该试样的质量及其完全燃烧后生成CO2和H2O的质量，可以确定一定质量的有机物中含有C、H元素的质量，根据质量守恒可确定是否含有O元素。5．下列实验式中，不用相对分子质量就可以确定分子式的是(　　)①CH3　②CH　③CH2　④C2H5A．①② B．③④ C．②③ D．①④答案　D解析　实验式乘以整数倍，即可得到有机物的分子式。根据链状烷烃通式，当碳原子数为n时，则氢原子数最多为2n＋2。符合实验式为CH3的只有C2H6；符合实验式为CH的有C2H2、C6H6等；符合实验式为CH2的有C2H4、C3H6等；符合实验式为C2H5的只有C4H10。6．已知某有机物9.2 g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10.8 g，碱石灰增重17.6 g，该有机物的分子式是(　　)A．C2H6O B．C2H4OC．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，浓硫酸增重的10.8 g为水的质量，碱石灰增重的17.6 g为二氧化碳的质量。生成水的物质的量为eq \f(10.8 g,18 g·mol－1)＝0.6 mol，H原子的物质的量为0.6 mol×2＝1.2 mol；生成二氧化碳的物质的量为eq \f(17.6 g,44 g·mol－1)＝0.4 mol，C原子的物质的量为0.4 mol；9.2 g该有机物分子中含有氧原子的物质的量为eq \f(9.2 g－12 g·mol－1×0.4 mol－1 g·mol－1×1.2 mol,16 g·mol－1)＝0.2 mol。该有机物分子中含有C、H、O原子的物质的量之比为0.4 mol∶1.2 mol∶0.2 mol＝2∶6∶1，该有机物的最简式为C2H6O，由于H原子已经饱和，故该有机物的分子式为C2H6O，故A正确。题组三　有机物结构简式的确定7．(2022·辽宁朝阳高二期中)A、B两种有机物都属于烃类，都含有6个氢原子，它们的核磁共振氢谱如图。下列说法一定错误的是(　　)A．A是C2H6，B是B．A是C2H6，B是CH3CH==CH2C．A是，B是CH3CH==CH2D．A是，B是HC≡C—CH2—C≡CCH3答案　A解析　A是C2H6，只有1种氢原子，B是，只有1种氢原子，A符合题意；A是C2H6，只有1种氢原子，B是CH3CH==CH2，含有3种氢原子，且3种氢原子数之比为1∶2∶3，B不符合题意；A是，只有1种氢原子，B是CH3CH==CH2，含有3种氢原子，且3种氢原子数之比为1∶2∶3，C不符合题意；A是，只有1种氢原子，B是HC≡C—CH2—C≡CCH3，含有3种氢原子，且3种氢原子数之比为1∶2∶3，D不符合题意。8．(2023·苏州高二检测)2015年10月，中国科学家屠呦呦因为发现了新型抗疟药——青蒿素，获得诺贝尔生理学或医学奖。下列关于青蒿素分子结构的研究中说法不正确的是(　　)A．通过核磁共振氢谱能确定青蒿素分子中有三种氢原子B．通过质谱法能确定青蒿素的相对分子质量C．通过红外光谱能确定青蒿素分子中含有酯基D．通过化学反应证明分子中含有过氧基(—O—O—)答案　A解析　青蒿素分子结构不对称，除了甲基上的氢原子，还有其他类型的氢原子，不止三种，A项错误；质谱仪通过质荷比确定相对分子质量，通过质谱法能确定青蒿素的相对分子质量，故B正确；依据红外光谱的特征频率可以鉴别有机物中含有哪些官能团，故C正确；含有过氧基的物质在高温下易分解，通过检验青蒿素的热稳定性可以证明其中含有过氧基，故D正确。9．化合物A经质谱法和燃烧实验分析得知其相对分子质量为136，分子式为C8H8O2。A分子中含有一个苯环且苯环上只有一个取代基，其红外光谱图与核磁共振氢谱图如图所示。下列关于A的说法错误的是(　　)A．A属于酯B．A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应C．符合题中A分子结构特征的有机物只有1种D．与A属于同类化合物的同分异构体(不包括A)只有2种答案　D解析　因化合物A中有4种不同化学环境的氢原子，且个数之比为1∶2∶2∶3，又因为A是一取代苯，则苯环上有3种氢原子，个数分别为1、2、2，所以苯环侧链上的3个氢原子等效，则侧链取代基中含有—CH3，结合红外光谱图可知，A为。A中含有酯基，属于酯；1 mol A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应；与A属于同类化合物的同分异构体(不包括A)有5种。10．(2023·大连高二期中)某学习小组研究某烃的含氧衍生物A的组成和结构，研究过程如下：称取9 g A在足量氧气中充分燃烧，并使产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者分别增重5.4 g和13.2 g，对A进行波谱分析结果如图。下列说法错误的是(　　)A．由质谱图可知A的实验式为C3H6O3B．结合红外光谱和核磁共振氢谱可知A的结构简式为CH3CH(OH)COOHC．B是A的位置异构体，则B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1D．取1 mol A、C2H6O、C2H4的混合物，三者无论以何种比例混合，完全燃烧消耗氧气的物质的量均为3 mol答案　A解析　由题意知，9 g A完全燃烧生成水的物质的量是eq \f(5.4 g,18 g·mol－1)＝0.3 mol，生成二氧化碳的物质的量是eq \f(13.2 g,44 g·mol－1)＝0.3 mol，n(O)＝eq \f(9 g－0.6 mol×1 g·mol－1－0.3 mol×12 g·mol－1,16 g·mol－1)＝0.3 mol，所以A的实验式为CH2O，通过质谱法测得A的相对分子质量为90，设A的分子式为(CH2O)n，则(12＋2＋16)n＝90，n＝3，故A的分子式为C3H6O3，A错误；根据红外光谱知A中含有—OH和—COOH，由核磁共振氢谱知A中含有4种氢原子，其数目之比为1∶1∶1∶3，故A的结构简式为CH3CH(OH)COOH，B正确；B是A的位置异构体，则B为CH2(OH)CH2COOH，共有4种氢原子，B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1，C正确；根据1 mol CxHyOz完全燃烧消耗氧气的量为(x＋eq \f(y,4)－eq \f(z,2)) mol知，1 mol C3H6O3完全燃烧消耗(3＋eq \f(6,4)－eq \f(3,2)) mol＝3 mol氧气，1 mol C2H6O完全燃烧消耗(2＋eq \f(6,4)－eq \f(1,2)) mol＝3 mol氧气，1 mol C2H4完全燃烧消耗(2＋eq \f(4,4)) mol＝3 mol氧气，所以三者无论以何种比例混合，完全燃烧消耗氧气的物质的量均为3 mol，D正确。11．(2022·广州期中)某有机化合物的蒸气密度是同温同压下氢气密度的31倍。该有机化合物在氧气中充分燃烧，生成4.48 L(已折算成标准状况)CO2和5.4 g H2O，无其他产物。下列关于该有机化合物的说法正确的是(　　)A．该有机化合物的分子式一定为C2H6O2B．质谱法测得其最大质荷比为31C．红外光谱法测定其可能含有酰胺基D．该有机化合物的实验式一定为CH3答案　A解析　某有机化合物的蒸气密度是同温同压下氢气密度的31倍，则该有机物的相对分子质量为62；根据燃烧产物可知，该有机化合物中一定含有C、H元素，且该有机物分子C、H原子的个数比为eq \f(4.48 L,22.4 L·mol－1)∶(eq \f(5.4 g,18 g·mol－1)×2)＝1∶3，若有机物不含O元素，可设该有机物的分子式为CxH3x，此时12x＋3x＝62，解得x为非整数，因此该有机物一定含有O元素，该有机物的分子式为C2H6O2，A正确；该有机物的相对分子质量为62，故质谱法测得其最大质荷比为62，B错误；该有机物不含N元素，不可能含有酰胺基，C错误；该有机化合物的实验式为CH3O，D错误。12．2016年诺贝尔化学奖由法国、英国、荷兰的三位科学家获得，以表彰他们在分子机器研究方面的成就。三蝶烯是分子机器的常见中间体，其合成方法如下：下列说法正确的是(　　)A．化合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为烃B．三蝶烯的一氯代物有3种C．由化合物Ⅱ生成化合物Ⅲ发生的是取代反应D．苯炔与苯互为同分异构体答案　B解析　A项，化合物Ⅰ含有F、Br，不是烃；B项，三蝶烯为对称结构，苯环上有2种不同化学环境的氢原子，连接苯环的碳原子上有1种化学环境的氢原子；C项，化合物Ⅱ生成化合物Ⅲ发生加成反应；D项，苯炔(C6H4)与苯(C6H6)不互为同分异构体。13.利托那韦可用于艾滋病的治疗，如图所示物质为合成利托那韦的原料之一。下列有关该物质的说法正确的是(　　)A．与苯甲酸甲酯()互为同系物B．分子中含有酮羰基C．核磁共振氢谱图有5组峰D．苯环上的二溴代物有4种(不考虑立体异构)答案　D14．三聚氰胺最早被李比希于1834年合成，有毒，不可用于食品加工或食品添加剂。经李比希法分析得知，三聚氰胺分子中，氮元素的含量高达66.67%，氢元素的质量分数为4.76%，其余为碳元素。它的相对分子质量大于100，但小于150。试回答下列问题：(1)分子式中原子个数比N(C)∶N(H)∶N(N)＝________________。(2)三聚氰胺分子中碳原子数为__________，理由是______________________(写出计算式)。(3)三聚氰胺的分子式为________。(4)若核磁共振氢谱显示只有1组吸收峰，红外光谱表明有1个由碳、氮两种元素组成的六元杂环。则三聚氰胺的结构简式为___________________________________________________。答案　(1)1∶2∶2　(2)3　eq \f(100×28.57%,12)＜N(C)＜eq \f(150×28.57%,12)，即2.4＜N(C)＜3.6，又N(C)为正整数，所以N(C)＝3　(3)C3H6N6　(4)解析　(1)N(C)∶N(H)∶N(N)＝eq \f(28.57%,12)∶eq \f(4.76%,1)∶eq \f(66.67%,14)≈1∶2∶2。(4)核磁共振氢谱显示只有1组吸收峰，说明是对称结构，这6个H原子的化学环境相同，又因为碳为四价元素，氮为三价元素，六元环中C、N各有3个原子交替出现。15．(2022·江苏常州高二检测)完成下列问题。(1)研究有机物的方法有很多，常用的有①核磁共振氢谱　②蒸馏　③重结晶　④萃取　⑤红外光谱　⑥过滤，其中用于分子结构确定的有________________(填序号)。(2)下列物质中，其核磁共振氢谱中只有一个吸收峰的是________________(填字母)。A．CH3CH3 B．CH3COOHC．CH3COOCH3 D．CH3OCH3(3)某含碳、氢、氧三种元素的有机物甲，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%，则甲的实验式(最简式)是________________。①如图是该有机物甲的质谱图，则其相对分子质量为________________，分子式为________________。②确定甲的官能团：通过实验可知甲中一定含有羟基，羟基的符号：________________；甲可能的结构有________________种。③确定甲的结构简式：经测定有机物甲的核磁共振氢谱如图所示，则甲的结构简式为________________。答案　(1)①⑤　(2)AD　(3)C4H10O　①74　C4H10O　②—OH　4　③C(CH3)3OH解析　(1)在上述各种研究方法中，蒸馏、重结晶、萃取、过滤是有机物分离或提纯的方法，核磁共振氢谱、红外光谱常用于分子结构确定。(2)其核磁共振氢谱中只有一个吸收峰，说明有机物分子中只有一类氢原子，CH3CH3分子中只有一类氢原子，A正确；CH3COOH分子中含有两类氢原子，B错误；CH3COOCH3分子中含有两类氢原子，C错误；CH3OCH3分子中只有一类氢原子，D正确。(3)碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%，因此氧元素质量分数是21.63%，则该物质中碳、氢、氧原子个数之比为eq \f(64.86%,12)∶eq \f(13.51%,1)∶eq \f(21.63%,16)≈4∶10∶1，所以其实验式为C4H10O。①根据质谱图知，其相对分子质量是74，结合其实验式知其分子式为C4H10O。②甲中含有羟基，为一元饱和醇，则可能的结构有4种，结构简式为HOCH2CH2CH2CH3、CH3CH(OH)CH2CH3、(CH3)2CHCH2OH、C(CH3)3OH。③甲的核磁共振氢谱图中出现2组峰，说明该结构中有2种氢原子，则结构简式为C(CH3)3OH。方法依据结论或实例①定性实验实验中有机化合物表现出的性质确定官能团②定量实验确定有机化合物的官能团如乙醇结构简式的确定确定官能团的数目如1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol氢气，则说明1个该醇分子中含2个—OH③进行“组装”确定根据实验测得的官能团种类、数目，联系价键规律等进行“组装”和“拼凑”确定有机化合物的结构简式