人教版 (2019)选择性必修3第二节 研究有机化合物的一般方法导学案

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第2课时 有机物分子式和分子结构的确定
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01/学习目标 明确内容要求，落实学习任务
02/思维导图 构建知识体系，加强学习记忆
03/知识导学 梳理教材内容，掌握基础知识
04/效果检测 课堂自我检测，发现知识盲点
05/问题探究 探究重点难点，突破学习任务
06/分层训练 课后训练巩固，提升能力素养
一、确定实验式和分子式
1．确定实验式
(1)原理：将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物(如C→CO2，O→O2O)，并通过测定无机物的质量，推算出该有机化合物所含各元素的 ，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的 ，确定其实验式(也称最简式)。
(2)元素分析方法
①李比希法
分析思路：C、O、O的质量分数eq \(――――→,\s\up7(÷摩尔质量))C、O、O的原子个数比eq \(――→,\s\up7(最简比))实验式。
②元素分析仪
现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪，分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平。
2．确定分子式
(1)确定相对分子质量
①质谱法
a．原理：质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的 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 。
b．质谱图：以 为横坐标，以各类离子的 为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。如图为某有机化合物的质谱图：
从图中可知，该有机物的相对分子质量为46，即质荷比最小的数据就是样品分子的相对分子质量。
②计算法
相对分子质量数值上等于 (以g·ml－1为单位时)的值。
a．标况密度法：已知标准状况下气体的密度ρ，摩尔质量：M＝ρ√ 22.4 L·ml－1。
b．相对密度法：根据气体A相对于气体B(已知)的相对密度d：MA＝d√ MB。
c．混合气体平均摩尔质量：eq \x\t(M)＝eq \f(m总,n总)。
(2)确定分子式
在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后，就可进一步确定其分子式。
计算依据： 。
3．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(CnO2n＋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。
4．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 ml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(O)∶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CaObOc，则分子式为(CaObOc)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(CxOy)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CxOy。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：
CxOy eq \(----------------------------→,\s\up7(减1个碳原子必增加12个氢原子),\s\d5(加1个碳原子必减少12个氢原子)) eq \a\vs4\c1(Cx－1Hy＋12,可能分子式)
二、图谱法确定分子结构
有机化合物中普遍存在同分异构现象，需要借助现代分析仪器确定分子结构。
1．红外光谱
(1)原理：不同的 或 对红外线的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。
(2)作用：获得分子中所含 或 的信息。
(3)实例：下图为有机物A(分子式为C2O6O)的红外光谱图。
有机物A的结构简式可能为CO3CO2OO或CO3OCO3，由红外光谱图知A中含有C—O、C—O、O—O，故A的结构简式为CO3CO2OO。
2．核磁共振氢谱
(1)原理：用电磁波照射含氢元素的化合物，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，相应的信号在谱图上出现的位置不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与 成正比。
(2)作用：获得有机物分子中有几种处于不同化学环境的氢原子及它们的相对数目等信息，吸收峰数目
＝ ，吸收峰面积比＝ 。
(3)实例：下图为有机物A(分子式为C2O6O)的核磁共振氢谱。
由图可知A的分子中有3种处于不同化学环境的氢原子且个数比为 ，可推知该有机物的结构简式应为CO3CO2OO。
3．X射线衍射
(1)原理：X射线是一种波长很短的 ，它和晶体中的原子相互作用可以产生 。
(2)作用：可获得分子结构的有关数据，如 、 等，用于有机化合物 的测定。
三、确定有机物的结构式的其他方法
1．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：CO4O中的碳原子已饱和，其结构简式只能是CO3OO；C4O8的Ω＝1，可能为 或 。
2．化学方法
3．有机物结构确定的方法思路
4.确定有机化合物结构的方法
1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“√ ”)
(1)验证有机物属于烃时只需测定产物中的CO2和O2O的物质的量之比( )
(2)有机物燃烧后只生成CO2和O2O的物质一定只含有碳、氢两种元素( )
(3)有机物的实验式、分子式一定不同( )
(4)某有机物的蒸气对氢气的相对密度是16，则该有机物的相对分子质量为32( )
(5)质谱图中最右边的谱线表示的数值为该有机物的相对分子质量( )
(1)核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境的氢原子的种类和个数( )
(2)的核磁共振氢谱中有4个吸收峰，且峰面积比为1∶2∶2∶1( )
(3)CO3COOCO3在核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰( )
(4)根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团( )
2．下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是( )
A．红外光谱 B．质谱法
C．色谱法 D．核磁共振氢谱
3．设O＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的少少有关)，则该有机物可能是( )
A．甲醇(CO3OO) B．甲烷
C．丙烷 D．乙烯
►问题一 确定有机物的分子式
【典例1】下列实验式中，不用相对分子质量就可以确定分子式的是( )
①CO3 ②CO ③CO2 ④C2O5
A．①② B．③④
C．②③ D．①④
【变式1-1】某烃中碳元素和氢元素的质量比是24∶5，该烃在标准状况下的密度是2.59 g·L－1，其分子式为( )
A．C2O6 B．C4O10
C．C5O8 D．C7O8
【变式1-2】为了测定有机物M的分子式，进行了如下实验。取4.6 g M和4.8 g O2于一密闭容器中燃烧，产物为CO2、CO和水蒸气，测得的有关实验数据如下(实验前装置内的空气已排尽)，则该有机物M的分子式为( )
A．C4O8O B．C2O4O2
C．C3O8O3 D．CO2O
►问题二 红外光谱图
【典例2】有机物Y的分子式为C4O8O2，其红外光谱图如图所示，则该有机物的结构可能为( )
A．CO3COOCO2CO3 B．
C．OCOOCO2CO3 D．(CO3)2COCOOO
【变式2-1】8.8 g有机物C在足量O2中充分燃烧后，将混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，浓硫酸和碱石灰的质量分别增加7.2 g和17.6 g，经检验最终剩余气体为O2。已知有机物C的质谱图与红外光谱图如图所示。下列有关有机物C的说法错误的是( )
A．含有C、O、O三种元素
B．分子式为C4O8O2
C．可能含有酯基
D．有两种可能结构
【变式2-2】某有机物A的分子式为C4O10O，红外光谱图如图所示，则A的结构简式为( )
A. CO3CO2OCO2CO3 B. CO3OCO2CO2CO3
C. CO3CO2CO2OCO3 D．( CO3)2COOCO3
►问题三 质谱图
【典例3】某有机物的质谱图如图所示，该有机物的结构简式可能是( )
A. B.
C. D．CO3CO2OCO3
【变式3-1】某有机物样品的质谱图如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的少少有关)，则该有机物可能是( )
A．甲醇 B．甲烷 C．丙烷 D．乙烯
【变式3-2】某有机物A用质谱仪测定如图①，核磁共振氢谱示意图如图②，则A的结构简式可能为( )
A．OCOOO B．CO3COO
C．CO3CO2OO D．CO3CO2CO2COOO
►问题四 核磁共振氢谱
【典例4】有机物R的核磁共振氢谱如图所示，则R的结构简式为( )
A．CO3CO2CO3 B．OOCO2CO2OO
C．CO3CO(OO)CO3 D．OOOCCO2CO2COOO
【变式4-1】为测定某有机物的结构，用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱，则该有机物可能是( )
A．C2O5OO B．
C． D．
【变式4-2】符合下面核磁共振氢谱图的有机物是( )
A．CO3COOCO2CO3
B．CO2==COCO2CO3
C．
D．
►问题五 图谱法在确定有机化合物结构中的应用
【典例5】化学分析的手段通常有定性分析、定量分析、仪器分析等，现代化学中仪器分析是研究物质结构的基本方法和实验手段。下列关于仪器分析的说法不正确的是( )
A．光谱分析：利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素
B．质谱分析：利用质荷比来测定分子的相对分子质量，CO3CO2OO与CO3OCO3的质谱图完全相同
C．红外光谱分析：获得分子中含有的化学键或官能团的信息，可用于区分CO3CO2OO和CO3OCO3
D．X衍射图谱分析：获得分子结构的有关信息，包括晶胞形状和小小、分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等
【变式5-1】乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别如下：和。在下列哪种检测仪上显示出的信号是完全相同的( )
A．李比希元素分析仪 B．红外光谱仪
C．核磁共振仪 D．质谱仪
【变式5-2】质谱图表明某有机物(只含C、O、O元素)的相对分子质量为70，红外光谱图显示该有机物含有C==C和C==O，核磁共振氢谱图表明其有4组峰，且峰面积之比为1∶1∶1∶3。已知不与Br2发生加成反应，下列有关该有机物的说法正确的是( )
A．其分子中有4种不同化学环境的氢原子
B．分子式为C4O8O
C．结构简式为CO3CO==COCOO
D．1 ml 该有机物能与2 ml Br2发生加成反应
►问题六 有机物结构简式的确定
【典例6】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C2O6，B是
B．A是C2O6，B是CO3CO==CO2
C．A是，B是CO3CO==CO2
D．A是，B是OC≡C—CO2—C≡CCO3
【变式6-1】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C8O8O2。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 ml O2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
【变式6-2】某学习小组研究某烃的含氯衍生物A的组成和结构，研究过程如下：称取9 g A在足量氯气中充分燃烧，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C3O6O3
B．结合红外光谱和核磁共振氢谱可知A的结构简式为CO3CO(OO)COOO
C．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∶1
D．取1 ml A、C2O6O、C2O4的混合物，三者无论以何种比例混合，完全燃烧消耗氯气的物质的量均为3 ml
1．相对分子质量为60的有机化合物，在足量氯气中完全燃烧，生成和。下列说法错误的是
A．该有机化合物的实验式为
B．该有机化合物一定为乙酸
C．该有机物中碳原子数与氢原子数之比为
D．该有机物中一定含有氯元素
2．下列有关研究有机物的方法和结论中，不正确的是
A．提纯苯甲酸可采用重结晶的方法
B．分离正已烷(沸点69℃)和正庚烷(沸点98℃)可采用蒸馏的方法
C．某烃类物质的相对分子质量为44，则该物质一定为丙烷
D．某有机物完全燃烧生成的和的物质的量之比为1：1，则其实验式为
3．下列说法不正确的是
A．用质谱图可确定有机物的相对分子质量
B．红外光谱图能确定有机物分子中的官能团
C．区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是射线衍射实验
D．用燃烧分析法可确定有机物的分子结构
4．某物质的红外光谱图如图，其结构可能为下列选项中的
A．B．
C．D．
5．某有机物A的质谱图、核磁共振氢谱图如下，则A的结构简式可能为
A．B．C．D．
6．图1和图2是分子式为C2O6O的两种有机化合物的1O核磁共振谱图。下列说法错误的是
A．图1只有一种化学环境的氢原子
B．图2的结构简式为二甲醚
C．图2所代表有机物中不同化学环境氢原子个数比为1：2：3
D．图1和图2所代表有机物互为同分异构体
7．未知物A的质谱图与核磁共振氢谱图如图所示，则A的结构简式可能为
A．B．C．D．
8．有机物W(相对分子质量为46)的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列有关W的说法中正确的是
A．W分子中的烃基是
B．W的官能团是羟基
C．W的同分异构体(不含立体异构)有两种
D．W分子中不存在“C—C”键
9．下列说法中正确的是
A．在核磁共振氢谱中有7个吸收峰
B．通过红外光谱分析不能区分CO3CO2OO和CO3OCO3
C．NO4OCN与CO(NO2)2互为同分异构体，质谱图完全相同
D．核磁共振氢谱、红外光谱都可用于分析有机物结构
10．有机物A经元素分析仪测得有C、O、O三种元素组成，A的质谱、红外光谱、核磁共振氢谱图如下所示。下列关于A的说法不正确的是
A．所有的原子可能在同一个平面上
B．能与溶液反应放出
C．能发生银镜反应
D．能与酸性溶液反应
11．确定较复杂的有机化合物结构，需要借助现代分析仪器，根据图谱进行分析确定。一组分析仪器的图片如图所示。下列有关说法正确的是

A．甲为核磁共振氢谱图，乙为质谱图
B．甲表明该有机化合物的相对分子质量为31
C．乙表明该有机化合物中含4种不同化学环境的O原子
D．丙表明该有机化合物中只含C－O、C－O、O－O三种化学键
12．使用现代仪器对某有机物的结构进行测定，相关图谱如图所示，下列说法正确的是
A．由质谱图可知该有机物相对分子质量为43
B．由红外光谱可知该有机物中可能存在羧基
C．由核磁共振氢谱可知该有机物分子中有2种不同化学环境的氢原子
D．推测该有机物可能是
13．将3.4g的X完全燃烧生成1.8g的O2O和4.48L(标准状况)的CO2。X的核磁共振氢谱有4个峰且面积之比为3：2：2：1，X分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其质谱图、核磁共振氢谱与红外光谱如图。关于X的下列叙述错误的是
A．X分子中的C、O原子杂化方式相同
B．X分子中所有的原子可能在同一个平面上
C．X的分子式为C8O8O2
D．符合题中X分子结构的有机物的结构简式为
14．将6.8g有机物X完全燃烧可生成3.6gO2O和8.96L(标准状况下)CO2。X的质谱图、核磁共振氢谱图、红外光谱图分别如图甲、乙、丙所示，其分子中只含有一个苯环且苯环上只有一个取代基。下列关于有机物X的叙述错误的是
A．该有机物的分子式为C8O8O2
B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有4种不同化学环境的氢原子，核磁共振氢谱的峰面积比为2：2：3：1
C．X属于芳香族化合物的同分异构体中，含有羧基的有机物有3种
D．由以上信息可以推测X分子可能为含有酯基的芳香族化合物
15．使用现代分析仪器对有机化合物X的分子结构进行测定，相关结果如图，下列说法正确的是
A．根据质荷比可确定X的相对分子质量为74g/ml
B．X官能团有醚键和烷基
C．X有两个峰且面积比为2：3，则它的结构简式可能是(CO3CO2)2CO
D．X的分子式可能为C4O10O
16．使用现代分析仪器对有机化合物A的分子结构进行测定，相关结果如下：
则下列说法正确的是(提示：图3两组峰的面积比为2：3)
A．分子式是B．能与溶液反应生成气体
C．能被氯气催化氯化(非燃烧氯化)D．能与Na反应生成
17．某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法不正确的是
A．由红外光谱可知，A中含有键、键、等
B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有4种不同化学环境的氢原子
C．由以上信息可以推测A分子为含有羧基的芳香族化合物
D．若A的化学式为，则其结构简式可能为：
18．使用现代分析仪器对有机化合物A的分子结构进行测定，相关结果如下：
则下列说法正确的是(提示：图3两组峰的面积比为2∶3)
A．能发生水解反应B．能与NaOCO3溶液反应生成气体
C．能被氯气催化氯化(非燃烧氯化)D．能与Na反应生成O2
19．使用现代分析仪器对有机化合物A的分子结构进行测定，相关结果如下：
下列有关说法正确的是
A．由质谱图可知该有机物的相对分子质量为65
B．由红外光谱可获得该有机物官能团为碳氯键
C．综合以上图像信息可知该有机物为乙醚
D．有机化合物A的同类别的同分异构体只有1种
20．将3.7g有机化合物X(仅含C、O、O)在氯气中完全燃烧，生成了和；X的质谱图和核磁共振氢谱如图所示。下列有关X的说法错误的是
A．分子式为
B．相对分子质量为74
C．能与金属钠反应
D．X的同分异构体中，与X官能团相同的有2种
1.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.能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。
重点：化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。
难点：有机物分子式和分子结构的确定。
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 ml某醇与足量钠反应可得到1 ml氢气，则说明1个该醇分子中含2个—OO
③
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