化学选择性必修3研究有机化合物的一般方法第2课时导学案

这是一份化学选择性必修3研究有机化合物的一般方法第2课时导学案，共6页。学案主要包含了确定分子式——质谱法，确定分子结构——波谱分析等内容，欢迎下载使用。

一、确定分子式——质谱法
1．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．相对分子质量确定
质谱图中最右侧的分子离子峰或质荷比最大值表示样品中分子的相对分子质量。
3．示例说明
下图是某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图，由此可确定该未知物的相对分子质量为46。
分子式为C2H6O的结构有哪几种？写出各自的键线式。
[提示] 2种。 。
二、确定分子结构——波谱分析
1．红外光谱
(1)作用：初步判断某有机物分子中所含有的化学键或官能团。
(2)原理：不同的化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。
例如：分子式为C2H6O的红外光谱上发现有O—H、C—H和C—O的吸收峰，可推知该分子的结构简式为C2H5—OH。
2．核磁共振氢谱
(1)作用：测定有机物分子中氢原子的类型和它们的相对数目。
(2)原理：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)分析：吸收峰数目＝氢原子类型种类，吸收峰面积比＝氢原子数之比。
(4)示例分析：某未知物A的分子式为C2H6O，核磁共振氢谱如下图，则有3种处于不同化学环境的氢原子，个数比为3∶2∶1，说明该未知物A的结构简式为CH3CH2OH。
3．X射线衍射
(1)原理：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图。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。
(2)应用：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。
1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)根据实验式CH4O可以确定分子式为CH4O。 ( )
(2)根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类。 ( )
(3)核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子。 ( )
(4)CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱中，有3个吸收峰，且吸收峰面积为4∶3∶1。( )
[答案] (1)√ (2)√ (3)× (4)×
2．能够快速、微量、精确地测定相对分子质量的物理方法是( )
A．质谱法 B．红外光谱法
C．元素分析法 D．核磁共振氢谱法
[答案] A
3．经测定，咖啡因分子中各元素的质量分数是：碳49.5%、氢5.1%、氧16.5%、氮28.9%，且其相对分子质量为194，则咖啡因的分子式为________。
[答案] C8H10O2N4
为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：
第一步，分子式的确定。
(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成5.4 g H2O和8.8 g CO2，消耗氧气6.72 L(标准状况下)，则该有机物的实验式是________。
(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如图①所示质谱图，则其相对分子质量为________，该物质的分子式是________。
第二步，结构简式的确定。
(3)根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式：
_____________________________________________________。
(4)经测定，有机物A的核磁共振氢谱如图②所示，则A的结构简式为_________________________________________________。
[解析](1)根据题意，n(H2O)＝0.3 ml，则n(H)＝0.6 ml；n(CO2)＝0.2 ml，则n(C)＝0.2 ml；根据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3 ml＋2×0.2 ml－2×eq \f(6.72 L,22.4 L·ml－1)＝0.1 ml，则该物质分子中各元素原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)＝n(C)∶n(H)∶n(O)＝2∶6∶1，该有机物的实验式为C2H6O。(2)假设该有机物的分子式为(C2H6O)m，由质谱图知其相对分子质量为46，
则46m＝46，即m＝1，故其分子式为C2H6O。(3)由A的分子式为C2H6O可知，A为饱和有机化合物，可推测其结构为CH3CH2OH或CH3OCH3。(4)分析A的核磁共振氢谱图可知：A有三种不同化学环境的氢原子，CH3OCH3只有一种化学环境的氢原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。
[答案] (1)C2H6O (2)46 C2H6O (3)CH3CH2OH(或CH3—O—CH3) (4)CH3CH2OH
1．确定分子式的方法
(1)根据有机物中各元素的质量分数，求出有机物的实验式，再根据有机物的相对分子质量确定分子式。
(2)根据有机物的摩尔质量和各元素的质量分数，求出1 ml 该有机物中各元素原子的物质的量，从而确定出该有机物的分子式。
(3)根据有机物燃烧时消耗O2的量及产物的量，求出有机物的实验式，再通过计算确定出有机物的分子式。
(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，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：
CxHy＋(x＋eq \f(y,4))O2eq \(――→,\s\up8(点燃))xCO2＋eq \f(y,2)H2O；
CxHyOz＋(x＋eq \f(y,4)－eq \f(z,2))O2eq \(――→,\s\up8(点燃))xCO2＋eq \f(y,2)H2O。
(5)余数法
用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。
eq \f(MrCxHy,MrCH2)＝eq \f(M,14)＝A……eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(余2 为烷烃,除尽 为烯烃或环烷烃,差2 为炔烃或二烯烃等,差6 为苯或苯的同系物等))
其中商数A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物等)。
2．有机物分子结构的确定(物理方法)
1．某有机物质量为8.80 g，完全燃烧后得到CO2 22.0 g、H2O 10.8 g，该有机物的蒸气密度是相同状况下H2密度的44倍，则该有机物的分子式为 ( )
A．C5H6O B．C5H12
C．C5H12O2 D．C5H12O
D [该有机物的蒸气密度是相同条件下氢气密度的44倍，则该有机物的相对分子质量为2×44＝88,8.80 g有机物的物质的量为eq \f(8.80 g,88 g·ml－1)＝0.1 ml,22.0 g CO2的物质的量为eq \f(22.0 g,44 g·ml－1)＝0.5 ml,10.8 g水的物质的量为eq \f(10.8 g,18 g·ml－1)＝0.6 ml，故1个分子中C原子数目为eq \f(0.5 ml,0.1 ml)＝5，H原子数目为eq \f(0.6 ml×2,0.1 ml)＝12，分子中C、H的相对原子质量之和为12×5＋12＝72，故1个该有机物分子中还含1个氧原子，则该有机物的分子式为C5H12O，故选D。]
2．有机物A常用于食品行业，已知9.0 g A在足量O2中充分燃烧，将生成的混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重5.4 g和13.2 g，经检验剩余气体为O2。
(1)A分子的质谱图如图所示，从图中可知其相对分子质量是________，则A的分子式是________。
(2)A能与NaHCO3溶液发生反应，A一定含有的官能团名称是________。
(3)A分子的核磁共振氢谱有4个峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则A的结构简式是_________________________________________。
[解析](1)根据图示可知其相对分子质量等于其最大质荷比，即其相对分子质量为90；9.0 g A的物质的量为0.1 ml，在足量O2中充分燃烧，气体产物依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，增重分别为水蒸气和CO2的质量，即n(H2O)＝0.3 ml，n(CO2)＝0.3 ml，则该有机物中含N(H)＝eq \f(0.3 ml,0.1 ml)×2＝6，N(C)＝eq \f(0.3 ml,0.1 ml)＝3，则N(O)＝eq \f(90－1×6－12×3,16)＝3，即有机物A的分子式为C3H6O3。(2)A能和碳酸氢钠溶液反应，说明A中一定含有的官能团为羧基。(3)A分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，说明A中含1个—OH、1个—COOH、1个和1个—CH3，即A的结构简式为。
[答案] (1)90 C3H6O3 (2)羧基
(3)
有机物结构确定的其他方法
(1)根据价键规律确定
某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构简式。例如C2H6，只能是CH3CH3。
(2)通过定性实验确定
实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构简式。
如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有双键或三键。
(3)根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物。
实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼凑”。
(4)通过定量实验确定官能团的数目，如测得1 ml某醇与足量钠反应可得到1 ml气体，则可说明1个该醇分子中含2个—OH。
1．某有机物X含C、H、O三种元素，已知下列条件：
①碳的质量分数 ②氢的质量分数 ③X蒸气的体积(已折算成标准状况下的体积) ④X对氢气的相对密度 ⑤X的质量 ⑥X的沸点，确定X的分子式所需要的最少条件是( )
A．①②⑥ B．①③⑤
C．①②④ D．①②③④⑤
C [确定分子式的方法有许多种，若有碳、氢元素的质量分数，则可求出氧元素的质量分数，根据质量分数可计算各元素的原子个数之比，从而确定最简式；再根据相对分子质量即可求得分子式，相对分子质量可由标准状况下气体的密度或相对密度求出。]
2．设H＋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，相对丰度与该离子的质量有关)，则该有机物可能是( )
A．甲醇 B．甲烷
C．丙烷 D．乙烯
B [根据图示可知该有机物的相对分子质量为16。]
3．已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中不正确的是 ( )
A．由红外光谱可知，该有机物分子中至少有三种不同的化学键
B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同的氢原子
C．仅由核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数
D．若A的分子式为C3H8O，则其结构简式可能为
D [由红外光谱可知有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键，A正确；由核磁共振氢谱可知有机物分子中三种不同的氢原子的个数比，但不知总的氢原子数，B、C正确；因为中的不同化学环境的氢原子个数比为1∶1∶6，与图像不符，D错误。]
4．乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别为，通过下列方法或检测仪得出的信息或信号完全相同的是( )
A．李比希元素分析法 B．红外光谱仪
C．核磁共振仪 D．质谱仪
A [二者互为同分异构体，则通过李比希元素分析法得出的信息完全相同，A项符合题意；官能团不同，红外光谱信号不同，B项不符合题意；二者含有的氢原子的种类和个数虽然相同，但峰出现的位置不同，核磁共振氢谱信号不完全相同，C项不符合题意；二者的相对分子质量相等，质谱法测定的最大质荷比相同，但信号不完全相同，D项不符合题意。]
5．有一种有机物的分子式为C7H8O，苯环上有1个羟基，请写出该有机物可能的结构简式：_____________________，核磁共振氢谱图上观察到氢原子的峰面积比为______(前后要对应)。
[答案]
1∶1∶1∶1∶1∶3、1∶1∶1∶1∶1∶3、1∶2∶2∶3
发 展 目 标
体 系 构 建
1.了解质谱法确定分子式的原理与方法，培养“证据推理”的核心素养。
2.知道红外光谱、核磁共振等现代仪器分析方法在有机物分子结构测定中的应用。培养“科学态度与社会责任”的核心素养。
有机物分子式和分子结构的确定