高中化学人教版选修5第一章第四节 研究有机化合物的一般步骤和方法.docx

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高中化学人教版选修5第一章第四节研究有机化合物的一般步骤和方法

第四节　研究有机化合物的一般步骤和方法

[课标要求]

1．了解研究有机化合物的一般步骤和方法。

2．初步学会分离提纯有机物的常规方法。

3．初步了解测定元素种类、含量以及相对分子质量的方法。

4．了解确定分子式的一般方法与过程以及根据特征结构和现代物理技术确定物质结构的方法。

　1.研究有机化合物结构的基本步骤：

→

→

→

2．采用蒸馏法可将沸点差大于30℃热稳定性强的有机混合物提纯。

3．利用萃取剂将有机物从另一种溶剂中提取出来的过程叫萃取。

4．质谱图中最大质荷比即为相对分子质量。

5．红外光谱测定有机物分子中的化学键或官能团。

6．核磁共振氢谱图中峰数即氢原子种类数，面积之比为各类氢原子个数之比。

1．研究有机化合物的一般步骤

2．有机物的分离与提纯

（1）蒸馏

①用途：

分离、提纯液态有机物。

③装置和主要仪器：

（2）重结晶

①用途：

分离提纯固态有机物。

②原理：

利用两种物质在同一溶剂中溶解度随温度的变化相差较大，采用冷却或蒸发将物质分离提纯。

③适用条件

a．杂质在所选溶剂中溶解度很小或很大，易于除去。

b．被提纯的有机化合物在所选溶剂中的溶解度，受温度的影响较大。

该有机化合物在热溶液中的溶解度较大，冷溶液中的溶解度较小，冷却后易于结晶析出。

④实验仪器与操作步骤：

（3）萃取

①原理：

液－液萃取是利用有机化合物在两种互不相溶的溶剂里溶解度的不同，将有机化合物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。

固－液萃取是用有机溶剂从固体物质中溶解出有机化合物的过程。

②适用条件：

有机化合物与杂质在某种溶剂中的溶解度有较大差异。

③实验装置：

④实验操作：

加萃取剂后充分振荡，静置分层后，打开分液漏斗活塞，从下口将下层液体放出，并及时关闭活塞，上层液体从上口倒出。

[特别提醒]　选用萃取剂的三原则

（1）萃取剂与原溶剂互不相溶。

（2）萃取剂与原溶质、溶剂均不发生化学反应。

（3）被萃取物质在萃取剂中的溶解度要远大于在原溶剂中的溶解度。

1．下图实验装置一般不用于分离物质的是（　　）

解析：

选D　A项用于分离沸点不同的液体混合物；B项用于不相溶的液体混合物的分离；C项为液固混合物的分离——过滤；D项用于一定物质的量浓度溶液的配制，不用于分离物质。

2．下列实验中，不能达到预期目的的是（　　）

①用升华法分离碘和氯化铵的混合物　②用结晶法分离硝酸钾和氯化钠的混合物　③用分液法分离水和硝基苯的混合物　④用蒸馏法分离乙醇（沸点为78.5℃）和乙酸乙酯（沸点为77.5℃）的混合物

A．①④　　　　　　　B．②③

C．③④D．②④

解析：

选A　①中I2易升华，而NH4Cl受热易分解为NH3、HCl，NH3、HCl冷却又会化合生成NH4Cl，不能分离；④中两种有机物沸点十分接近，不能用蒸馏法分离。

3．除去下列括号内的杂质通常采用的方法是什么？

将答案填在横线上。

（1）CH3OH（H2O）________________________________________________________________________；

（注：

CH3OH为甲醇，沸点为64.7℃）

____________________________________________；

____________________________________________________。

解析：

蒸馏是根据液体的热稳定性及与杂质（可以是液体也可以是固体）的沸点差别大小（一般约相差30℃），来提纯液态物质；重结晶用于固体的分离；萃取用于液态物质在不同溶剂中溶解性不同而进行的分离操作。

答案：

（1）蒸馏（可加入生石灰）　

（2）重结晶　（3）碱洗分液（常选用NaOH溶液做碱洗液）

1．元素分析

（1）定性分析——确定有机物的元素组成。

用化学方法鉴定有机物的元素组成。

如燃烧后，一般C生成CO2、H生成H2O、Cl生成HCl。

（2）定量分析——确定有机物的实验式。

①原理：

将一定量的有机物燃烧并测定各产物的质量，从而推算出各组成元素的质量分数，然后计算有机物分子中所含元素原子最简整数比，确定实验式。

②方法：

[特别提醒]

（1）某有机物燃烧产物只有CO2和H2O，该有机物不一定只含有C、H两种元素，还可能含有氧元素。

（2）当有机物中含有Cl、Br、S等元素时，燃烧产物除CO2和H2O外，还有HCl、HBr和SO2等。

2．相对分子质量的测定——质谱法

（1）原理

用高能电子流轰击样品分子，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。

分子离子和碎片离子各自具有不同的相对质量，它们在磁场的作用下到达检测器的时间因质量不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。

（2）质荷比

指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值；在有机化合物的质谱图中，质荷比的最大值即为该有机化合物的相对分子质量。

（3）示例：

未知物质A的质谱图为

由图可看出，质荷比最大的是CH2CH2

H（46），这就表示了未知物质A的相对分子质量为46。

[特别提醒]

（1）若有机物的实验式中，碳原子已经达到饱和，实验式就是其分子式，如实验式为CH4、C2H6、C2H6O的物质，其分子式即为CH4、C2H6、C2H6O。

（2）在质谱图中最右边（即质荷比最大）的分子离子峰表示的就是有机物的相对分子质量。

1．2.3g某有机物完全燃烧后生成4.4g二氧化碳和2.7g水，该有机物的组成元素有哪些？

提示：

该有机物中含C：

×12g·mol－1＝1.2g

含H：

×2×1g·mol－1＝0.3g

因2.3g>（1.2g＋0.3g），故该有机物中还含有氧元素。

因此，该有机物是由C、H、O三种元素组成的。

2．某烃的含碳量为85.7%，试确定该烃的实验式。

提示：

该烃中氢的含量为1－85.7%＝14.3%，则n（C）∶n（H）＝

∶

≈1∶2，该烃的实验式为CH2。

有机物分子式的确定方法

（1）直接法

直接求算出1mol气体中各元素原子的物质的量，即可推出分子式，如给出一定条件下的相对密度及各元素的质量比，求算分子式的途径为：

相对密度―→摩尔质量―→1mol气体中各元素原子的物质的量―→分子式。

（2）实验式法

实验式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子。

由各元素的质量分数―→各元素的原子个数之比（实验式）

分子式。

（3）物质的量关系法

由密度或其他条件―→求摩尔质量―→求1mol分子中所含各元素原子的物质的量―→求分子式。

（4）通式法

物质的性质等―→类别及组成通式（如CnH2n）

n值―→分子式。

（5）方程式法

利用燃烧反应方程式时，要抓住以下关键：

①气体体积变化；②气体压强变化；③气体密度变化；④混合物平均相对分子质量等。

同时可结合适当方法，如平均值法、十字交叉法、讨论法等技巧来速解有机物的分子式。

1．2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机分子的结构进行分析的质谱法。

其方法是让极少量（10－9g左右）的化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。

如C2H6离子化后可得到C2H

、C2H

、C2H

、……然后测定其质荷比β。

设H＋的质荷比为1，某有机物样品的质荷比如下图（假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子多少有关），则该有机物可能是（　　）

A．CH3OH　　　　　B．C3H8

C．C2H4D．CH4

解析：

选D　有机物样品的质荷比的最大值为该物质的相对分子质量，根据有机物样品的质荷比图可知该物质的相对分子质量为16，甲醇、丙烷、乙烯、甲烷的相对分子质量为32、42、28、16，因此该有机物是甲烷。

2．某化合物6.4g在氧气中完全燃烧，生成8.8gCO2和7.2gH2O，下列说法中正确的是（　　）

A．该化合物含碳、氢两种元素

B．该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4

C．无法确定该化合物是否含有氧元素

D．该化合物一定是C2H8O2

解析：

选B　n（CO2）＝

＝0.2mol，知m（C）＝0.2mol×12g·mol－1＝2.4g，n（H2O）＝

＝0.4mol，知m（H）＝1g·mol－1×0.8mol＝0.8g；则m（C）＋m（H）＝2.4g＋0.8g＝3.2g，3.2g＜6.4g，故该化合物中含氧元素，其质量为6.4g－3.2g＝3.2g，其物质的量n（O）＝

＝0.2mol。

n（C）∶n（H）∶n（O）＝1∶4∶1，实验式为CH4O，分子式一定不是C2H8O2，因为实验式中H原子已饱和。

1．红外光谱

（1）作用：

可以初步判断有机物中含有何种化学键或官能团。

（2）原理：

当红外线照射有机物分子时，不同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。

（3）实例：

下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物的结构简式为CH3COOCH2CH3或CH3CH2COOCH3。

2．核磁共振氢谱

（1）作用：

测定有机物分子中氢原子的种类和数目。

（2）原理：

处在不同化学环境中的氢原子在谱图上出现的位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

（3）分析

吸收峰数目＝氢原子种类，

吸收峰面积比＝氢原子数目比。

如图所示核磁共振氢谱图中有三个峰，峰面积（或吸收强度）之比是1∶2∶3，可知该有机物中有三种不同类型的氢原子且个数比为1∶2∶3。

[特别提醒]

（1）红外光谱可以测量出化学键或官能团的种类，但不能测出化学键或官能团的个数。

（2）核磁共振氢谱中吸收峰的数目代表的是氢原子的种类而非氢原子的个数。

1．现有一物质的核磁共振氢谱如下图所示。

则可能是下列物质中的（　　）

A．CH3CH2CH3　　　　B．CH3CH2CH2OH

D．CH3CH2CHO

解析：

选B　由核磁共振氢谱的定义可知，在核磁共振氢谱图中从峰的个数即可推知有几种化学环境不同的氢原子，从题图中可知有4种化学环境不同的氢原子。

分析选项可得A项有2种，B项有4种，C项有2种，D项有3种。

2．核磁共振谱（NMR）可用于研究有机物的结构，在所研究的化合物分子中，每一结构中的等性氢原子在NMR谱中都给出了相应的峰（信号）。

NMR谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比。

例如，乙醛的结构简式为CH3CHO，其NMR谱中有两个信号，其强度之比为3∶1。

分子式为C3H6O2的一元混合物，在NMR谱上观察到的氢原子给出的峰有两种情况：

第一种情况峰的强度比为3∶3，请写出其对应化合物的结构简式________；第二种情况峰的强度比为3∶2∶1，请写出该化合物的可能的结构简式________________。

解析：

分子式为C3H6O2，第一种情况峰的强度比是3∶3，我们可以知道有两种类型的氢原子，而且两种类型氢原子个数比为3∶3，因此该物质应为

；第二种情况峰的强度比为3∶2∶1，可知共有三种类型的氢原子，氢原子个数比为3∶2∶1，由此得出

两种结构简式符合要求。

[三级训练·节节过关]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．下列说法中错误的是（　　）

A．用酒精萃取甲苯水溶液中的甲苯的操作可选用分液漏斗，而后静置分液

B．进行分液时，分液漏斗中的下层液体从下口放出，上层液体则从上口倒出

C．密度不同、互不相溶的液体混合物，可采用分液的方法将它们分离

D．对于热稳定性较强、沸点较高的液态有机化合物和沸点较低的杂质可用蒸馏法进行除杂

解析：

选A　酒精易溶于水，与水互溶不能分层，不符合选取萃取剂的条件，不能达到萃取的目的，A项错误；分液漏斗中的下层液体只能从下口放出，若从上口倒出，则下层液体与上层液体相混而不纯，同样上层液体从下口放出时也会使上层液体与残留在漏斗内壁的下层液体相混而不纯，B项正确；根据萃取分液和蒸馏的实验原理可知C、D项均正确。

2．某有机物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的水和二氧化碳。

则该有机物的组成必须满足的条件是（　　）

A．分子中C、H、O的个数比为1∶2∶3

B．分子中C、H的个数比为1∶2

C．该有机物的相对分子质量为14

D．该分子中肯定不含氧元素

解析：

选B　有机物在O2中充分燃烧生成CO2和H2O，说明有机物中一定含有C、H两种元素，不能判断是否含有氧元素。

生成CO2和水的物质的量相等，说明有机物分子中C、H的原子个数比为1∶2。

3．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（　　）

解析：

选A　由物质的核磁共振氢谱图可知该物质的分子中存在三种H原子，个数比为3∶2∶1。

A.乙醇的结构简式是CH3CH2OH，符合题意，A正确；B.该有机物分子中只有2种H原子，B错误；C.该有机物分子中有4种H原子，C错误；D.有机物对二甲苯有2种H原子，D错误。

4．有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水，元素组成分析发现，该物质中碳元素的质量分数为60.00%，氢元素的质量分数为13.33%，它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰。

下列关于有机物X的说法不正确的是（　　）

A．含有C、H、O三种元素

B．相对分子质量为60

C．分子组成为C3H8O

D．结构简式为CH3CHOHCH3

解析：

选D　有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水，元素组成分析发现，该物质中碳元素的质量分数为60.00%，氢元素的质量分数为13.33%，因此还含有氧元素，其质量分数是100%－60.00%－13.33%＝26.67%，所以C、H、O三种原子的个数之比是

∶

∶

＝3∶8∶1，即最简式为C3H8O，由于3个碳原子最多结合8个氢原子，所以分子式是C3H8O。

它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰，则含有羟基，所以其结构简式为CH3CH2CH2OH。

5．能够水解的某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为72.0%、含氢为6.67%，其余含有氧。

现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。

方法一：

用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。

方法二：

核磁共振仪测出A的核磁共振氢谱有5个峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3，如图A。

方法三：

利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如下图B。

试填空：

（1）A的分子式为________________________。

（2）A的分子中只含一个甲基的依据是________（填字母）。

a．A的相对分子质量b．A的分子式

c．A的核磁共振氢谱图d．A分子的红外光谱图

（3）A的结构简式为________________________。

解析：

A的相对分子质量为150，其中含碳为72.0%、含氢为6.67%，其余含有氧，则C原子个数是（150×72.0%）÷12＝9；H原子个数是（150×6.67%）÷1＝10；含有O原子个数是：

[150×（1－72.0%－6.67%）]÷16＝2。

所以物质A的分子式是C9H10O2；

（2）A的分子中只含一个甲基的依据是A的分子式和A的核磁共振氢谱图，故选项是b、c。

（3）核磁共振仪测出A的核磁共振氢谱有5个峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3，说明分子中含有5种不同的H原子，个数比是1∶2∶2∶2∶3。

红外光谱仪测得A分子的红外光谱所示可知物质A含有C—H键、C===O键、C—O—C键、C—C键及苯环和与苯环连接的C—C

答案：

（1）C9H10O2　

（2）bc

1．现有三组溶液：

①汽油和氯化钠溶液　②39%的乙醇溶液　③氯化钠和单质溴的水溶液，分离以上各混合液的正确方法依次是（　　）

A．分液、萃取、蒸馏　　B．萃取、蒸馏、分液

C．分液、蒸馏、萃取D．蒸馏、萃取、分液

解析：

选C　①因为溶液互不相溶，能够分层，使用分液的方法；②乙醇和水可以混溶，只能利用沸点的不同进行蒸馏；③使用有机溶剂可以将溶解在溶液中的单质溴提取出来，故选用萃取。

2．研究有机物一般经过以下几个基本步骤：

分离、提纯―→确定实验式―→确定分子式―→确定结构式，以下用于研究有机物的方法错误的是（　　）

A．萃取是常用的有机物提纯方法

B．燃烧法是研究确定有机物成分的有效方法之一

C．核磁共振氢谱图通常用于分析有机物的相对分子质量

D．对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子中的官能团

解析：

选C　A．利用溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的不同，使溶质从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中的方法。

萃取是有机化学实验室中用来提纯化合物的手段之一，正确；B.利用燃烧法，能将有机物分解为简单无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定实验式，正确；C.从核磁共振氢谱图上可以推知有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目，错误；D.不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上处于不同的位置，所以红外光谱图能确定有机物分子中的化学键或官能团，正确。

3．现有一瓶乙二醇和丙三醇的混合液，已知它们的性质如下表：

物质

分子式

熔点/℃

沸点/℃

密度/g·cm－3

溶解性

乙二醇

C2H6O2

－11.5

198

1.11

易溶于水和乙醇

丙三醇

C3H8O3

17.9

290

1.26

与水和乙醇任意比互溶

据此，将乙二醇和丙三醇分离的最佳方法是（　　）

A．萃取　　　　　　　B．升华

C．蒸馏D．蒸发

解析：

选C　根据表中乙二醇和丙三醇两物质性质的对比可知：

应根据它们沸点的差异，选择蒸馏的方法进行分离。

4．按以下实验方案可从海洋动物柄海鞘中提取具有抗肿瘤活性的天然产物。

样品

下列说法错误的是（　　）

A．步骤

（1）需要过滤装置

B．步骤

（2）需要用到分液漏斗

C．步骤（3）需要用到坩埚

D．步骤（4）需要蒸馏装置

解析：

选C　A项，样品粉末经步骤

（1）得到滤液和不溶性物质，其操作为过滤，故需要过滤装置；B项，步骤

（2）得到水层和有机层，这两层溶液互不相溶，分离的操作为分液，要用到分液漏斗；C项，步骤（3）由水层溶液得到固体粗产品，要经过蒸发浓缩、冷却结晶等操作，用到蒸发皿而非坩埚；D项，有机层是甲苯和甲醇的混合物，二者互溶，但沸点不同，可据此采用蒸馏的方法分离。

5．核磁共振氢谱图上显示3个峰的是（　　）

A．（CH3）3CCH2CH3

B．（CH3CH2）2CHCH3

C．（CH3）2CHCH（CH3）2

D．（CH3）2CHCH2CH2CH3

解析：

选A　核磁共振氢谱图上显示3个峰，这说明分子中含有3类等效氢原子。

又因为同一个碳原子上的氢原子是相同的，其次同一个碳原子所连接的所有甲基上的氢原子是相同的，再就是具有对称性结构的（类似于平面镜成像中物体和像的关系）。

则该分子中含有3类等效氢原子，A正确；B项，该分子中含有4类等效氢原子，错误；C项，该分子中含有2类等效氢原子，错误；D项，该分子中含有5类等效氢原子，错误。

6．某烃中碳和氢的质量比是24∶5，该烃在标准状况下的密度是2.59g·L－1，其分子式为（　　）

A．C2H6B．C4H10

C．C5H8D．C7H8

解析：

选B　

＝

∶

＝2∶5，得其实验式为C2H5，Mr＝ρVm＝2.59g·L－1×22.4L·mol－1≈58g·mol－1，（24＋5）n＝58，n＝2，故其分子式为C4H10。

7．某有机化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图只有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，该有机物的相对分子质量是60，则该有机物的结构简式是（　　）

A．CH3CH2OCH3B．CH3CH（OH）CH3

C．CH3CH2OHD．CH3COOH

解析：

选B　用排除法解答。

A中不存在O—H键；C中相对分子质量不是60；D中还存在CO键。

8．两种气态烃的混合气共1mol，在空气中燃烧得到1.5molCO2和2molH2O。

关于该混合气的说法合理的是（　　）

A．一定含甲烷，不含乙烷

B．一定含乙烷，不含甲烷

C．一定是甲烷和乙烯的混合物

D．一定含甲烷，但不含乙烯

解析：

选A　由题意可判断该混合物的平均组成为C1.5H4，因为碳原子数小于1.5的烃只有甲烷，氢原子的平均组成是4，而甲烷中含有4个H，故另一气态烃中也应含有4个H，故该烃可以为C2H4、C3H4（丙炔）等。

9．分子式为C2H4O2的有机物，其分子结构可能有

两种，用物理方法对其结构进行鉴定，可用红外光谱法或核磁共振氢谱法。

（1）若其结构为

，则红外光谱中应有______种振动吸收；核磁共振氢谱中应有______个峰。

（2）若其结构为

，则红外光谱中应有______种振动吸收；核磁共振氢谱中应有______个峰。

解析：

（1）中有CH键、CO键、CO键、OH键4种振动吸收；有—CH3、—OH两类氢原子，有2个峰。

同理，

（2）中有CH键、CO键、CO键3种振动吸收；有2个峰。

答案：

（1）4　2　

（2）3　2

10．有机物A是一种纯净的无色黏稠液体，易溶于水。

为研究A的组成与结构，进行了如下实验：

实验步骤

解释或实验结论

（1）称取A物质18.0g，升温使其汽化，测其密度是相同条件下H2的45倍。

试通过计算填空：

A的相对分子质量为________。

（2）A的核磁共振氢谱如图：

A中含有______种氢原子。

（3）另取A18.0g与足量的NaHCO3粉末反应，生成0.2molCO2，若与足量钠反应则生成0.2molH2。

写出一个A分子中所含官能团的名称和数量______。

（4）将此18.0gA在足量纯O2中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者依次增重10.8g和26.4g。

A的分子式为________。

（5）综上所述A的结构简式为________________。

解析：

（1）称取A物质18.0g，升温使其汽化，测其密度是相同条件下H2的45倍，则A的相对分子质量为45×2＝90。

（2）根据核磁共振氢谱可知A中含有4种氢原子。

（3）18gA的物质的量是18g÷90g·mol－1＝0.2mol，与足量的NaHCO3粉末反应，生成0.2molCO2，说明分子中含有1个羧基。

若与足量钠反应则生成0.2molH2，这说明还含有1个羟基。

（4）将此18.0gA在足量纯O2中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者依次增重10.8g和26.4g，即生成物水的物质的量是10.8g÷18g·mol－1＝0.6mol，CO2的物质的量是26.4g÷44g·mol－1＝0.6mol，则分子中碳、氢原子的个数分别是0.6÷0.2＝3、1.2÷0.2＝6，所以氧原子的个数是

＝3，则分子式为C3H6O3。

（5）综上所述A的结构简式为CH3CHOHCOOH。

答案：

（1）90　

（2）4　（3）A中含有一个羧基，还含有一个羟基　（4）C3H6O3　（5）CH3CHOHCOOH

1．下列有关实验的说法错误的是（　　）

①在蒸馏实验中，温度计的水银球位于支管口处是为了测出馏分的沸点

②用直接蒸馏的方法可以得到无水乙醇

③在重结晶的实验中，使用短颈漏斗趁热过滤是