学年高中化学第三章有机合成及其应用合成高分子化合物第2节有机化合物结构的测定同步备课学案鲁科.docx

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学年高中化学第三章有机合成及其应用合成高分子化合物第2节有机化合物结构的测定同步备课学案鲁科

第2节有机化合物结构的测定

[目标导航]　1.了解有机化合物结构的测定的一般步骤和程序，能进行确定有机化合物分子式的简单计算。

2.能利用官能团的化学检验方法鉴定单官能团化合物分子中是否存在常见官能团。

3.初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段。

4.懂得有机化合物结构的测定是有机化合物合成的重要环节。

一、测定有机化合物结构的流程及分子式的确定

1．测定有机化合物结构的流程

（1）流程

（2）核心：

测定有机化合物结构的核心步骤是确定其分子式，及检测分子中所含的官能团及其在碳骨架上的位置。

2．确定有机化合物的元素组成

要确定有机化合物的分子式，首先要知道该物质的组成元素、各元素的质量分数_，必要时还要测量其相对分子质量_。

（1）燃烧分析法测定烃分子中碳、氢两元素的质量分数：

取一定质量样品；将样品在氧气流中燃烧；将燃烧后的产物依次通过吸水剂和碱溶液吸收；根据吸水剂和碱溶液的质量变化计算样品中碳、氢元素的质量分数。

（2）氮元素质量分数的测定：

取一定质量的样品通入二氧化碳气流中，在CuO的催化作用下燃烧生成氮气。

反应时，可能有一部分氮转变成氮的氧化物，需借金属铜将它们还原为氮气。

借助二氧化碳气流，将装置中生成的气体全部赶出。

用浓KOH（或NaOH）溶液吸收CO2气体后，测得剩余气体的体积，即为氮气的体积。

（3）卤素质量分数的测定：

取一定质量样品与NaOH溶液混合加热，将卤素原子转变为卤素离子，再加入稀HNO3和AgNO3溶液得到卤化银沉淀。

根据卤化银沉淀的颜色确定卤素的种类。

若为白色，则有机物中含氯元素；若为浅黄色，则有机物中含溴元素；若为黄色，则有机物中含碘元素。

将生成的卤化银沉淀洗涤、干燥，称其质量。

议一议

1．一种有机物完全燃烧后的产物只有CO2和H2O，该有机物所含元素只有碳和氢吗？

如何判断是否含有氧元素？

答案　不一定，若产物只有CO2和H2O，其组成元素肯定有C、H元素，可能有O元素。

欲判断该有机物中是否含氧元素：

设有机物燃烧后CO2中碳元素的质量为m（C），H2O中氢元素质量为m（H）。

若

m（有机物）＞m（C）＋m（H）→有机物中含有氧元素；

m（有机物）＝m（C）＋m（H）→有机物中不含氧元素。

2．实验式（最简式）和分子式有何异同？

知道了有机物的实验式（最简式），要确定分子式，必须要知道该有机物的相对分子质量才能确定其分子式吗？

答案　实验式只是说明了物质中各元素原子的物质的量之比，分子式说明了物质分子的具体组成。

二者中各元素的百分比相同。

可能不同的是原子的个数，有时实验式和分子式相同，如CH4。

知道了有机物的实验式（最简式），要确定分子式，可能需要相对分子质量，可能不需要相对分子质量，如

（1）某些特殊组成的最简式，在不知化合物相对分子质量时，也可根据其组成特点确定其分子式。

例如最简式为CH3的有机物，其分子式可表示为（CH3）n，仅当n＝2时，氢原子已达饱和，故其分子式为C2H6。

同理，最简式为CH3O的有机物，其分子式为（CH3O）n，仅当n＝2时，氢原子已达饱和，其分子式为C2H6O2。

（2）部分有机物的最简式中，氢原子已达饱和，则该有机物的最简式即为分子式。

例如最简式为CH4、CH3Cl、C2H6O、C4H10O3等有机物，其最简式即为分子式。

3．确定有机物分子式的一般步骤是什么？

答案　

二、有机化合物结构式的确定

1．测定有机化合物的结构的关键步骤

判断分子的不饱和度及典型的化学性质，进而确定分子中所含有的官能团及其所处的位置。

2．有机化合物分子不饱和度的计算

（1）几种常见官能团的不饱和度：

化学键

不饱和度

化学键

不饱和度

一个碳碳双键

1

一个碳碳叁键

2

一个羰基

1

一个苯环

4

一个脂环

1

一个氰基

2

（2）有机化合物分子不饱和度的计算公式为

分子的不饱和度＝n（C）＋1－

。

其中：

n（C）为碳原子数，n（H）为氢原子数。

在计算不饱和度时，若有机化合物分子中含有卤素原子，可将其视为氢原子；若含有氧原子，则不予考虑；若含有氮原子，就在氢原子总数中减去氮原子数。

例如，分子式为C6H5NO2的分子的不饱和度为5。

3．有机化合物官能团的确定

（1）化学检验方法

一些官能团的化学检验方法

官能团种类

试剂

判断依据

碳碳双键或碳碳叁键

溴的四氯化碳溶液

红棕色溶液退色

酸性KMnO4溶液

紫色溶液退色

卤素原子

NaOH溶液（加热）、AgNO3溶液和稀硝酸

有沉淀产生

醇羟基

钠

有氢气放出

酚羟基

FeCl3溶液

显紫色

溴水

有白色沉淀产生

醛基

银氨溶液（水浴）

有银镜生成

新制氢氧化铜悬浊液（加热）

有砖红色沉淀产生

羧基

NaHCO3溶液

有CO2放出

（2）物理方法

①红外光谱：

不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上出现位置不同，由此可判断官能团种类以及样品浓度。

②核磁共振氢谱：

用电磁波照射氢原子核，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱图上出现的位置不同，且吸收面积与氢原子个数成正比，由此来测定氢原子在碳骨架上的位置和数目。

议一议

1.怎样理解有机化合物分子的不饱和度的求算和应用？

答案　不饱和度的概念：

不饱和度又称缺氢指数。

有机物分子中与碳原子数相等的开链烷烃相比较，每减少2个氢原子，则有机物的不饱和度增加1。

不饱和度的一般计算方法：

（1）根据有机物的化学式计算，若有机物的化学式为CnHm，则该有机化合物分子的不饱和度为

。

①若有机物为含氧化合物，因为氧为二价，

与

“等效”，故在进行不饱和度计算时可不考虑氧原子，如：

CH2===CH2、C2H4O、C2H4O2的不饱和度均为1。

②有机物分子中的卤素原子为取代基，可视作氢原子来计算分子的不饱和度，如C2H3Cl的不饱和度为1，其他基团：

—NH2、—SO3H等都视为氢原子。

③碳的同素异形体，可把它视作m＝0的烃，按上式来计算分子的不饱和度，如足球烯C60：

分子的不饱和度＝

＝61。

综上可知，烷烃和烷基的不饱和度为0，一个苯环的不饱和度为4。

如：

a.CH3C≡CCH2CH===CH2的不饱和度为3，分子式为C6H8。

b．

的不饱和度为6，分子式为C8H6。

c．

的不饱和度为10，分子式为C14H10。

d．

的不饱和度为5，分子式为C14H20O。

④立体封闭有机化合物分子（多面体或笼状结构）不饱和度的计算，其成环的不饱和度比面数少1。

如：

立方烷如图：

面数为6，不饱和度为5，分子式为C8H8。

（2）不饱和度的应用

应用不饱和度求物质的分子式，对于结构较复杂的有机化合物，碳、氧原子数较为直观，而氢原子往往不容易确定，应用不饱和度可顺利求出物质的分子式。

2.确定有机化合物结构的一般流程是什么？

答案　确定有机化合物结构式流程示意图

3．如何确定医用胶单体结构？

（1）确定分子式

①测定实验式

燃烧30.6g医用胶的单体样品。

实验测得生成70.4gCO2、19.8gH2O和2.24LN2（已换算为标准状况），请通过计算确定其实验式。

②确定分子式

由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0，请确定其分子式。

（2）推导结构式

①计算该样品分子的不饱和度，推测分子中是否有苯环、碳碳双键、碳碳叁键或碳氧双键。

②用化学方法测定样品分子中的官能团。

a．利用医用胶的单体分别做如下实验：

Ⅰ.加入溴的CCl4溶液，红棕色溶液退色。

说明分子中有______或________（用结构简式表示）。

Ⅱ.加入（NH4）2Fe（SO4）2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液，无明显变化。

说明分子中无________（用名称表示）。

Ⅲ.加入稀碱水溶液并加热，有氨气放出。

说明分子中有氰基（—CN）。

通过实验说明该分子中含有__________（或________）、________（用结构简式表示）。

b．通过红外光谱图分析，可知该样品分子中含有—C≡N—、

、

等官能团。

③推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置通过核磁氢谱图和核磁碳谱图知，该分子中含有

、—O—CH2—CH2—CH2—CH3和

基团，所以，该有机化合物的结构简式为__________________________。

答案　

（1）①n（C）＝n（CO2）＝

＝1.6mol，

n（H）＝2n（H2O）＝2×

＝2.2mol，

n（N）＝2n（N2）＝2×

＝0.2mol

n（O）＝

＝0.4mol

n（C）∶n（H）∶n（N）∶n（O）＝1.6mol∶2.2mol∶0.2mol∶0.4mol＝8∶11∶1∶2。

该医用胶单体的实验式为C8H11NO2。

②设该有机化合物的分子式为（C8H11NO2）n。

则n＝

＝1

所以分子式为C8H11NO2。

（2）①分子的不饱和度＝n（C）＋1－

＝8＋1－

＝4，

该分子中可能含有1个苯环或4个双键或2个叁键或2个双键和1个叁键。

②

　—C≡C—　硝基　

—C≡C—　—C≡N

一、有机物分子式的确定方法

1．确定有机化合物分子式的一般途径

2．确定有机化合物分子式的方法

（1）实验式法：

由各元素的质量分数→求各元素的原子个数之比（实验式）→相对分子质量→求分子式。

（2）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。

（3）化学方程式法：

利用化学方程式求分子式。

（4）燃烧通式法：

利用通式和相对分子质量求分子式。

CxHy＋（x＋

）O2

xCO2＋

H2O（x、y为正整数）

CxHyOz＋（x＋

－

）O2

xCO2＋

H2O（x、y、z为正整数）

由于x、y、z相对独立，借助通式进行计算，解出x、y、z，最后求出分子式。

（5）利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定

类别

通式

相对分子质量

烷烃

CnH2n＋2

Mr＝14n＋2（n≥1）

环烷烃，烯烃

CnH2n

Mr＝14n（烯烃n≥2，

环烷烃n≥3）

二烯烃，炔烃

CnH2n－2

Mr＝14n－2（炔烃n≥2）

苯及苯的同系物

CnH2n－6

Mr＝14n－6（n≥6）

饱和醇

CnH2n＋2Ox

Mr＝14n＋2＋16x

饱和一元醛

CnH2nO

Mr＝14n＋16

饱和一元羧酸及酯

CnH2nO2

Mr＝14n＋32

（6）商余法（只适用于烃）

＝n…＋2（烷烃），

＝n（烯烃、环烷烃），

＝n…－2（炔烃、二烯烃），

＝n…－6（苯或苯的同系物）。

例1

　为了测定一种气态烃A的分子式，取标准状况下A气体置于密闭容器内燃烧，实验表明产物是CO2、CO和H2O，学生甲、乙设计如下两个方案，均认为根据自己的方案能求出A的最简式，他们测定的数据如图所示（假设每次处理均反应完全）：

甲方案：

乙方案：

（1）根据两方案，你认为能否测得A的最简式（填“能”或“不能”）。

甲方案________，乙方案________。

根据能测出A的最简式方案，回答下列问题：

（2）A的最简式为__________。

（3）若要确定A的分子式是否需要测定其他数据_____________________________________

（填“是”或“否”），如果需要，测定数据是_________________________________。

解析　

（1）甲方案碱石灰增加的质量为CO2和H2O的质量之和，再通过灼热的CuO减少的质量或石灰水增加的质量，可求出烃不完全燃烧生成CO的质量，但它不能求出CO2及水各自的质量，故无法确定有机物的最简式；而乙方案浓硫酸增加的质量为水的质量，再通过灼热的CuO减少的质量可求出CO的质量，最后通过碱石灰可求出CO2的总质量，结合上述三个数据可求出烃中C、H的质量比，即得最简式。

（2）根据乙方案可知，n（H2O）＝

＝0.3mol，则n（H）＝0.6mol；再由最后碱石灰增加的质量，可求出CO2的总物质的量为n（CO2）＝

＝0.3mol，据此可求出该烃的最简式为CH2。

（3）因为题目已知烃在标准状况下为气体，故只要知道了气体的体积，即可求出烃的物质的量，进而可求出1mol烃中所含C、H原子的物质的量，即可求出烃A的分子式。

答案　

（1）不能　能　

（2）CH2　（3）是　烃A在标准状况下的体积

解题反思

（1）通过元素分析法，只能求得有机物的实验式，再测知有机物的相对分子质量，可求有机物的分子式。

（2）某些特殊组成的实验式不必测知其相对分子质量，可根据其组成特点确定其分子式。

如：

实验式CH3―→分子式C2H6（H原子饱和）；实验式CH3O―→C2H6O2（乙二醇，H原子饱和）。

变式训练1　某有机化合物的蒸气完全燃烧时，所需氧气体积为相同状况下该有机物的蒸气体积的3倍，产生二氧化碳的体积是自身体积的2倍，该有机化合物可能是（　　）

①乙烯　②乙醇　③乙醚　④乙烷

A．①②B．②③

C．③④D．①④

答案　A

解析　燃烧后CO2的体积是本身的2倍，说明该有机化合物含碳原子数为2。

烃完全燃烧时消耗氧气的物质的量＝碳的物质的量＋氢的物质的量/4，因此乙烯燃烧时耗氧量是它本身体积的2＋4/4＝3倍，乙烷的耗氧量是它本身体积的2＋6/4＝3.5倍，若为烃的含氧衍生物，则需适当转化，如将乙醇转化为C2H4·H2O，则耗氧量与C2H4相同；乙醚可转化为C4H8·H2O，耗氧量与C4H8相同。

二、有机物结构的确定方法

1．有机物结构式的确定

2．官能团的种类、数目及位置的判断方法

（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。

如C2H6只能是CH3CH3；CH4O只能是CH3OH。

（2）化学法确定有机物的官能团；官能团决定有机物的特殊化学性质，通过一些特殊的化学反应和反应的实验现象，可以确定有机物含有何种官能团。

（3）根据反应产物推断：

①与银氨溶液反应，若1mol有机物生成2mol银（或1molCu2O），则该有机物分子中含有一个醛基；若生成4mol银（或2molCu2O），则含有二个醛基或该物质为甲醛。

②与金属钠反应，若1mol有机物生成0.5molH2，则其分子中含有一个活泼氢原子，或为一个醇羟基，或一个酚羟基，也可能为一个羧基。

③与碳酸钠反应，若1mol有机物生成0.5molCO2，则说明其分子中含有一个羧基。

④与碳酸氢钠反应，若1mol有机物生成1molCO2，则说明其分子中含有一个羧基。

（4）根据特征数据判断：

①某有机物与醋酸反应，相对分子质量增加42，则分子中含有一个—OH；增加84，则分子中含有两个—OH。

（原由：

—OH转变为—OOCCH3）

②某有机物在催化剂作用下被氧气氧化，若相对分子质量增加16，则表明有机物分子内有一个—CHO（变为—COOH）；若增加32，则表明有机物分子内有两个—CHO（变为—COOH）。

③有机物与Cl2反应，若有机物的相对分子质量增加71，则说明有机物分子内含有一个碳碳双键；若增加142，则说明有机物分子内含有两个碳碳双键或一个碳碳叁键。

④当醇被氧化成醛或酮后，其相对分子质量减小2，则含有一个—OH；若相对分子质量减小4，则含有2个—OH。

（5）根据反应产物推知官能团位置：

①若由醇氧化得醛或羧酸，可推知—OH一定连接在至少有2个氢原子的碳原子上，即存在—CH2OH或CH3OH；由醇氧化为酮，推知—OH一定连在有1个氢原子的碳原子上，即存在

若醇不能在催化剂作用下被氧化，则—OH所连的碳原子上无氢原子。

②由消去反应的产物，可确定—OH或—X的位置。

③由取代反应产物的种数，可确定碳链结构。

如烷烃，已知其分子式和一氯代物的种数时，可推断其可能的结构。

有时甚至可以在不知其分子式的情况下，判断其可能的结构简式。

④由加氢后碳链的结构，可确定原物质分子中

或—C≡C—的位置。

⑤由有机物发生酯化反应能生成环酯或聚酯，可确定有机物是羟基酸，并根据环的大小，可确定“—OH”与“—COOH”的相对位置。

特别提醒

（1）能与钠反应：

醇羟基、酚羟基、羧基。

（2）能与NaOH反应：

酚羟基、羧基、酯基、卤代烃。

（3）能与Na2CO3反应：

酚羟基、羧基。

（4）能与NaHCO3反应：

羧基。

（5）能发生银镜反应（或与新制氢氧化铜悬浊液反应）的物质：

醛、甲酸、甲酸盐、甲酸某酯、还原性糖。

（6）R—CH2OH―→RCHO―→RCOOH的连续氧化关系。

例2

　某有机物3.24g装入元素分析装置，通入足量的氧气使之完全燃烧，将生成的气体依次通过无水CaCl2（A）管和碱石灰（B）管，测得A管增重2.16g，B管增重9.24g，已知该有机化合物的相对分子质量小于200。

实验式是________，分子式是________。

若此物质是一种酚，试写出这种物质的所有可能的结构简式是__________________________________。

解析　由题意可知：

碳原子的物质的量为

＝0.21mol，氢原子的物质的量为

×2＝0.24mol，3.24g有机化合物中氧原子的质量为3.24g－0.21mol×12g·mol－1－0.24mol×1g·mol－1＝0.48g，氧原子的物质的量为

＝0.03mol，所以，碳原子、氢原子、氧原子的物质的量之比为7∶8∶1，实验式为C7H8O，因其相对分子质量小于200，所以分子式为C7H8O；若这种物质是酚，羟基与苯环相连接，侧链上的碳原子是甲基，位置有邻、间、对三种可能。

答案　C7H8O　C7H8O　

解题反思

分子可能存在不同结构时，需根据物质的特殊性质，通过定性或定量实验确定其结构式。

变式训练2　现有分子式均为C3H6O2的四种有机物A、B、C、D，且分子中均含甲基，把它们分别进行下列实验加以鉴别，实验记录如下：

NaOH溶液

银氨溶液

新制Cu（OH）2悬浊液

金属钠

A

中和反应

－

溶解

产生氢气

B

－

有银镜

加热后有砖红色沉淀

产生氢气

C

水解反应

有银镜

加热后有砖红色沉淀

－

D

水解反应

－

－

－

则A、B、C、D的结构简式分别为

A________，B________，C________，D________。

答案　CH3CH2COOH　CH3CHOHCHO　HCOOCH2CH3　CH3COOCH3

解析　分子式为C3H6O2的不饱和度为3＋1－

＝1，即分子结构中含有一个双键或含有一个环状结构。

A物质能与NaOH溶液发生中和反应，能使新制的氢氧化铜悬浊液溶解，还能与Na反应放出氢气，可说明A为羧酸，含有甲基，故A应为CH3CH2COOH；B与银氨溶液反应有银镜生成，与金属钠可产生氢气，说明B中既含有醛基，又含有羟基，故B应为CH3CHOHCHO；C与NaOH溶液可发生水解反应，说明其中含有酯基，又可与银氨溶液发生银镜反应，说明其中含有醛基。

综合上述两点可知C应为甲酸酯，故为HCOOCH2CH3；D可发生水解反应，说明其为酯类，含有酯基，它不能与银氨溶液、新制的氢氧化铜悬浊液反应，即不含醛基，故D为CH3COOCH3。

1．某有机物在氧气中充分燃烧，生成36g水和44gCO2，则关于该有机物的说法正确的是（　　）

A．分子式一定是CH4

B．分子式一定是CH4O

C．分子式可能是CH4或CH4O

D．以上说法均不正确

答案　C

解析　根据燃烧产物中H2O和CO2的质量，可以求出其中的n（C）∶n（H）＝

∶（

×2）＝1∶4，但是无法确认是否含有氧元素，故最简式为CH4Ox，C项正确。

2．取一定量的某有机物在空气中完全燃烧，测得生成CO2和H2O的物质的量之比为2∶3，则该有机物的分子式不可能是（　　）

A．CH4B．C2H6C．C2H6OD．C2H6O2

答案　A

解析　由燃烧产物的物质的量之比可推知原有机物符合通式CnH3n或CnH3nOx。

3．分子式为C4H8O3的有机物，一定条件下具有如下性质：

①在浓硫酸存在下，能分别与CH3CH2OH或CH3COOH反应；②在浓硫酸存在下，能脱水生成一种能使溴水退色的物质，该物质只存在一种结构形式；③在浓硫酸存在下，能生成一种分子式为C4H6O2的五元环状化合物，则C4H8O3的结构简式为（　　）

A．HOCH2COOCH2CH3

B．CH3CH（OH）CH2COOH

C．HOCH2CH2CH2COOH

D．CH3CH2CH（OH）COOH

答案　C

解析　由①知C4H8O3中有—COOH和—OH，由②③知C4H8O3分子中碳链上无支链，且—OH在4号碳原子上，即结构简式为CH2OH（CH2）2COOH。

4．X是一种烃，它不能使KMnO4酸性溶液退色，0.5molX完全燃烧时生成27g水和67.2LCO2（标准状况），则X是（　　）

A．环己烷B．1,3丁二烯

C．苯D．甲苯

答案　C

解析　n（烃）∶n（H）∶n（C）＝0.5∶

∶

＝1∶6∶6，故X为C6H6。

5．三聚氰胺最早被李比希于1834年合成，它有毒，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个吸收峰，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　

＜N（C）＜

，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）＝

∶

∶

≈1∶2∶2。

（2）

＜N（C）＜

，即2.4＜N（C）＜3.6，又N（C）为正整数，所以N（C）＝3。

（3）因为N（C）∶N（H）∶N（N）＝1∶2∶2，又N（C）＝3，所以，分子中N（C）、N（H）、N（N）分别为3、6、6。

（4）核磁共振氢谱显示只有1个吸收峰，说明是对称结构，这6个H原子的环境相同，又碳为四价元素，氮为三价元素，六元环中C、N各有3个原子交替出现。

[经典基础题]

题组1　实验式、分子式的确定

1．A是一种含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。

已知：

A中碳的质量分数为44.1%，氢的质量分数为8.82%，那么A的实验式是（　　）

A．C5H12O4B．C5H12O3

C．C4H10O4D．C5H10O4

答案　A

解析　n（C）∶n（H）∶n（O