人教版高中化学选修5第一章第四节 第2课时《元素分析与相对分子质量的测定 分子结构的鉴定》.docx

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人教版高中化学选修5第一章第四节第2课时《元素分析与相对分子质量的测定分子结构的鉴定》

第2课时　元素分析与相对分子质量的测定

分子结构的鉴定

[学习目标定位]　1.通过对典型实例的分析，初步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.能够根据实验和某些物理方法确定有机化合物的结构。

1．鉴定有机物中含有哪些元素（定性分析）

（1）将某有机物在O2中充分燃烧后，各元素对应的燃烧产物：

C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。

（2）若将有机物完全燃烧，生成物只有H2O（使无水CuSO4变蓝）和CO2（使澄清石灰水变浑浊），则该有机物中一定含有的元素是C、H，可能含有的元素是O。

（3）判断是否含氧元素，可先求出产物CO2和H2O中C、H两元素的质量和，再与有机物的质量比较，若两者相等，则说明原有机物中不含氧元素，否则有机物中含氧元素。

2．确定有机物中各元素的质量分数（定量分析）

（1）有机物中元素定量分析原理（李比希法）

①先用红热的CuO作氧化剂将仅含C、H、O元素的有机物氧化，然后分别用无水CaCl2和KOH浓溶液吸收生成的水和二氧化碳；

②根据吸收前后吸收剂的质量变化即可算出反应生成的水和二氧化碳的质量，从而确定有机物中氢元素和碳元素的质量，剩余则为氧元素的质量；

③最后计算确定有机物分子中各元素的质量分数。

（2）实验式（最简式）和分子式的区别

①实验式表示化合物分子中所含元素的原子数目最简单整数比的式子；

②分子式表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子；

③二者中各元素的质量分数相等，可能不同的是原子个数。

探究点一　有机物分子式的确定

1．有机物相对分子质量的确定方法

（1）根据标准状况下气体的密度ρ，计算该气体的相对分子质量M＝22.4ρ（限于标准状况下）。

（2）依据气体的相对密度D，计算气体的相对分子质量MA＝D·MB。

（3）A、B两种气体组成的混合气体中，它们的体积分数分别为w（A）、w（B），该混合气体的平均相对分子质量M＝MA·w（A）＋MB·w（B）。

（4）质谱法可以测定有机物的相对分子质量，在质谱图中，最大的质荷比就是有机物的相对分子质量。

2．有机物分子式的确定方法

（1）实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%，含氢20%，求该化合物的实验式。

又测得该化合物的相对分子质量是30，求该化合物的分子式。

答案　CH3　C2H6

解析　方法一：

（1）n（C）∶n（H）＝

∶

＝1∶3，该化合物的实验式是CH3。

（2）设该化合物分子中含有n个CH3，则：

n＝

＝

＝2，该化合物的分子式是C2H6。

方法二：

A分子式中各元素原子的数目：

n（C）＝

＝2　n（H）＝

＝6

A的分子式是C2H6。

（2）燃烧某有机物A1.50g，生成1.12L（标准状况）CO2和0.05molH2O。

该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式。

答案　CH2O

解析　有机物的相对分子质量是1.04×29＝30

有机物的物质的量为

＝0.05mol

有机物分子中含有：

C：

＝1

H：

＝2

O：

＝1

有机物分子式为CH2O。

（3）某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，经测定其相对分子质量为90。

取该有机物样品1.8g，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1.08g和2.64g。

试求该有机物的分子式。

答案　C3H6O3

解析　设有机物的分子式为CxHyOz

CxHyOz＋（x＋

－

）O2―→xCO2＋

H2O

90g44xg9yg

1.8g2.64g1.08g

90g∶1.8g＝44xg∶2.64g　x＝3

90g∶1.8g＝9yg∶1.08g　y＝6

z＝

＝3

有机物分子式为C3H6O3。

[归纳总结]

有机物分子式的确定方法：

（1）实验方法

先根据有机物各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数比（最简式）。

再根据有机物的摩尔质量（相对分子质量），求出有机物的分子式。

（2）直接法

根据有机物各元素的质量分数和有机物的摩尔质量（相对分子质量）直接求出1mol有机物中各元素原子的物质的量。

（3）方程式法

根据有机物的燃烧通式及消耗O2的量（或生成产物的量），通过计算确定出有机物的分子式。

[活学活用]

1．某气态有机物X含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，所需的最少条件是（　　）

①X中含碳质量分数　②X中含氢质量分数　③X在标准状况下的体积　④质谱确定X的相对分子质量　⑤X的质量

A．①②B．①②④C．①②⑤D．③④⑤

答案　B

解析　由C、H的质量分数可推出O的质量分数，由各元素的质量分数可确定X的实验式，由相对分子质量和实验式可确定X的分子式。

2．某含碳、氢、氧三种元素的有机物X质谱图如图所示。

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%，该有机物的分子式是。

答案　C4H10O

解析　常用实验式和相对分子质量来确定有机物的分子式。

本题可以根据题目中所给各元素的质量分数求出该有机物的实验式，再分析该有机物的质谱图找出相对分子质量，进而求出分子式。

由题意可知，氧的质量分数为1－64.86%－13.51%＝21.63%。

各元素原子个数比：

N（C）∶N（H）∶N（O）＝

∶

∶

≈4∶10∶1。

故该有机物的实验式为C4H10O，实验式的相对分子质量为74。

观察该有机物的质谱图，质荷比最大的数值为74，所以其相对分子质量为74，该有机物的分子式为C4H10O。

探究点二　有机物结构式的确定

1．阅读下列材料，回答问题：

红外光谱（infraredspectroscopy）中不同频率的吸收峰反映的是有机物分子中不同的化学键或官能团的吸收频率，因此从红外光谱可以获得有机物分子中含有何种化学键或官能团的信息。

核磁共振氢谱（nuclearmagneticresonancespectra）中有多少个峰，有机物分子中就有多少种处在不同化学环境中的氢原子；峰的面积比就是对应的处于不同化学环境的氢原子的数目比。

（1）红外光谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物分子含有的化学键和官能团。

（2）核磁共振氢谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物分子有几种不同类型的氢原子及各自的数目。

（3）分析乙醇和甲醚的核磁共振氢谱，填写下表：

乙醇

甲醚

核磁共振氢谱

结论

氢原子类型＝吸收峰数目＝3

氢原子类型＝吸收峰数目＝1

不同氢原子的个数之比＝不同吸收峰的面积之比＝2∶1∶3

只有一种类型的氢原子

2.根据题给条件，确定有机物的结构

（1）烃A分子式为C3H6且能使溴的四氯化碳溶液褪色，其结构简式为CH3—CH===CH2。

（2）实验测得某醇1mol与足量钠反应可得1mol气体，该醇分子中含羟基的个数是2。

（3）烃B的分子式为C8H18，其一氯代烃只有一种，其结构简式是

。

（4）化学式为C2H8N2的有机物经实验测定知，其分子中有一个氮原子不与氢原子相连，则确定其结构简式为

。

[归纳总结]

有机物分子结构的确定方法

（1）物理方法

①红外光谱法：

初步判断有机物中含有的官能团或化学键。

②核磁共振氢谱：

测定有机物分子中氢原子的类型和数目。

氢原子的类型＝吸收峰数目

不同氢原子个数比＝不同吸收峰面积比

（2）化学方法

①根据价键规律，某些有机物只存在一种结构，可直接由分子式确定结构。

②官能团的特征反应→定性实验→确定有机物中可能存在的官能团。

③通过定量实验，确定有机物中的官能团及其数目。

[活学活用]

3．下列化合物分子，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号峰的是（　　）

答案　C

解析　有机物中含有几种不同类型的氢原子，在核磁共振氢谱上就能出现几种信号峰，现题给有机物在核磁共振氢谱图中有三种信号峰，这表明有机物分子中含有三种不同类型的氢原子。

4．某有机物X由C、H、O三种元素组成，它的红外吸收光谱表明有羟基O—H键、C—O键和烃基上C—H键的红外吸收峰。

X的核磁共振氢谱有四个峰，峰面积之比是4∶1∶1∶2（其中羟基氢原子数为3），X的相对分子质量为92，试写出X的结构简式。

答案　

解析　由红外吸收光谱判断X应属于含有羟基的化合物。

由核磁共振氢谱判断X分子中有四种不同类型的氢原子，若羟基氢原子数为3（两种类型氢原子），则烃基氢原子数为5且有两种类型。

由相对分子质量减去已知原子的相对原子质量就可求出碳原子的个数：

＝3。

故分子式为C3H8O3。

羟基氢原子有两种类型，判断三个羟基应分别连在三个碳原子上，推知结构简式为

。

有机物结构的确定方法思路

1．能够确定有机物相对分子质量的方法是（　　）

A．红外光谱B．质谱

C．核磁共振氢谱D．紫外光谱

答案　B

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，则该有机物必须满足的条件是（　　）

A．分子中的C、H、O的个数比为1∶2∶3

B．分子中C、H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原子

答案　B

解析　根据生成等物质的量的H2O和CO2，只能推断出分子中C、H个数比为1∶2，不能确定是否含有氧原子，也不能推断其相对分子质量。

3．在相同状况下，相同体积的两种烃蒸气，完全燃烧生成的CO2的体积比为1∶2，生成水的体积比为2∶3，则这两种烃可能的组合是（写分子式）：

（1）和。

（2）和。

（3）和。

答案　

（1）CH4　C2H6　

（2）C2H4　C4H6　（3）C3H8　C6H12

解析　相同状况下，相同体积烃的两种蒸气物质的量相同，完全燃烧生成CO2体积之比为1∶2，生成水体积之比为2∶3，可设这两种烃的分子式分别为CnH2m、C2nH3m，所以满足通式的有CH4和C2H6，C2H4和C4H6，C3H8和C6H12。

4．某种有机物在气态时对H2的相对密度为30，充分燃烧3.0g此有机物可得3.36L二氧化碳（标准状况）和3.6g水。

此有机物能与金属钠反应。

（1）该有机物的分子式是；

（2）该有机物的结构简式有。

答案　

（1）C3H8O

（2）CH3CH2CH2OH或　CHCH3OHCH3

解析　根据题意可得：

Mr＝30×2＝60。

有机物中各元素的质量为

m（C）＝

×12g·mol－1＝1.8g，

m（H）＝

×2×1g·mol－1＝0.4g，

m（O）＝3.0g－1.8g－0.4g＝0.8g。

则有机物分子中

N（C）＝

÷

＝3，

N（H）＝

÷

＝8，

N（O）＝

÷

＝1。

故得分子式为C3H8O。

正好符合饱和一元醇和醚的通式，由于该有机物能和钠反应，则该有机物属于醇类。

综上所述，该有机物的结构简式为CH3CH2CH2OH或CHCH3OHCH3。

5．为测定某有机物A的结构，设计了如下实验：

①将2.3g该有机物完全燃烧，生成了0.1molCO2和2.7gH2O；②用质谱仪实验得质谱图；③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图，图中三个峰的面积比为1∶2∶3。

试回答下列问题：

（1）有机物A的相对分子质量为。

（2）有机物A的实验式为。

（3）根据A的实验式（填“能”或“不能”）确定A的分子式。

（4）A的分子式为，结构简式为。

答案　

（1）46　

（2）C2H6O　（3）能　（4）C2H6O　CH3CH2OH

解析　质谱图中最大质荷比即为有机物的相对分子质量，所以根据质谱图可知A的相对分子质量为46。

2.3gA完全燃烧生成0.1molCO2和2.7gH2O，则可计算出A的分子式为（C2H6O）n，即A的实验式为C2H6O。

由于H原子已经饱和，所以该实验式就是分子式。

根据核磁共振氢谱图可知，A中有三种化学环境不同的H原子且数目之比为1∶2∶3，又因为A的通式符合饱和一元醇的通式，所以A的结构简式为CH3CH2OH。

[基础过关]

一、有机物元素分析和分子式的确定

1．某有机物在氧气中充分燃烧，生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶2，下列说法正确的是（　　）

A．分子中C、H、O个数之比为1∶2∶3

B．分子中C、H个数之比为1∶4

C．分子中不含有氧原子

D．此有机物的最简式为CH4

答案　B

2．验证某有机物属于烃，应完成的实验内容应是（　　）

A．只需测定分子中C、H原子个数之比

B．只要证明其完全燃烧的产物只有H2O和CO2

C．只需测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量之比

D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量

答案　D

解析　验证某有机物属于烃需证明该有机物只含有C、H两种元素，选项D所述能满足该要求。

3．某化合物由碳氢两种元素组成，其中含碳的质量分数为85.7%，在标准状况下，11.2L此气态化合物的质量为14g，则该化合物的分子式为（　　）

A．C2H4B．C2H6C．C3H6D．C4H8

答案　A

解析　由已知条件可以求出该化合物的摩尔质量：

M＝

＝28g·mol－1，

由含碳量及含氢量可知：

N（C）＝

＝2，

N（H）＝

＝4，

所以分子式为C2H4。

4．标准状况下1mol某烃完全燃烧时，生成89.6LCO2，又知0.1mol此烃能与标准状况下4.48LH2加成，则此烃的结构简式是（　　）

A．CH3CH2CH2CH3

B．CH3—C≡C—CH3

C．CH3CH2CH===CH2

D．CH2===CH—CH===CH—CH3

答案　B

解析　由题意知：

n（CO2）＝

＝4mol，该烃含4个碳原子；由0.1mol该烃可与0.2molH2加成可知结构中有一个三键或两个碳碳双键，可排除选项A、C，根据碳原子数排除D项。

二、有机物结构式的确定

5．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．蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物

B．燃烧法是研究确定有机物成分的有效方法

C．核磁共振氢谱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

答案　C

解析　核磁共振氢谱确定的是等效氢的种类和数量，C选项错误。

6．二甲醚和乙醇是同分异构体，其鉴别可采用化学方法或物理方法，下列鉴别方法中不能对二者进行鉴别的是（　　）

A．利用金属钠或者金属钾B．利用质谱法

C．利用红外光谱法D．利用核磁共振氢谱

答案　B

解析　质谱是用于测定相对分子质量的。

7．某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图中有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74，则该有机物的结构简式是（　　）

A．CH3CH2OCH3B．CH3CH（OH）CH3

C．CH3CH2CH2CH2OHD．CH3CH2CHO

答案　C

解析　A项中无O—H键，故错误；B的相对分子质量为60，故错误；D选项中无C—O键和O—H键，故错误。

8．科学家最近在－100℃的低温下合成了一种烃X，红外光谱和核磁共振氢谱表明其分子中的氢原子所处的化学环境没有区别，根据分析，绘制了该分子的球棍模型如图所示。

下列说法中不正确的是（　　）

A．该分子的分子式为C5H4

B．该分子中碳原子的化学环境有2种

C．该分子中的氢原子分布在两个相互垂直的平面上

D．该分子中只有C—C键，没有

键

答案　D

解析　由题图所示可知该烃的分子式为C5H4，碳原子化学环境有2种（中间和上下碳原子不同），碳原子所成化学键数目（以单键算）为4，但上下碳原子只和3个原子相连，所以碳和碳中间应该有双键。

9．燃烧0.1mol某有机物得0.2molCO2和0.3molH2O，由此得出的结论不正确的是（　　）

A．该有机物分子的结构简式为CH3—CH3

B．该有机物中碳、氢元素原子数目之比为1∶3

C．该有机物分子中不可能含有

双键

D．该有机物分子中可能含有氧原子

答案　A

解析　n（有机物）∶n（CO2）∶n（H2O）＝0.1mol∶0.2mol∶0.3mol＝1∶2∶3，所以n（有机物）∶n（C）∶n（H）＝1∶2∶6，故有机物的分子式为C2H6Ox。

三、核磁共振氢谱的应用

10．核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振图中坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同。

现有一物质的核磁共振氢谱如图所示：

则该物质可能是下列中的（　　）

A．CH3CH2CH3B．CH3CH2CH2OH

C．CH3CH2CH2CH3D．CH3CH2CHO

答案　B

11．在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子个数之比为3∶2的化合物为（　　）

答案　D

解析　因为在核磁共振氢谱中出现两组峰，说明该有机物分子中处在不同化学环境中的氢原子有两种，且根据题意这两种氢原子个数之比为3∶2，分析四个选项：

A项中处在不同化学环境中的氢原子有2种，其个数比为6∶2，不合题意；B项如图所示：

，氢原子有3种，其个数比为3∶1∶1，不合题意；C项如图所示：

，氢原子有3种，其个数比为6∶2∶8，不合题意；D项如图所示：

，氢原子有2种，其个数比为3∶2，符合题意。

12．下列化合物的1H－NMR谱图中吸收峰的数目不正确的是（　　）

答案　A

解析　A有两个对称轴，有3种等效氢原子，有3组峰；B有一个对称轴，有5种等效氢原子，有5组峰；C中要注意单键可以转动，因此左边两个甲基是相同的，右边3个甲基也是相同的，因此有3种等效氢原子，有3组峰；D中有一个对称中心，因此有4种等效氢原子，有4组峰。

[能力提升]

13．为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：

（1）将一定量的有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：

生成5.4gH2O和8.8gCO2，消耗氧气6.72L（标准状况下），则该物质的实验式是。

（2）用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如图所示的质谱图，则其相对分子质量为，该物质的分子式是

。

（3）根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式：

。

（4）核磁共振氢谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的峰值（信号），根据峰值（信号）可以确定分子中氢原子的种类和数目。

例如甲基氯甲基醚（Cl—CH2—O—CH3，有2种氢原子）的核磁共振氢谱如图1所示：

经测定，有机物A的核磁共振氢谱图如图2所示，则A的结构简式为。

答案　

（1）C2H6O　

（2）46　C2H6O　（3）CH3CH2OH、CH3—O—CH3　（4）CH3CH2OH

解析　

（1）根据题意有n（H2O）＝0.3mol，则有n（H）＝0.6mol；n（CO2）＝0.2mol，则有n（C）＝0.2mol。

根据氧原子守恒有n（O）＝n（H2O）＋2n（CO2）－2n（O2）＝0.3mol＋2×0.2mol－2×

＝0.1mol，则N（C）∶N（H）∶N（O）＝n（C）∶n（H）∶n（O）＝2∶6∶1，其实验式为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C2H6O可知A为饱和化合物，推测其结构简式为CH3CH2OH或CH3OCH3。

（4）分析A的核磁共振氢谱图可知：

A有3种不同类型的H原子，而CH3OCH3只有1种类型的H原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。

14．有A、B两种有机物，按要求回答下列问题：

（1）取有机物A3.0g，完全燃烧后生成3.6g水和3.36LCO2（标准状况），已知该有机物的蒸气对氢气的相对密度为30，求该有机物的分子式。

（2）有机物B的分子式为C4H8O2，其红外光谱图如下，

试推测该有机物的可能结构：

。

答案　

（1）C3H8O　

（2）CH3COCH2OCH3、

CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3

解析　

（1）实验式

C3H8O

相对分子质量：

Mr（A）＝30×2＝60

Mr[（C3H8O）n]＝60，n＝1，故分子式为C3H8O。

（2）根据谱图所示，该有机物有下列特征基团：

不对称—CH3、C===O、C—O—C，结合分子式C4H8O2可知，该有机物可能为酯或含羰基的醚。

有如下几种结构：

、CH3CH2COOCH3、

CH3COOCH2CH3。

思维启迪　利用红外光谱可知有机物中含有的化学键或官能团的种类，利用核磁共振氢谱可测知有机物中氢原子的种类，二者结合可推测有机物的结构。

[拓展探究]

15．三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，红外光谱表征有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。