1、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： CCO 2；HH 2O；NN 2；SSO 2。 (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
2、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) 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； 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； 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 实验式表示化合物分子中所含元素的原子
3、数目最简单整数比的式子； 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； 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 ，计算该气体的相对分子质量 M22.4 (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 DMB。 (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 MAw(A) MBw(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
4、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 CH 3 C 2H6 解析 方法一：(1) n(C) n(H) 13，该化合物的实验式是 CH3。 80%12 20%1 (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 Mr AMr CH3 3015 C2H6。 方法二：A 分子式中各元素原子的数目： n(C) 2 n(H) 6 3080%12 3020%1 A的分子式是 C2H6。 (2)燃烧某有机物 A 1.50 g，生成 1.
5、12 L(标准状况)CO 2和 0.05 mol H2O。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 CH 2O 解析 有机物的相对分子质量是 1.042930 有机物的物质的量为 0.05 mol 1.50 g30 gmol 1 有机物分子中含有： C： 1 1.12 L22.4 Lmol 10.05 mol H： 2 0.05 mol20.05 mol O： 1 30 121 1216 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 1.8 g，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和
6、碱石灰，两者分别增重 1.08 g和 2.64 g。试求该有机物的分子式 。 答案 C 3H6O3 解析 设有机物的分子式为 CxHyOz CxHyOz( x )O2 xCO2 H2O y4 z2 y2 90 g 44x g 9y g 1.8 g 2.64 g 1.08 g 90 g1.8 g44 x g2.64 g x3 90 g1.8 g9 y g1.08 g y6 z 3 90 312 6116 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
7、)，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 1 mol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( ) X 中含碳质量分数 X 中含氢质量分数 X 在标准状况下的体积 质谱确定 X的相 对分子质量 X 的质量 A B C D 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
8、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 C 4H10O 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 164.86%13.51%21.63%。 各元素原子个数比： N(C) N(H) N(O) 4101。 64.86%12 13.51%1 21.63%16 故该有机物的实验式为
9、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(infrared spectroscopy)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(nuclear magnetic resonance spectra)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
10、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 213 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 CH3CH=CH2。 (2)实验测得某醇 1 mol与足量钠反应可得 1 mol气体，
11、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 红外光谱法：初步判断有机物中含有的官能团或化学键。 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 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。 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。 通过定量实验，确定有机物中的官
12、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 OH键、CO 键 和烃基上 CH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 4112(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
13、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 92 317 512 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 123 B分子中 C、H 个数比为
14、12 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 12，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 12，生成水 的体积比为 23，则这两种烃可能的组合是(写分子式)： (1) 和 。 (2) 和 。 (3) 和 。 答案 (1)CH 4 C 2H6 (2)C 2H4 C 4H6 (3)C 3H8 C 6H12 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 12，生成水
15、体积之比为 23，可设这两种烃的分子式分别为 CnH2m、C 2nH3m，所以满足通 式的有 CH4和 C2H6，C 2H4和 C4H6，C 3H8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 3.0 g此有机物可得 3.36 L二氧 化碳(标准状况)和 3.6 g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)C 3H8O (2)CH3CH2CH2OH或 CHCH 3OHCH3 解析 根据题意可得： Mr30260。 有机物中各元素的质量为 m(C) 12 gmol1 1.8 g， 3.36 L22.4 L
16、mol 1 m(H) 21 gmol1 0.4 g， 3.6 g18 gmol 1 m(O)3.0 g1.8 g0.4 g0.8 g。 则有机物分子中 N(C) 3， 1.8 g12 gmol 1 3.0 g60 gmol 1 N(H) 8， 0.4 g1 gmol 1 3.0 g60 gmol 1 N(O) 1。 0.8 g16 gmol 1 3.0 g60 gmol 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
17、实验：将 2.3 g该有机物完全燃烧，生成了 0.1 mol CO2和 2.7 g H2O； 用质谱仪实验得质谱图；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 123。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)C 2H6O (3)能 (4)C 2H6O CH 3CH2OH 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。2.3 g A完全燃烧生成 0.
18、1 mol CO2和 2.7 g H2O，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 123，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 12，下列说法正确 的是( ) A分子中 C、H、O 个数之比为 123 B分子中 C、H 个数之比为 14 C分子中不含有氧原子 D此有机物的最简式为 CH4
19、 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，11.2 L 此气态化合物的质量为 14 g，则该化合物的分子式为( ) AC 2H4 BC 2H6 CC 3H6 DC 4H8 答案 A 解析
20、由已知条件可以求出该化合物的摩尔质量： M 28 gmol 1 ， 14 g11.2 L/22.4 Lmol 1 由含碳量及含氢量可知： N(C) 2， 2885.7%12 N(H) 4， 28 1 85.7%1 所以分子式为 C2H4。 4标准状况下 1 mol某烃完全燃烧时，生成 89.6 L CO2，又知 0.1 mol此烃能与标准状 况下 4.48 L H2加成，则此烃的结构简式是( ) ACH 3CH2CH2CH3 BCH 3CCCH 3 CCH 3CH2CH=CH2 DCH 2=CHCH=CHCH3 答案 B 解析 由题意知： n(CO2) 4 mol，该烃含 4个碳原子；由 0.
21、1 mol该烃 89.6 L22.4 Lmol 1 可与 0.2 mol H2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
22、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 CH键、OH 键、CO 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( ) ACH 3CH2OCH3 BCH 3CH(OH)CH3 CCH 3CH2CH2CH2OH DCH 3CH2CHO 答案 C 解析 A 项中无 OH键，故错误；B 的相对分子质量为 60，故错误；D 选项中无 CO键和 OH键，故错误。 8科学家
23、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 CC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 0.1 mol某有机物得 0.2 mol CO2和 0.3
24、 mol H2O，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 CH3CH3 B该有机物中碳、氢元素原子数目之比为 13 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)0.1 mol0.2 mol0.3 mol123，所以 n(有机 物) n(C) n(H)126，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 )也就不同。现有一物
25、质的核磁共振氢谱如图所示： 则该物质可能是下列中的( ) ACH 3CH2CH3 BCH 3CH2CH2OH CCH 3CH2CH2CH3 DCH 3CH2CHO 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 32 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 32，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 62，不合题意；B 项如图所示： ，氢原子有 3种，其个数比为 311，不合题意；C 项如图所示： ，氢原子有 3种，其个数比为 628
26、，不合题意；D 项如图所示： ，氢原子有 2种，其个数比为 32，符合题意。 12下列化合物的 1HNMR 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 5.4 g H2O和 8.8 g C
27、O2，消耗氧气 6.72 L(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(ClCH 2OCH3，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)C 2H6O (2)46 C 2H6O (3)CH 3CH2
28、OH、CH 3OCH3 (4)CH 3CH2OH 解析 (1)根据题意有 n(H2O)0.3 mol，则有 n(H)0.6 mol； n(CO2)0.2 mol，则有 n(C)0.2 mol。根据氧原子守恒有 n(O) n(H2O)2 n(CO2)2 n(O2)0.3 mol20.2 mol2 0.1 mol，则 N(C) N(H) N(O) n(C) n(H) n(O) 6.72 L22.4 Lmol 1 261，其实验式为 C2H6O。(2)假设该有机物的分子式为(C 2H6O)m，由质谱图知其相对 分子质量为 46，则 46m46，即 m1，故其分子式为 C2H6O。(3)由 A的分子式
29、 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 A 3.0 g，完全燃烧后生成 3.6 g水和 3.36 L CO2(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)C 3H8O (2)CH 3COC
30、H2OCH3、 CH3CH2COOCH3、CH 3COOCH2CH3 解析 (1)实验式 C3H8O CO2 推 出 m C 1.8 g， H2O m H 0.4 g则 m O 3.0 g 1.8 g 0.4 g 0.8 g n C n H n O 3 8 1 相对分子质量： Mr(A)30260 Mr(C3H8O)n60， n1，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CH 3、C= =O、COC，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： 、CH 3CH2COOCH3、 CH3COOCH2CH3。 思维启迪 利用红外光
31、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
32、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)122 (2)3 N(C) ，即 2.4 N(C)3.6， 10028.57%12 15028.57%12 又 N(C)为正整数，所以 N(C)3 (3)C3H6N6 (4) 解析 (1) N(C) N(H) N(N) 122。 28.57%12 4.76%1 66.67%14 (2) N(C) ，即 2.4 N(C)3.6，又 N(C)为正整数，所以 10028.57%12 15028.57%12 N(C)3。 (3)因为 N(C) N(H) N(N)122，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。
