高中有机化学步步高选修5高2021届高2018级化学课件配套学案第一章第四节第2课时

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[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析:通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器测定、探析有机物的分子组成、结构,揭示有机物结构的异同；能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。

2.证据推理与模型认知:从官能团的鉴别,构建不同有机物的结构模型,结合官能团的性质,推理出各类有机物的特性。

一、元素分析与相对分子质量的测定1.元素分析(1)定性分析用化学方法鉴定有机物的元素组成。

如完全燃烧后,一般情况下:C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。

(2)定量分析——确定有机物的实验式(最简式)①测定原理将一定量的有机物燃烧并测定各产物的质量,从而推断出各元素的质量分数,然后计算出有机物分子中所含元素原子的最简整数比,确定有机物的最简式。

②测定步骤(李比希法)③实验式(最简式)与分子式的关系:分子式＝(最简式)n。

2.有机物相对分子质量的测定——质谱法(1)原理用高能电子流等轰击样品分子,使该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将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。

质谱图中,质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。

例如,由上图可知,样品分子的相对分子质量为46。

例1 某化合物6.2 g 在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO 2和5.4 g H 2O 。

下列说法正确的是( )A.该化合物仅含碳、氢两种元素B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶2C.该有机物的分子式为C 2H 6D.该化合物中一定含有氧元素答案 D解析 n (CO 2) ＝0.2 mol,n (C)＝n (CO 2)＝0.2 mol,m (C)＝0.2 mol ×12 g·mol －1＝2.4 g ；n (H 2O)＝0.3 mol,n (H)＝2n (H 2O)＝0.6 mol,m (H)＝0.6 g ；n (C)∶n (H)＝0.2 mol ∶0.6 mol ＝1∶3；m (C)＋m (H)＝2.4 g ＋0.6 g ＝3.0 g ＜6.2 g,所以该化合物中一定含有氧元素,其质量为6.2 g －3.0 g ＝3.2 g,其物质的量n (O)＝ 3.2 g16 g·mol －1＝0.2 mol 。

n (C)∶n (H)∶n (O)＝N (C)∶N (H)∶N (O)＝1∶3∶1,实验式为CH 3O,无法确定其分子式。

【考点】 有机物分子式的确定【题点】 有机物组成元素的分析及应用有机物完全燃烧的产物为CO 2和H 2O,确定是否含有氧元素的方法:通过相关的实验可以先确定CO 2和H 2O 的质量,进而求得有机物中所含碳元素和氢元素的质量。

m (C)＝1244×m (CO 2),m (H)＝218×m (H 2O)。

若m (有机物)＝m (C)＋m (H),则说明该有机物中只含碳和氢两种元素。

若m (有机物)>m (C)＋m (H),且完全燃烧只生成CO 2和H 2O,则说明有机物中含有C 、H 、O 三种元素,其中m (O)＝m (有机物)－m (C)－m (H)。

例2 某有机物的结构确定:(1)测定实验式:某含C 、H 、O 三种元素的有机物,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%,则其实验式是________。

(2)确定分子式:如图是该有机物的质谱图,则其相对分子质量为_________；分子式为_________。

答案 (1)C 4H 10O (2)74 C 4H 10O解析 (1)该物质中碳、氢、氧原子个数之比＝64.86%12∶13.51%1∶21.63%16≈4∶10∶1,其实验式为C 4H 10O 。

(2)由质谱图知其相对分子质量为74,而其实验式的相对分子质量为12×4＋1×10＋16＝74,故其分子式为C 4H 10O 。

相关链接有机物相对分子质量的计算方法(1)标态密度法:根据标准状况下气体的密度,求算该气体的相对分子质量:M r ＝22.4×ρ。

(2)相对密度法:根据气体A 相对于气体B 的相对密度D ,求算该气体的相对分子质量:M A ＝D ×M B 。

(3)混合物的平均相对分子质量:M ＝m 总n 总。

二、分子结构的鉴定1.红外光谱(1)原理:不同官能团或化学键吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。

(2)作用:初步判断有机物中含有的官能团或化学键。

如分子式为C 2H 6O 的有机物A 有如下两种可能的结构:Ⅰ(CH 3CH 2OH)或Ⅱ(CH 3OCH 3),利用红外光谱来测定,分子中有O —H 键或—OH 可确定A 的结构简式为Ⅰ(CH 3CH 2OH)。

2.核磁共振氢谱(1)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,在谱图上出现的位置不同,而且吸收峰的面积与氢原子数目成正比。

(2)作用:测定有机物分子中氢原子的类型和数目。

(3)分析:吸收峰数目＝氢原子的类型,吸收峰面积比＝氢原子个数比。

如CH 3CH 2OH 的吸收峰面积比＝3∶2∶1。

谱图法在确定有机物分子结构中的应用(1)核磁共振氢谱图中,峰的个数即氢原子的种类数,而峰面积之比为各类氢原子个数之比。

(2)不同化学键、官能团吸收频率不同,在红外光谱图中所处位置不同。

因此,可根据红外光谱图,推知有机物分子中含有哪些化学键、官能团,从而确定有机物的结构。

(3)质谱图中,质荷比最大值即为有机物的相对分子质量。

例3已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示,下列说法中错误的是()A.由红外光谱可知,该有机物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化学环境的氢原子C.仅由A的核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数D.若A的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3答案 D解析红外光谱图中给出的化学键有C—H键、O—H键和C—O键三种,A正确；核磁共振氢谱图中峰的个数即代表氢的种类,B正确；核磁共振氢谱峰的面积表示氢的数目比,在没有明确化学式的情况下,无法得知氢原子总数,C正确；若A为CH3—O—CH3,则无O—H键,与所给红外光谱图不符,且其核磁共振氢谱图应只有1个峰,与核磁共振氢谱图不符,D错误。

【考点】有机物结构式的鉴定【题点】根据核磁共振氢谱图判断有机物的结构简式例4(2018·长春调研)有机物X是一种重要的有机合成中间体,用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。

为研究X的组成与结构,进行了如下实验:(1)有机物X的质谱图如图所示,该有机物X的相对分子质量为________。

(2)将10.0 g X在足量O2中充分燃烧,并将其产物依次通过足量的无水CaCl2和KOH浓溶液,发现无水CaCl2增重7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。

该有机物X的分子式为______。

(3)经红外光谱测定,有机物X中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰,峰面积之比为3∶1。

该有机物X的结构简式为______。

答案(1)100(2)C5H8O2(3)(CH3)2C(CHO)2解析(1)质谱图中质荷比最大数值即为相对分子质量,由质谱图可知有机物X的相对分子质量为100。

(2)无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量,10.0 g X中氢元素的物质的量＝7.2 g18 g·mol－1×2＝0.8 mol,KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量,10.0 g X中碳元素的物质的量＝22.0 g44 g·mol－1＝0.5 mol,根据质量守恒,氧元素的质量为10.0 g－0.8 mol×1 g·mol－1－0.5 mol×12g·mol－1＝3.2 g,则氧元素的物质的量为3.2 g16 g·mol－1＝0.2 mol,则该分子中碳、氢、氧元素的个数之比为0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol＝5∶8∶2,结合X的相对分子质量可知,有机物X的分子式为C5H8O2。

(3)有机物X中含有醛基,有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰,则分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其中一种是醛基中的氢原子,又峰面积之比为3∶1,则含两个醛基,故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。

思维启迪根据有机物分子结构的确定过程,学会有机化合物分子结构测定的方法及证据的获取,促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。

相关链接确定有机物的结构式的其他方法确定有机物的结构式除借用物理方法外,还可以用以下方法:(1)根据价键规律确定根据价键规律可以判断出某些有机物只存在一种结构,则可直接根据分子式确定其结构式。

如C2H6的结构只能是CH3CH3；CH4O的结构只能是CH3OH。

(2)通过化学方法确定①进行定性实验实验中有机物表现出的性质→官能团。

②进行定量实验通过定量实验确定官能团的数目,如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体,则可说明1 mol醇分子中含2 mol —OH。

③进行“组装”确定根据实验测得的官能团种类、数目,联系价键规律等进行“组装”和“拼凑”来确定有机物的结构式。

有机物结构确定的方法思路1.正误判断,正确的打“√”,错误的打“×”(1)验证有机物属于烃时只需测定产物中的CO2和H2O的物质的量之比(×)(2)有机物燃烧后只生成CO2和H2O的物质不一定只含有碳氢两种元素(√)(3)有机物的实验式、分子式一定不同(×)(4)元素分析法和质谱法能分别确定有机物的实验式和相对分子质量(√)(5)质谱图中最右边的谱线表示的数值为该有机物的相对分子质量(√)(6)核磁共振氢谱中有几个吸收峰就有几个氢原子(×)(7)质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法均能确定有机物的分子结构(×)(8)CH3COOCH3在核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰(×)2.(2018·石家庄市高二下学期期末)下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是()A.红外光谱B.质谱法C.色谱法D.核磁共振氢谱答案 A解析红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。

【考点】有机物结构式的鉴定【题点】谱图法应用法3.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,信号强度与该离子的多少有关),则该有机物可能是()A.甲醇(CH3OH)B.甲烷C.丙烷D.乙烯答案 B解析从题图中可看出其右边最高质荷比为16,是H＋质荷比的16倍,即其相对分子质量为16,为甲烷。