苏教版 (2019)选择性必修3第二单元 科学家怎样研究有机物第2课时导学案

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第2课时　有机化合物组成、结构的研究
[核心素养发展目标]　1.了解研究有机化合物组成的意义及常用方法，并能够利用燃烧法确定有机物的最简式。2.知道李比希提出的基团理论，能认识并正确书写有机物中常见的基团。3.会应用1H核磁共振谱图分析简单有机物的结构，知道核磁共振波谱法、红外光谱法、质谱法在研究有机物结构中的应用。
一、有机化合物组成的研究
1．定性分析有机物的组成元素
(1)一般测定方法——燃烧法
各元素对应的燃烧产物：C→CO2；H→H2O；S→SO2；
N→N2。
(2)其他测定方法——钠融法、铜丝燃烧法
①钠融法可定性分析有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。
②铜丝燃烧法可定性分析有机物中是否存在卤素。将一根纯铜丝加热至红热，蘸上样品，放在火焰上灼烧，若存在卤素，火焰呈绿色。
2．定量分析有机物中各元素的质量分数(李比希定量分析)
(1)测定原理
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，然后分别用高氯酸镁和烧碱石棉剂吸收生成的H2O和CO2。
②根据吸收前后的质量变化即可算出反应生成的H2O和CO2的质量，从而确定有机物中C和H的质量，剩余则为O的质量。
③最后计算确定有机物分子中各元素的质量分数，求出有机化合物的最简式(实验式)。
(2)有机物最简式(实验式)与分子式的关系
分子式＝(最简式)n。
3．仪器分析法
元素分析仪的工作原理是在不断通入氧气流的条件下，把样品加热到950～1 200 ℃，使之充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。

(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∶1，则该有机物最简式为CH2(　　)
(2)李比希定量分析有机物中各元素的质量分数的目的是确定有机物的分子式(　　)
(3)确定有机物的实验式就能直接得出该有机物的分子式(　　)
(4)某有机物在氧气中完全燃烧生成了CO2和H2O，可推断该有机物一定含C、H、O三元素(　　)
(5)不同的有机物，其实验式、分子式一定不同(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×

某有机物仅由碳、氢、氧三种元素组成，为测定其分子组成做以下实验：取该有机物样品1.8 g，在纯氧中完全燃烧，将产物依次通过浓H2SO4和碱石灰，两者分别增重1.08 g和2.64 g。
(1)该有机物的最简式是什么？
(2)若该有机物在相同条件下与H2的相对密度为45，则该有机物的分子式是什么？
答案　(1)CH2O　(2)C3H6O3
解析　(1)据题意，该有机物完全燃烧生成H2O和CO2的物质的量分别为n(H2O)＝＝0.06 mol，
n(CO2)＝＝0.06 mol，故1.8 g该分子中含H和C的物质的量为0.12 mol和0.06 mol，则该分子中含O的物质的量为n(O)＝ mol＝0.06 mol，故该有机物分子中：N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.06∶0.12∶0.06＝1∶2∶1，该有机物的最简式为CH2O。
(2)根据该有机物在相同条件下与H2的相对密度为45，则该有机物的相对分子质量为45×2＝90，设该有机物的分子式为(CH2O)n，则30n＝90，n＝3，故该有机物的分子式为C3H6O3。

(1)李比希定量分析法中的高氯酸镁可用浓H2SO4或无水CaCl2替代；烧碱石棉剂可用碱石灰或NaOH溶液替代。
(2)利用李比希定量分析法确定的是有机物的最简式，若确定其分子式还要知道有机物的相对分子质量。确定有机物相对分子质量的常用方法如下：
①标准密度法：根据标准状况下气体的密度，求算该气体的相对分子质量：Mr＝22.4×ρ。
②相对密度法：根据气体A相对于气体B的相对密度为D，求算该气体的相对分子质量：MA＝D×MB。
③混合物的平均相对分子质量：＝。
二、有机化合物结构的研究
1．基团理论
(1)有机物的结构特点：在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。
(2)基团理论是1838年德国化学家李比希提出的，常见的基团有羟基—OH、醛基—CHO、羧基—COOH、氨基—NH2、烃基—R等，不同的基团有不同的结构和性质特点。

2．现代化学测定有机物结构的方法
(1)核磁共振波谱
1H核磁共振谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物中有几种不同化学环境的氢原子。
1H核磁共振谱中有多少组峰，有机物分子中就有多少种处于不同化学环境的氢原子；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。
例如：乙醇和二甲醚的1H核磁共振谱图分析

乙醇
二甲醚
1H核磁共振谱图


结论
氢原子类型有3种，不同氢原子的个数之比为2∶1∶3
氢原子类型有1种

(2)红外光谱
①原理：不同官能团或化学键在红外光辐射下的特征吸收频率不同，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。
例如，分子式为C2H6O的有机物的红外光谱图如图(a)，1H核磁共振谱图如图(b)：


则该有机物的结构简式为CH3CH2OH。
3．质谱法
(1)原理：用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，不同带电“碎片”的质量(m)和所带电荷(z)的比值不同，就会在不同的m/z处出现对应的特征峰，质荷比(m/z)最大值就是有机物的相对分子质量。
(2)作用：测定有机物的相对分子质量。
例如：

则苯的相对分子质量为78。

(1)“—OH”和“OH”的电子数相同，都是独立存在的基团(　　)
(2)李比希提出的基团就是我们后来研究的官能团(　　)
(3)1H核磁共振谱图中有几组吸收峰就有几个氢原子(　　)
(4)质谱法、红外光谱法和1H核磁共振谱法均能确定有机物的分子结构(　　)
(5)质谱图中，质荷比最大的数值就是有机物的相对分子质量(　　)
(6)通过红外光谱分析，可初步判断有机物中含哪些基团(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√

某纯净有机物A的红外光谱表征到和的存在，经质谱仪、核磁共振仪得到下列质谱图和1H核磁共振谱图：


(1)该有机物的分子式为________。
(2)该有机物的结构简式为________________，在一定条件下生成高聚物的化学方程式为_______________________________________________________________________________。
答案　(1)C4H6O
(2)CH2==CHCH2CHO
nCH2==CHCH2CHO
解析　(1)质谱仪得到的质谱图中最大质荷比即为该有机物的相对分子质量，所以该有机物的相对分子质量为70，该有机物的1H核磁共振谱图显示不同化学环境的氢原子有4种，且H原子个数比为2∶1∶1∶2，故H原子总数量至少是6个，红外光谱表征到碳碳双键()和羰基()的存在。由氧原子数确定：若有2个O原子，则有70－32＝38，C原子为3个时，只能有2个H原子，C原子为2个时，有14个H原子，过饱和，且与强度比2∶1∶1∶2的4种环境不同的氢原子矛盾。因此，氧原子数为1。的式量为52，余基式量为70－52＝18，若H原子总数为6，则18－6＝12，说明还有1个碳原子，因此分子式为C4H6O。
(2)该有机物可能的结构有CH3CH==CHCHO(1H核磁共振谱图强度比应为3∶1∶1∶1)、CH2==CHCOCH3(1H核磁共振谱图应有3组峰)和CH2==CHCH2CHO，只有CH2==CHCH2CHO符合题意。该有机物在一定条件下生成高聚物的化学方程式为nCH2==CHCH2CHO。

1．为了确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素，应将有机物样品与下列哪种金属混合熔融后，再进行定性分析(　　)
A．Fe B．Si C．Cu D．Na
答案　D
2．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．1H核磁共振谱
答案　A
解析　红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。
3．某有机物在氧气中充分燃烧，生成二氧化碳和水的物质的量之比为1∶1，由此可得出的正确结论是(　　)
①该有机物分子中碳、氢、氧原子个数比为1∶2∶3
②该有机物分子中碳、氢原子个数比为1∶2
③该有机物中肯定含氧
④无法判断该有机物中是否含氧
A．①② B．②③ C．①③ D．②④
答案　D
解析　n(CO2)∶n(H2O)＝1∶1，则n(C)∶n(H)＝1∶2，CO2和H2O中的氧可能来自于氧气中的氧元素，从题中条件无法确认，故②和④正确。
4．根据研究有机物的步骤和方法填空：
(1)测得A的蒸气密度是同状况下甲烷的4.375倍。则A的相对分子质量为________。
(2)将5.6 g A在足量氧气中燃烧，并将产物依次通过浓硫酸和碱石灰，分别增重7.2 g和17.6 g。则A的实验式为________，A的分子式为________。
(3)将A通入溴水，溴水褪色，说明A属于________，若不褪色，则A属于________。
(4)A的1H核磁共振谱如图：

综上所述，A的结构简式为________。
答案　(1)70　(2)CH2　C5H10　(3)烯烃　环烷烃　(4)
解析　(1)根据公式M＝D·M(CH4)计算该有机物的相对分子质量为16×4.375＝70。(2)由A的燃烧反应知，5.6 g A含m(C)＝17.6 g×＝4.8 g，m(H)＝7.2 g×＝0.8 g，确定该有机物只含碳、氢两种元素，实验式为CH2，设分子式为(CH2)n，则12n＋2n＝70，n＝5，分子式为C5H10。(3)符合分子式为C5H10的有烯烃和环烷烃，若能使溴水褪色，则为烯烃，若不能，则为环烷烃。(4)该1H核磁共振谱图共有4组吸收峰，吸收峰面积之比为1∶1∶2∶6，则A的结构简式为。


题组一　有机化合物元素组成及分子式的确定
1．用铜丝燃烧法可定性分析有机物中是否存在卤素，将一根纯铜丝加热到红热，蘸取试样，放在火焰上灼烧，如存在卤素，火焰为(　　)
A．绿色 B．紫色 C．白色 D．黄色
答案　A
2．下列有关说法错误的是(　　)
A．李比希法是定量研究有机物中元素组成的方法
B．元素分析仪可用于分析有机物中的元素组成
C．利用李比希法可以确定有机物分子的最简式
D．元素分析仪可以确定未知物的分子式
答案　D
解析　元素分析仪只能确定组成分子的各原子最简单的整数比，不能确定未知物的分子式。
3．某气态有机物X含C、H、O三种元素。现欲确定X的分子式，下列条件中所需的最少条件是(　　)
①X中碳的质量分数　②X中氢的质量分数　③X在标准状况下的体积　④质谱图确定X的相对分子质量　⑤X的质量
A．①② B．①②④ C．①②⑤ D．③④⑤
答案　B
解析　由①②可得有机物的实验式，由①②④可知有机物的分子式。
4．若要验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是(　　)
A．测定该有机物分子中C、H原子的个数之比
B．证明其完全燃烧的产物只有H2O和CO2
C．测定其燃烧产物中H2O和CO2的物质的量之比
D．测定该有机物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　B项，烃的含氧衍生物或烃燃烧都生成H2O和CO2，不能确定是否含有O，错误；D项，测定该试样的质量及其试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量，可以确定一定质量的有机物中含有C、H元素的质量，根据质量守恒可确定是否含有O元素，正确。
5．一定量的某有机物完全燃烧后，将燃烧产物通过足量的石灰水，经过滤可得到沉淀10 g，但称量滤液时，其质量只减少2.9 g，则此有机物不可能是(　　)
A．乙烷 B．乙烯
C．乙醇 D．乙二醇
答案　B
解析　有机物燃烧产物有二氧化碳和水，将燃烧产物通过足量的石灰水，经过滤可得沉淀10 g，应为CaCO3，n(CO2)＝n(CaCO3)＝＝0.1 mol，根据反应的化学方程式：
CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O　滤液减少量＝56 g
0.1 mol 10 g 5.6 g
称量滤液时，其质量只比原石灰水减少2.9 g，则生成水的质量应为5.6 g－2.9 g＝2.7 g，
则n(H)＝2n(H2O)＝×2＝0.3 mol，
则有机物中N(C)∶N(H)＝1∶3，只有A、C、D符合。
题组二　有机化合物结构的确定
6．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1H核磁共振谱图，则该有机物可能是(　　)

A．C2H5OH B．
C． D．
答案　A
解析　根据有机物的1H核磁共振谱图知该有机物中含有3种氢原子。乙醇分子中含有3种氢原子，故A正确；2-甲基丙烯中含有2种氢原子，故B错误；对氨基苯酚中含有4种氢原子，故C错误；对二甲苯中含有2种氢原子，故D错误。
7．乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别如下：和。在下列哪种检测仪上显示出的信号是完全相同的(　　)
A．李比希元素分析仪 B．红外光谱仪
C．核磁共振仪 D．质谱仪
答案　A
解析　李比希元素分析仪检测的是元素的种类，乙酸和甲酸甲酯的元素种类相同，都含有C、H、O三种元素，A正确；红外光谱仪检测的是化学键和官能团的结构特征，乙酸中含有羧基、甲酸甲酯中含有酯基，信号不完全相同，B错误；核磁共振仪检测的是氢原子的种类，乙酸中含有2种氢原子，有2组峰且峰面积之比为3∶1，甲酸甲酯中含有2种氢原子，有2组峰且峰面积之比为1∶3，峰的位置不完全相同，C错误；质谱仪检测的是分子的相对分子质量，二者的相对分子质量相同，但分子碎片的相对质量不完全相同，D错误。
8．质谱法是让极少量的(10－9 g)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。某有机物样品的质荷比如下图所示(假设离子均带一个单位正电荷，相对强度与该离子的多少有关)，则该有机物是(　　)

A．甲醇 B．甲烷 C．丙烷 D．乙烯
答案　B
解析　由有机物样品的质谱图可知，该有机物微粒质荷比最大值为16，则该有机物的相对分子质量为16，则该有机物是甲烷。
9．某有机物A用质谱仪测定如图①，1H核磁共振谱图如图②，则A的结构简式可能是(　　)

A．CH3CH2OH B．CH3CHO
C．HCOOH D．CH3CH2CH2COOH
答案　A
解析　根据图示可知，该有机物的最大质荷比为46，则A的相对分子质量为46，则分子式为C2H6O或CH2O2，故B、D错误；根据图示1H核磁共振谱可知，A分子的1H核磁共振谱有3组吸收峰，则其分子中有3种H原子，HCOOH分子中含有2种H，CH3CH2OH分子中含有3种等效H，则正确的为A。

10．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．C5H12O4 B．C5H12O3
C．C4H10O4 D．C5H10O4
答案　A
解析　由于A中碳的质量分数为44.1%，氢的质量分数为8.82%，故A中氧的质量分数为1－44.1%－8.82%＝47.08%。由此可算出N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈5∶12∶4，故该有机物的实验式为C5H12O4。
11．有机物Y的分子式为C4H8O2，其红外光谱图如图，则该有机物的可能结构为(　　)

A．CH3COOCH2CH3 B．CH3OCH2CH2CHO
C．HCOOCH2CH2CH3 D．(CH3)2CHCOOH
答案　A
解析　由红外光谱图，可知该有机物含有C==O、C—O—C、不对称的—CH3，则分子中含有2个—CH3，可能的结构简式有：CH3COOCH2CH3、CH3CH2COOCH3、CH3COCH2OCH3。
12．某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图有C—H、C==O、C—O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．CH3COOCH3 B．HCOOCH3
C．CH3CH(OH)CH3 D．CH3CH2OCH3
答案　B
解析　CH3COOCH3的相对分子质量为74，A错误；HCOOCH3的相对分子质量为60，分子中含C—H、C—O、C==O，B正确；CH3CH(OH)CH3、CH3CH2OCH3分子中不含有C==O，C、D错误。
13．三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1H核磁共振谱显示只有1组吸收峰，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。
(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)1H核磁共振谱显示只有1组吸收峰，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。