1.2.1有机化合物组成和结构的研究

第二单元科学家怎样研究有机物

第1课时有机化合物组成和结构的研究

[学习目标定位] 1.知道有机化合物组成的研究方法，学会如何确定最简式。2.知道有机化合物结构的研究方法及李比希提出的“基团理论”。

1．物质是由元素组成的。由一种元素组成的纯净物，称为单质，由两种或两种以上元素组成的纯净物称为化合物。

(1)元素以单质形式存在的称为游离态，以化合物形式存在的称为化合态。

(2)同一种元素在组成单质时，有的元素只能形成一种单质，有的元素则可形成多种单质。

(3)不同种元素在组成化合物时也有类似的现象，如Na和Cl，只能组成NaCl，Fe和O则可以组成FeO、Fe2O3、Fe3O4等。

(4)在已知的元素中形成化合物种类最多的元素是碳元素。

2．科学家研究有机化合物的组成时，需要知道该化合物由哪些元素组成，各元素的质量分数是多少，由此就能够知道有机化合物的最简式(实验式)。它和分子式的区别：

(1)最简式是表示化合物分子中所含各元素原子个数的最简单整数比的式子；

(2)分子式是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。

3．实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%，含氢20%，该化合物的最简式为CH3。又测得该化合物的相对分子质量是30，该化合物的分子式为C2H6。

探究点一有机化合物组成的研究

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。

(4)其他元素也可用不同的实验方法分别测定，如用钠融法可确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素，用铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤素。用红热的铜丝蘸上试样灼烧时，若含有卤素则火焰为绿色。

2．确定有机物中各元素的质量分数(李比希定量分析)

(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。 3．仪器分析法

人们常借助元素分析仪来确定有机物的组成。优点是：自动化程度高、所需样品量小、分析速度快、同时对多种元素进行分析等，若与计算机连接还可进行数据存储和统计分析，并可生成各种形式的分析报告。 [归纳总结]

(1)确定有机物元素组成的方法有：化学实验法(李比希法、钠融法、铜丝燃烧法等)、仪器分析法。

(2)李比希燃烧法

有机化合物――→氧化铜

高温水＋二氧化碳――→干燥剂

吸收测定水和CO 2的质量―→得出原有机化合物中氢、碳元素的质量―→确定有机化合物中碳、氢的质量分数 [活学活用]

1．将铜丝上蘸上有机样品后，放在酒精灯火焰上燃烧，看到火焰呈绿色，则该有机物中含有( ) A ．S 元素 B ．P 元素 C ．N 元素

D ．X(卤族元素)

答案 D

2．某化合物6.4 g 在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO 2和7.2 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∶2 C ．无法确定该化合物是否含有氧元素 D ．该化合物中一定含有氧元素 答案 D

解析 由题中数据可知n (CO 2)为0.2 mol ，n (H 2O)为0.4 mol ，所以m (C)＋m (H)＝3.2 g<6.4 g ，故该化合物中还含有氧元素，n (O)＝0.2 mol ，该化合物最简式可表示为CH 4O 。

理解感悟 有机物中氧元素的测定通常是根据有机物中其他元素的质量或质量分数与总体进行比较，然后判断是否含有氧元素，若各质量分数之和为1或各元素质量之和与试样质量相等则无氧；若质量不等或质量分数之和小于1则含有氧。 探究点二 有机化合物结构的研究

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或官能团。

(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。

2.根据题给条件，确定有机物的结构

(1)烃A分子式为C3H6CH3—CH==CH2。

(2)实验测得某醇1 mol与足量钠反应可得1 mol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]

(1)有机物分子结构的确定方法

①物理方法

a．红外光谱法：初步判断有机物中含有的官能团或化学键。

b．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

不同氢原子个数之比＝不同吸收峰面积之比

②化学方法

a ．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。

b ．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。

c ．通过定量实验，确定有机物中的官能团及其数目。

(2)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。根据相对分子质量和最简式可以确定有机物的分子式。 [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 键的烃基上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：92－3×17－5

12＝

3。故分子式为C 3H 8O 3。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．能够测出有机化合物分子中所处不同化学环境里的氢原子数目的仪器是( )

A．核磁共振仪B．红外光谱仪

C．紫外光谱仪D．质谱仪

答案 A

解析核磁共振仪的作用是测某元素原子的种类，若为氢谱则测的就是等效氢的种类。2．利用红外光谱对有机化合物分子进行测试并记录，可以初步判断该有机物分子拥有的()

A．同分异构体数B．原子个数

C．基团种类D．共价键种类

答案 C

解析红外光谱的作用是判断化合物中的基团种类，如烃基种类、官能团种类等。

3．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。

4．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)CH4C2H6(2)C2H4C4H6(3)C3H8C6H12

解析相同状况下，相同体积烃蒸气物质的量相同，完全燃烧生成CO2的体积之比为1∶2，生成水的体积之比为2∶3，可设这两种烃的分子式分别为C n H2m、C2n H3m，所以满足通式的有CH4和C2H6，C2H4和C4H6，C3H8和C6H12。

5．为测定某有机物A的结构，设计了如下实验：①将2.3 g该有机物完全燃烧，生成了0.1 mol CO2和2.7 g H2O；②用质谱仪实验得质谱图如下左；③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图如下右，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。2.3 g A完全燃烧生成0.1 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原子已经饱和且A的相对分子质量为46，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、有机物组成元素的确定

1．分析有机物可以应用元素分析仪进行。下列有关元素分析仪的说法中，错误的是() A．试样在氧气流中被加热到950～1 200 ℃充分燃烧，该仪器可对燃烧产物自动进行分析B．该仪器不仅可以分析试样中常见元素的含量，还可以测定试样分子的空间结构

C．使用该仪器时，所需样品量小，分析速度快，试样可以是易挥发或难溶的有机物

D．将该仪器与计算机连接，可以实现对试样检测数据存储、统计和形成分析报告

答案 B

解析元素分析仪只能确定元素组成而不能确定结构。

2．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，则下列说法中正确的是()

A．分子中C、H、O个数比为1∶2∶3

B．分子中C、H个数比为1∶4

C．分子中含有氧元素

D．此有机物的最简式为CH4

答案 B

解析由n(CO2)∶n(H2O)＝1∶2仅能得出n(C)∶n(H)＝1∶4，不能确定是否含O。

3．验证某有机物属于烃，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CO 2和H 2O 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。

二、有机物分子式的确定

4．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( ) A ．C 2H 4 B ．C 2H 6

C ．C 3H 6

D ．C 4H 8

答案 A

解析 由已知条件可以求出该化合物的摩尔质量：

M ＝14 g 11.2 L/22.4 L·mol －1＝28 g·

mol －

1， 由含碳量及含氢量可知： N (C)＝28×85.7%12≈2，

N (H)＝28×14.3%

1≈4，

所以分子式为C 2H 4。

5．一定量有机物完全燃烧后，将燃烧产物通过足量的石灰水，过滤后得到白色沉淀10 g ，但称量滤液时只减少2.9 g ，则此有机物不可能是( ) A ．C 2H 5OH B ．C 4H 8O 2 C ．C 2H 6

D ．C 2H 6O 2

答案 B

解析 n (CO 2)＝n (CaCO 3)＝

10 g

100 g·mol －1

＝0.1 mol 。

则通入石灰水中的CO 2质量为4.4 g ，则石灰水应减少5.6 g ，题目中只减少2.9 g 所以应同时生成2.7 g 水。由此可计算n (H)＝ 2.7 g

18 g·mol －

1×2＝0.3 mol 。所以C 、H 元素物质的量之比为1∶3，与含氧多少无关，只有B 选项符合 题意。

6．若1 mol 某气态烃C x H y 完全燃烧，需消耗3 mol O 2，则( ) A ．x ＝2，y ＝2 B ．x ＝2，y ＝4 C ．x ＝3，y ＝6

D ．x ＝3，y ＝8

答案 B

解析 由烃C x H y 燃烧通式C x H y ＋(x ＋y 4)O 2――→点燃

x CO 2＋y 2H 2O 知，1 mol 烃燃烧后需(x ＋y 4) mol

O 2，将各选项代入即可求得。 三、有机物结构的确定

7．鉴别二甲醚和乙醇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

解析质谱法是用于测定相对分子质量的。

8．某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图只有C—H 键、O—H键、C—O键的振动吸收峰，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．CH3CH2OCH3B．CH3CH(OH)CH3

C．CH3CH2OH D．CH3COOH

答案 B

解析由题意，该有机物分子中含有的官能团只有羟基，A项中没有羟基，C项中相对分子质量小于60，D中还存在CO键，均不符合要求。

9．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CC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。

10．燃烧0.1 mol某有机物得0.2 mol CO2和0.3 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一定为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

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 mol∶0.2 mol∶0.3 mol＝1∶2∶3，所以n(有机

物)∶n(C)∶n(H)＝1∶2∶6，故该有机物的分子式为C2H6O x。

[能力提升]

11．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是________________________________________________________。答案(1)C3H8O(2)CH3CH2CH2OH或

解析根据题意可得：M r＝30×2＝60。

有机物中各元素的质量为

m(C)＝3.36 L

22.4 L·mol－1

×12 g·mol－1＝1.8 g，

m(H)＝3.6 g

18 g·mol－1

×2×1 g·mol－1＝0.4 g，m(O)＝3.0 g－1.8 g－0.4 g＝0.8 g。

则有机物分子中

N(C)＝1.8 g

12 g·mol－1÷

3.0 g

60 g·mol－1

＝3，

N(H)＝0.4 g

1 g·mol－1÷

3.0 g

60 g·mol－1

＝8，

N(O)＝0.8 g

16 g·mol－1÷

3.0 g

60 g·mol－1

＝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。12．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CH3COCH2OCH3、CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3

解析根据红外光谱图所示，该有机物有下列特征基团：不对称—CH3、、，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 利用红外光谱可测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。

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的六元杂环。则三聚氰胺的结构简式为__________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)1∶2∶2

(2)3 100×28.57%12＜N (C)＜150×28.57%12，即2.4＜N (C)＜3.6，又N (C)为正整数，所以N (C)

＝3 (3)C 3H 6N 6 (4)

CNH 2NNCNH 2NCNNH 2

解析 (1)N (C)∶N (H)∶N (N)＝28.57%12∶4.76%1∶66.67%

14

≈1∶2∶2。

(2)100×28.57%12＜N (C)＜150×28.57%12，

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。 [拓展探究]

14．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 H 2O 和8.8 g CO 2，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(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)46C2H6O(3)CH3CH2OH、CH3—O—CH3

(4)CH3CH2OH

解析(1)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。据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3 mol＋2×0.2 mol－

2×6.72 L

22.4 L·mol－1

＝0.1 mol，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的分子式为C2H6O可知A为饱和化合物，可推测其结构简式为CH3CH2OH或CH3OCH3。(4)分析A的核磁共振氢谱图可知：A有三种不同类型的H原子，CH3OCH3只有一种类型的H原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。