2019高中化学第1部分第二单元科学家怎样研究有机物讲义（含解析）苏教版.docx

科学家怎样研究有机物1某有机物在O2中完全燃烧生成CO2和H2O，你能确定该有机物中含有哪些元素吗？提示：该有机物中一定含有碳、氢两种元素，可能含有氧元素。2C2H6O是否存在同分异构体？若存在，写出其结构简式。提示：C2H6O存在同分异构体，分别为CH3CH2OH和CH3OCH3。3什么是官能团？你能写出羟基、醛基、羧基、氨基的结构简式吗？提示：决定有机物化学性质的原子或基团称为官能团。羟基、醛基、羧基、氨基的结构简式分别为OH、CHO、COOH、NH2。新知探究探究6.4 g某有机化合物，完全燃烧测得生成8.8 g CO2和7.2 g H2O，无其他物质生成。你能确定该有机化合物中是否含有氧元素吗？提示：8.8 g CO2中碳元素的质量为12 gmol12.4 g，7.2 g H2O中氢元素的质量为2 gmol10.8 g。因6.4 g(2.4 g0.8 g)，故该有机物中一定含有氧元素。探究某烃在空气中完全燃烧生成CO2和H2O的物质的量相等，你能确定该烃的最简式吗？提示：该烃中C、H的原子个数比为12，即最简式为CH2。必记结论1最简式最简式又称实验式，是表明有机化合物所含各元素原子个数的最简整数比的式子。2李比希燃烧确定元素组成法有机化合物水二氧化碳测定出水和CO2的质量；由原有机化合物的质量确定有机化合物中碳、氢的质量分数。模拟图如下：说明：实验中的CuO能确保有机物充分氧化，最终生成CO2和H2O。3确定元素组成的其他方法(1)燃烧法：有机物完全燃烧，各元素分别转化为以下物质：CCO2HH2ONN2ClHCl(2)钠融法：应用：用钠融法可定性确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。方法： (3)铜丝燃烧法：将一根铜丝加热至红热，蘸上有机试样，放在火焰上灼烧，如存在卤素，火焰为绿色。用铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤族元素。成功体验1为测定一种气态烃的化学式，取一定量的A置于密闭容器中燃烧，定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气。学生甲、乙设计了如下两个方案，均认为根据自己的方案能求出A的最简式。他们测得的有关数据如下(图中的箭头表示气体的流向，实验前系统内的空气已排除)：甲方案：燃烧产物增重增重生成CO22.52 g1.32 g 1.76 g乙方案：燃烧产物增重减轻增重5.6 g 0.64 g4 g试回答：(1)根据两方案，你认为能否求出A的最简式(填“能”或“不能”)?甲方案：_；乙方案：_。(2)根据你选出的方案，求出A的最简式(实验式)为_。(3)若要确定A的化学式，是否还需要测定其他数据？如果需要，应该测定哪些数据？_。解析：(1)乙方案中将燃烧产物通过碱石灰时，二氧化碳和水蒸气都被吸收，不能求出碳氢元素的物质的量之比，所以不能求出A的最简式。(2)甲方案中将燃烧产物先通过浓硫酸，水蒸气被吸收，通过碱石灰时，二氧化碳被吸收，点燃时CO反应生成二氧化碳，可以求出碳氢元素的物质的量之比，所以能求出A的最简式。氢元素的物质的量为：n(H)20.28 mol，碳元素的物质的量为：n(C)0.07 mol，n(C)n(H)0.070.2814，所以A的最简式为CH4。答案：(1)能不能(2)最简式为CH4(3)还需要测定相对分子质量新知探究探究甲醚和乙醇的分子式都是C2H6O，用1H核磁共振谱为什么能区分二者？提示：甲醚(CH3OCH3)分子中的6个氢原子处于相同的化学环境，在1H核磁共振谱上只有一组峰，而乙醇(CH3CH2OH)分子中存在3种不同化学环境的氢原子，在1H核磁共振谱上有3组峰。探究C3H8(丙烷)的1H核磁共振谱中有几组特征峰？其面积之比为多少？提示：C3H8的1H核磁共振谱中有2组特征峰，其面积之比是13。探究能快速、微量、精确的测定有机物相对分子质量的物理方法是什么？提示：质谱法。必记结论1基团理论有机物中的“基团”包含两类，一类是烃基，另一类是官能团。人们研究有机化合物时首先研究其所具有的基团，如甲基(CH3)、羟基(OH)、醛基(CHO)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、烃基(R)。2有机物结构的测定(1)红外光谱法(IR)：作用：初步判断该有机物中具有哪些基团。原理：用红外线照射有机物分子时，分子中的基团发生振动吸收，不同的基团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。红外光谱图：横坐标表示波长(或波数)，即吸收峰的位置，纵坐标表示吸收强度。如分子式为C4H8O2的化合物，红外光谱如图所示：根据谱值可判断官能团的种类，此化合物的结构简式为。(2)1H核磁共振谱法(1HNMR)：作用：测定有机物分子中等效氢原子(氢原子处于相同的化学环境中)的类型和数目。原理：用电磁波照射氢原子核时，不同化学环境(即其附近的基团)的氢原子通过共振吸收电磁波的频率不同，在1H核磁共振谱图上出现的位置也不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。1H核磁共振谱图：横坐标表示化学位移，即吸收峰的位置，纵坐标表示吸收强度，其中吸收峰数目氢原子种类，吸收峰面积比氢原子数目比。如分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图如下：分析谱图知，图1只有一组峰，只有一种氢原子，则结构简式为CH3OCH3；图2有三组峰，有三种氢原子，则结构简式为CH3CH2OH。3质谱法(1)作用：测定有机物分子的相对分子质量。(2)原理：用高能电子流轰击样品，使分子失去电子变成带正电荷的碎片，在磁场的作用下，由于碎片的相对质量不同，它们到达检测器的时间也先后不同，其结果被记录为质谱图。(3)质谱图：横坐标表示碎片的质荷比，纵坐标表示碎片的相对丰度，峰上的数据表示碎片的相对质量。分子离子的相对质量越大，质荷比就越大，到达检测器需要的时间就越长，因此质谱图中最右边的峰表示的就是样品的相对分子质量。如图所示，甲苯的相对分子质量为92。4手性分子(1)手性分子的定义：两种分子式相同的有机分子，其空间结构互为镜像，且不能完全重叠，其关系正和左、右手的关系相似，现在普遍地称这类分子为手性分子。例如乳酸CH3CHCOOHOH，它可以写出结构式()和()，()和()与左、右手一样具有实体和镜像的关系，因此乳酸是一个手性分子。(2)手性碳原子：手性分子中具有与4个不同原子(或原子团)相连接的碳原子称为手性碳原子，如丙氨酸分子中的手性碳原子。成功体验2下图是某有机物的1H核磁共振谱图，则该有机物可能是()ACH3CH2OHBCH3CH2CH2OHCCH3OCH3 DCH3CHO解析：选C从谱图看，只存在一组峰，C项中两个甲基上的6个氢原子是等效的，与图符合。A项峰应为321；B项峰为3221；D项峰为31。新知探究探究氯气在光照或加热条件下形成的氯自由基是什么？提示：氯自由基就是氯原子，氯原子易得电子，性质很活泼。探究甲烷和氯气在光照条件下得到的产物有哪些？提示：反应产物有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。探究CH3CH2OH和 在浓硫酸作用下反应一段时间后，能够检测出18O的物质有哪些？提示：根据酯化反应的实质可知，酸和醇酯化反应的机理是酸脱羟基、醇脱氢，所以能够检测出18O的物质是 和HO和HO。必记结论1甲烷与氯气取代反应的反应机理(1)反应机理：自由基型链反应 (2)反应产物：共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。2同位素示踪法研究酯的水解反应(1)方法：将乙酸乙酯与HO在H2SO4催化下加热水解，检测 18O的分布情况，判断酯水解时的断键情况。(2)反应机理：由此可以判断，酯在水解过程中断开的是酯中的键，水中的18OH连接在键上。成功体验3已知在水溶液中存在平衡：与CH3CH2OH发生酯化反应时，不可能生成的是()A BCH2O D解析：选B溶液中存在，在与CH3CH2OH进行酯化反应时，根据酯化反应机理羧酸脱羟基、醇脱氢可知，B不可能生成。关键语句小结1有机物中通常含有碳和氢两种元素，若将其完全燃烧，碳元素则生成CO2，氢元素则生成H2O，由此可以求出有机物中碳、氢的质量分数。2常见的基团：羟基(OH)、醛基(CHO)、羧基(COOH)、氨基(NH2)、烃基(R)。31H核磁共振谱图中的峰代表有机物不同种类的氢原子。红外光谱可以读出有机物中含有的基团。4手性分子即含有手性碳的分子，手性碳是指某个碳原子连接的四个原子或原子团各不相同。5同位素示踪法可以研究出有机化学反应的历程(机理)。1有机物组成元素的推断一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为C、H或C、H、O。欲判断该有机物是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将碳、氢的质量之和与原来有机物质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧元素；否则，原有机物的组成中含有氧元素。2确定分子式的方法(1)直接法：有机物的密度(或相对密度)摩尔质量1 mol有机物中各原子的物质的量分子式。(2)最简式法：各元素的质量分数最简式分子式。(3)余数法：用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。A其中商数A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯、苯的同系物等)。(4)化学方程式法：利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。在有机化学中，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：CxHyO2xCO2H2OCxHyOzO2xCO2H2O例1某仅由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，经测定其相对分子质量为90。取有机物样品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。解析：已知m(H)1.08 g18 gmol121 gmol10.12 g，m(C)2.64 g44 gmol112 gmol10.72 g，m(O)1.8 g0.12 g0.72 g0.96 g；n(C)n(H)n(O)0.72/120.12/10.96/16121，则其实验式为CH2O；可设分子式为(CH2O)n，则有30n90，解之得：n3，故分子式为C3H6O3。答案：C3H6O3有机物分子式确定的解题流程1实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%、含氢20%，又测得该化合物的相对分子质量是30，你能确定该化合物的分子式吗？答案：化合物中N(C)N(H)13，该化合物的实验式为CH3，设其化学式为(CH3)n，则15n30，n2，该化合物的分子式为C2H6。例2某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为72.0%、含氢为6.67%，其余为氧。现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。方法一：用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。方法二：核磁共振仪测出A的1H核磁共振谱有5组峰，其面积之比为12223，如图A所示。方法三：利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图B所示。请填空：(1)A的分子式为_。(2)一个A分子中含一个甲基的依据是_。aA的相对分子质量bA的分子式cA的1H核磁共振谱图dA分子的红外光谱图(3)A的结构简式为_。解析：(1)由题意知，有机物A中O的质量分数为172.0%6.67%21.33%，Mr(A)150得N(C)9，N(H)10，N(O)2，则A的分子式为C9H10O2。(2)由分子式知A中含有10个H，1H核磁共振谱中有5组峰，说明A中有5种氢，峰面积之比为12223，则A中5种H的个数比为12223，由于3个H相同的只有一种即有一个CH3。(3)A中含苯环结构，且苯环与C原子相连形成的结构，含和CO，可联想(酯基) ，含CC和CH，可知含烷烃基，综合可知A的结构简式为。答案：(1)C9H10O2(2)b、c(3) 有机物分子结构的确定物理方法(波谱法)化学方法以官能团的特征反应为基础，鉴定出官能团，进一步确认其结构。但当化合物结构比较复杂时，该法就比较费时，此时我们可以利用物理方法(波谱法)来确定有机物的结构。质谱可快速、准确测定有机物的相对分子质量。红外光谱可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。核磁共振氢谱可推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目之比。2已知某有机物A的红外光谱和 1H核磁共振谱图如图所示，下列说法中不正确的是()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1H核磁共振谱图可知，该有机物分子中有三种不同的氢原子C仅由其1H核磁共振谱图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CH3OCH3解析：选D由图可知，红外光谱显示该有机物含有CH、OH和CO三种不同的化学键。在1H核磁共振谱图中有三组峰，所以分子中有三种不同的氢原子，由1H核磁共振谱可知道分子中的氢原子种类及数目之比，但无法得知其分子中的氢原子总数。D项，若A为CH3OCH3，则在1H核磁共振谱图中应只有一组峰，所以A应为CH3CH2OH。1某有机物完全燃烧后生成CO2、H2O和SO2，该化合物可能不含有的元素是()A. CB. HC. OD. S解析：选C由生成物可知该有机物中一定含有C、H、S元素，无法判断是否含有氧元素。2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质谱仪解析：选A核磁共振仪的作用是测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目。3借助先进的实验仪器和方法，可用于测定有机物的分子结构和有机化学反应历程，下列实验方法主要用于测定有机化学反应历程的是()A同位素示踪法 B核磁共振法C红外光谱法 D李比希法答案：A4某有