苏教版选修5 专题1第二单元 科学家怎样研究有机物 学案 (1).doc

第二单元科学家怎样研究有机物学习目标核心素养建构1.了解用李比希法定量分析有机化合物所含元素的一般方法，并能进行有关计算。2.知道确定有机化合物最简式及分子式的常用方法。3.知道可运用红外光谱、核磁共振氢谱以及化学实验方法确定有机化合物的分子结构。4.能区分出手性碳原子、手性分子、对映异构体，能用同位素示踪法解释简单的化学反应。知 识 梳 理一、有机化合物组成的研究1.最简式又称为实验式，指有机化合物中所含各元素原子个数的最简整数比。2.确定有机化合物元素组成的方法(1)李比希燃烧法：有机物完全燃烧后，各元素对应的产物为cco2，hh2o。(2)钠融法：可定性地检测有机物中是否含有氮、氯、溴、硫等元素。(3)铜丝燃烧法：定性确定有机物中是否存在卤素。(4)元素分析仪：确定有机化合物的组成元素分析仪工作原理：使有机化合物充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。元素分析仪特点【自主思考】1.最简式和分子式的区别与联系是什么？提示最简式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子，不能确切表明分子中原子个数，具有同一最简式的物质往往不止一种。分子式是表示化合物分子所含元素的种类及其原子数目的式子。最简式相同的物质，若相对分子质量不同，其分子式就不同。二、有机化合物结构的研究1.李比希基团理论(1)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)1838年，李比希提出了“基”的定义：有机化学中的“基”是一系列化合物中不变的部分；“基”在化合物中可被某种元素的单个原子所置换；置换“基”的基团，可以被其他基团所取代。在有机化学发展的历史进程中，基团理论对有机化学的发展起到了巨大的推动作用。人们在研究有机化合物时首先研究其所具有的基团，如羟基、醛基、羧基、氨基、烃基等。(写出常见的基团名称)2.研究有机物结构的物理方法(1)现代化学测定有机化合物结构的分析方法很多，经常采用的是核磁共振氢谱和红外光谱等方法。(2)在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物中的1h核磁共振谱进行分析，有机化合物分子中的氢原子核，所处的化学环境不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标位置也就不同。(3)红外光谱是利用有机化合物分子中不同基团的特征吸收频率不同，测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况，初步判断该有机化合物中具有哪些基团。(4)测定有机物的组成和结构的现代分析方法，还有质谱法和紫外光谱法等。3.手性分子(1)手性碳原子是指与4个不同的原子或原子团相连的碳原子。(2)手性分子是指含有手性碳原子的有机物分子。【自主思考】2.在现代化学测定有机化合物结构的常用方法中，它们的分析原理有何不同？应用又有何不同点？提示(1)核磁共振氢谱原理：氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在核磁共振谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目。氢核磁共振反映的是等效氢原子的种类，等效氢原子的种类反映的是分子的对称性，反过来也一样。作用：根据谱图中不同的峰，确定氢的种类，根据峰的面积确定氢原子数目比。(2)红外光谱原理：在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，当用红外线照射有机物时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。作用：根据谱图可得出有机物含有何种化学键或哪些官能团。(3)质谱原理：通过对样品离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量分析的一种方法。作用：主要用以确定有机物分子的相对分子质量。三、有机化学反应的研究1.ch4与cl2在光照条件下发生的卤代反应，是一个自由基型链反应，cl2分子在光照或加热条件下形成氯原子，即氯自由基；氯自由基与甲烷分子发生碰撞时，从甲烷分子中夺得一个氢原子，生成氯化氢分子，甲烷则转变为甲基自由基；甲基自由基与氯气分子发生碰撞时，从氯气分子中夺得一个氯原子，生成一氯甲烷分子。2.判断乙酸乙酯发生水解时共价键断裂情况可采用同位素原子示踪法。【自主思考】3.将乙酸乙酯与ho混合后，加入硫酸作催化剂，乙酸乙酯在加热条件下将发生水解反应。下面是该反应的化学方程式：根据产物中18o的分布情况，试判断乙酸乙酯在发生水解时分子中的哪个共价键发生了断裂？提示产物乙酸中含有18o，而乙醇分子中没有18o，说明乙酸乙酯在发生水解时，分子中与c=o相连的co键断裂，水中18oh取代了oc2h5，而水中h与oc2h5结合，从而生成和ch3ch2oh两种产物。所以，乙酸乙酯在发生水解时分子中与c=o相连的co键断裂。效 果 自 测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b2.给ch3cooh、c2hoh与浓硫酸的混合物加热，一段时间后，下列有关说法正确的是()a.18o存在乙酸分子中b.18o存在于乙酸乙酯和乙醇中c.18o只存在于乙醇分子中d.18o存在于水分子中答案b3.下列化合物分子的核磁共振氢谱图，能给出三种信号峰的是()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。答案c探究一、有机物分子式的确定【合作交流】一种有机物燃烧后的产物只有co2和h2o，该有机物所含元素只有碳和氢吗？如何判断是否含有氧元素？提示不一定，若产物只有co2和h2o，其组成元素肯定有c、h元素，可能有o元素。判断该有机物中是否含氧元素的方法如下：设有机物燃烧后co2中碳元素的质量为m(c)，h2o中氢元素质量为m(h)。若：m(有机物)m(c)m(h)有机物中含有氧元素m(有机物)m(c)m(h)有机物中不含氧元素【点拨提升】有机物分子式的确定基本思路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c、h的质量之和与原有机物质量比较，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氧元素。2.有机物分子式的确定(1)直接法(2)实验式法各元素的质量分数最简式分子式(3)商余法mr表示烃的相对分子质量ax余y，则烃分子式一般为cxhy(4)方程式法利用反应物与生成物之间量的关系求分子式，如：利用官能团的数目与反应物和生成物量的关系；利用有机物燃烧通式及消耗o2的量或生成物的量通过计算确定有机物分子式。常用方程式为cxhyo2xco2h2ocxhyozo2xco2h2o(5)通式法物质性质等有机物类别及组成通式n值分子式。(6)平均分子式法直接计算1 mol有机混合物中各元素原子的物质的量分子中各原子个数平均分子式混合物各组分的分子式。【典题例证1】用元素分析仪分析6.4 mg某有机化合物，测得生成8.8 mg co2和7.2 mg h2o，无其他物质生成。下列说法中正确的是()a.该化合物的分子式为c2h8o2b.该化合物中碳、氢原子个数比为12c.无法确定该化合物中是否含有氧元素d.该化合物中一定含有氧元素解析由于只含c、h、o元素的有机物分子中氢原子数最多为碳原子数的2倍再加2，故该有机化合物的分子式不是c2h8o2，a项错误；8.8 mg co2为0.000 2 mol，含碳元素2.4 mg；7.2 mg h2o中含氢元素0.8 mg，即含氢原子0.000 8 mol。因此原6.4 mg有机物中一定含氧元素，氧元素质量为6.4 mg2.4 mg0.8 mg3.2 mg，含氧原子0.000 2 mol，则c项不正确，d项正确；碳、氢原子个数比为0.000 20.000 814，b项错误。答案d【学以致用1】某有机物在氧气中充分燃烧，生成的二氧化碳和水的物质的量之比为11，由此可得出的正确结论是()a.该有机物分子中碳、氢、氧原子个数比为123b.该有机物分子中碳、氢原子个数比为12c.该有机物中肯定含氧d.该有机物一定不含氧解析n(co2)n(h2o)11，则n(c)n(h)12，co2和h2o中的氧可能来自于氧气中的氧元素，从题中条件无法确定。故b项正确。答案b探究二、有机物结构的确定【合作交流】1.下图是分子式为c2h6o的两种有机化合物的1h核磁共振谱图，你能分辨出哪一幅是乙醇的1hnmr谱图吗？为什么？提示乙图是乙醇的1hnmr谱图。乙醇分子中有3种不同化学环境的氢原子，如果在1hnmr谱上观察到氢原子给出的峰只有一种，那么该物质为ch3och3，如果在1hnmr谱上观察到氢原子给出的峰有三种，且强度之比为321，那么该物质为ch3ch2oh。因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目。2.手性碳原子、手性分子与对映异构的联系？对映异构体具有什么特性？提示在一个有机物分子中，如果有1个碳原子分别连有4个不同的原子或原子团，则该碳原子被称为手性碳原子。含有手性碳原子的有机分子又叫手性分子，手性分子存在着对映异构体，即两者的空间构型互为物体与镜像关系。对映异构体具有旋光性。【点拨提升】1.确定有机物结构式的方法(1)根据氢核磁共振谱图，分析氢的种类和数目。(2)根据红外光谱图，分析有机物所含的化学键或官能团。(3)根据有机物性质推断官能团：有机化合物的官能团都具有特征化学性质，故可以通过化学反应对其进行鉴别和确定，从而推断官能团，区分开同分异构体。因此要熟记常见官能团的特征性质。(4)直接推出：c2h6、c3h8、ch4o等不具有同分异构体的可直接推出。2.由分子式确定有机物结构式的一般步骤有机物分子式可能具有的同分异构体同分异构体中的各种官能团【典题例证2】有机物a可由葡萄糖发酵得到，也可从酸牛奶中提取。纯净的a为无色粘稠液体，易溶于水。为研究a的组成与结构，进行了如下实验：实验步骤解释或实验结论(1)称取a 9.0 g，升温使其汽化，测其密度是相同条件下h2的45倍(1)a的相对分子质量为_(2)将此9.0 g a在足量纯o2中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者分别增重5.4 g和13.2 g(2)a的分子式为_(3)另取a 9.0 g，跟足量的nahco3粉末反应，生成2.24 l co2(标准状况)，若与足量金属钠反应则生成2.24 l h2(标准状况)(3)用结构简式表示a中含有的官能团：_、_(4)a的1h核磁共振谱如图(4)a中含有_种氢原子(5)综上所述，a的结构简式为_解析(1)a的密度是相同条件下h2的45倍，则相对分子质量为45290。9.0 g a的物质的量为0.1 mol。(2)燃烧产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者分别增重5.4 g和13.2 g，即生成的h2o的质量为5.4 g，生成co2的质量为13.2 g。说明0.1 mol a燃烧生成0.3 mol h2o和0.3 mol co2。含o的物质的量为n(o)0.3 mol，则1 mol a中含有6 mol h、3 mol c、3 mol o，故分子式为c3h6o3。(3)0.1 mol a跟足量的nahco3粉末反应，生成2.24 l co2(标准状况)，若与足量金属钠反应则生成2.24 l h2，说明分子中含有一个cooh和一个oh。(4)a的1h核磁共振谱中有4个峰，说明分子中含有4种类型的氢原子，且个数比是1113。(5)综上所述，a的结构简式为。答案(1)90(2)c3h6o3(3)coohoh(4)4(5) 【学以致用2】某有机物的相对分子质量为70，红外光谱表明有碳碳双键和c=o的存在，1h核磁共振谱如下图(峰面积之比依次为1113)：分析核磁共振谱图，回答下列问题：(1)分子中共有_种化学环境不同的氢原子。(2)该物质的分子式为_。(3)该有机物的结构简式为_。解析因该有机物的红外光谱检测到有碳碳双键和c=o的存在，所以最简式可设为cnh2n2o，可得：12n2n21670，所以n4，分子式为c4h6o。根据1h核磁共振谱中有4种峰，可知该有机物有4种等效氢原子。因峰面积之比依次为1113，其结构简式为ch3ch=chcho。答案(1)4(2)c4h6o (3)ch3ch=chcho1.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为ch3ch3b.该有机物中碳、氢原子数目之比为13c.该有机物分子中不可能含有碳碳双键d.该有机物分子中可能含有氧原子解析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。答案a2.某有机物的蒸气对氢气的相对密度为39。该烃中各元素的质量分数为c：92.3%，h：7.7%，则该有机物的分子式为()a.c2h2 b.c2h4c.c6h6 d.c3h6解析m(有机物)392 gmol178 gmol1，有机物分子中n(c)n(h)11，最简式为ch，分子式c6h6。答案c3.将ch3cooh和h18oc2h5混合发生酯化反应，已知酯化反应是可逆反应，反应达到平衡后下列说法中正确的是()a.18o存在于所有物质中b.18o仅存在于乙醇和乙酸乙酯中c.18o仅存在于乙醇和水中d.有的乙醇分子可能不含18o解析本题考查的是酯化反应的机理：“酸脱羟基醇脱氢”，即：ch3coohh18och2ch3ch3co18och2ch3h2o，乙酸乙酯在水解时的断键方式是从形成的酯基处断开，因此，18o只可能存在于乙醇和乙酸乙酯中，而且乙醇分子里必然会有18o。答案b4.下列化合物的1hnmr谱图中吸收峰的数目不正确的是()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。答案a5.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 g 18 gmol121 gmol10.12 g，m(c)2.64 g 44 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课时作业基础巩固1.下列有机物分子中，在核磁共振氢谱中只给出一种峰(信号)的是()a.ch3oh b.ch3ch2ch3c.ch3cooh d.ch3coch3解析d项中2个甲基连在同一个羰基上，6个h原子都是等效的。答案d2.同位素示踪法研究化学反应，运用了同位素的()a.化学性质相似，物理性质相同b.化学性质相似，物理性质不同c.化学性质不同，物理性质相同d.化学性质不同，物理性质不同解析同位素示踪法主要是利用放射性同位素与一般同位素在放射性性质上的差异，此差异属物理性质的差异。答案b3.下列说法不正确的是()a.元素分析仪可同时对有机物中碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，其特点是样品量小，速度快b.核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量c.根据红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团d.同位素示踪法可以用来确定有机反应中化学键的断裂位置解析1h核磁共振谱图只能确定氢原子的种类和数目比，不能确定有机物相对分子质量。答案b4.某有机物在氧气中充分燃烧，生成36 g水和44 g co2，则关于该有机物的说法正确的是()a.分子式一定是ch4b.分子式一定是ch4oc.分子式可能是ch4或ch4od.以上说法均不正确解析根据燃烧产物中h2o和co2的质量，可以求出其中的n(c)n(h)(2)14，但是无法确认是否含有氧元素，故最简式为ch4ox，c项正确。答案c5.确定有机物中是否含有卤素的方法是()a.将待测物与氧化铜混合高温加热，产物分别用高氯酸镁和碱石灰吸收b.将待测物与金属钠混合熔融，再用水溶解观察溶液颜色c.将待测物直接在空气中点燃，观察火焰颜色和烟雾的浓烈程度d.将一根纯铜丝加热至红热，蘸上试样，放在火焰上灼烧，观察火焰颜色解析有机物分子中卤素的检验可采用钠融法和铜丝燃烧法。采用钠融法时卤素转化为卤化钠，在硝酸存在下与agno3溶液反应生成卤化银沉淀，据沉淀颜色可判断卤素种类；铜丝燃烧法简便易行，若蘸上试样的铜丝灼烧时火焰为绿色，则证明存在卤素。答案d6.下列分子中含有手性碳原子的是()解析手性碳原子连接四个不同的原子或原子团。只有c项符合。答案c7.1h核磁共振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1h核磁共振谱图中坐标的位置(化学位移，符号为)也就不同。现有一物质的1h核磁共振谱如图所示，则它可能是()a.ch3ch2ch3 b.ch3ch2ch2ohc.(ch3)2chch3 d.ch3ch2cho解析在1h核磁共振谱图中，由峰的个数即可推知有几种化学环境不同的氢原子，从图中可知有4种环境不同的氢原子。分析选项可得a项有2种，b项有4种，c项有2种，d项有3种。答案b8.下列四幅谱图是结构简式为ch3ch2oh、ch3och3、ch3ch2ch2oh和的核磁共振氢谱，其中属于ch3ch2ch2oh的谱图是()解析ch3ch2ch2oh分子中有4种不同化学环境的氢原子，在其核磁共振氢谱中应有4个吸收峰。答案a9.某有机化合物6.4 g，完全燃烧时，测得生成8.8 g co2和7.2 g h2o，无其他物质生成。该化合物中碳、氢原子个数比为_，该有机物的最简式为_，该有机物的相对分子质量为32，其分子式为_，若该有机物分子中含有官能团羟基，该有机物的结构简式为_，在核磁共振氢谱中出现_组峰，其峰面积之比为_。如果用含氧的同位素18o的乙醇与乙酸作用，可发现，所生成的_分子里含有18o原子，这说明酯化反应的过程一般是：羧酸分子中_与醇分子中_结合成水，其余部分互相结合成酯，乙酸乙酯中_(填“含有”或“不含有”)手性碳原子。答案14ch4och4och3oh两31乙酸乙酯羟基羟基中的氢原子不含有10.利用核磁共振技术测定有机物分子的三维结构的研究获得了2002年诺贝尔化学奖。在有机物分子中，不同位置的氢原子的核磁共振氢谱中给出的峰值(信号)也不同，根据峰值(信号)可以确定有机物分子中氢原子的种类和数目。(1)下列分子中，其核磁共振氢谱中只有一种峰(信号)的物质是_。a.ch3ch3 b.ch3cooh c.ch3cooch3 d.ch3coch3(2)化合物a和b的分子式都是c2h4br2，a的核磁共振氢谱如下图所示，则a的结构简式为_，请预测b的核磁共振氢谱上有_个峰(信号)。解析(1)核磁共振氢谱中只有一种峰，表明分子中只有一种氢原子，a、d项中有机物分子中只有一种氢原子；b项和c项分子中各有两种氢原子。(2)a的核磁共振氢谱中只有一个峰，表明a分子中只有一种氢原子，所以a的结构简式为；b的结构简式为ch3chbr2，有两种氢原子，因此其核磁共振氢谱中有两个峰。答案(1)ad(2) 2能力提升11.核磁共振谱(nmr)可用于研究有机物的结构，在所研究的化合物分子中，每一结构中的等效氢原子在nmr谱中都给出了相应的峰(信号)。nmr谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比。例如，乙醛的结构简式为ch3cho，其nmr谱中有两个信号，其强度之比为31。分子式为c3h6o2的化合物，在nmr谱上观察到的氢原子给出的峰有两种情况：第一种情况峰的强度比为33，请写出其对应化合物的结构简式_；第二种情况峰的强度比为321，请写出该化合物的可能的结构简式_。解析分子式为c3h6o2，第一种情况峰的强度比是33，我们可以知道有两种类型的氢原子，而且两种类型氢原子个数比为33，因此该物质应为；第二种情况峰的强度比为321，可知共有三种类型的氢原子，氢原子个数比为321，由此得出和两种结构简式符合要求。答案 12.为测定某化合物a的结构，进行如下实验。第一步，分子式的确定：(1)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 co2，消耗氧气6.72 l(标准状况下)，则该物质中各元素的原子个数比是_。(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量为46，则该物质的分子式是_。(3)根据价键理论