高中化学 知识导学 第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物 第2节 有机化合物结构的测定学案 （答案不全）鲁科版选修5（通用）

第2节有机化合物结构的测定案例探究 有机化合物结构测定方法的发展 有机化合物结构测定方法的发展在有机化学的发展历史上起了非常重要的作用。例如，19世纪上半叶，盖吕萨克 ( JGayLussac ) 、贝采里乌斯 ( JJBerzelius ) 、李比希 ( JLiebig ) 等先驱者创建了有机元素定量分析方法以来，使有机化学正式成为一门新的科学；20世纪初，普瑞格 ( FPregl ) 创立有机微量分析方法以后，对于一些含量极微的天然有机化合物进行研究才成为可能；20世纪50年代马丁 ( ATPMartin ) 和辛吉 ( PLMSynge ) 创建纸上色谱和气相色谱等方法，为分析氨基酸和蛋白质结构提供了有力的工具，使得蛋白质化学取得了突破性的进展。 思考: 你知道如何对有机化合物进行结构测定吗？自学导引 一、测定有机化合物结构的流程答案元素组成相对分子质量官能团及碳骨架状况 二、确定有机化合物的元素组成 1. 碳、氢元素质量分数的测定 最常用的是 _ 分析法。将样品置于 _ 中燃烧，燃烧后生成的 _ 和 _ 分别用碱液或吸水剂吸收，称重后即可分别计算出样品中碳、氢元素的质量分数。当然，碳、氢元素的含量也可以利用 _ 分析方法测定。 2. 氮元素质量分数的测定 将样品通入 _ 气流中，在 _ 的催化下燃烧生成 _ ，并借助二氧化碳气流将生成的气体赶出，经KOH浓溶液吸收二氧化碳气体后，测得剩余气体的体积，即可计算出样品中氮元素的质量分数。 3. 卤素质量分数的测定 将样品与 _ 溶液及 _ 混合加热，此时卤素原子转变为 _ ，并与AgNO3溶液作用产生 _ 沉淀。根据沉淀的量，即可计算出样品中卤素的质量分数。答案1. 燃烧氧气流二氧化碳水仪器2. 二氧化碳氧化铜氮气3. AgNO3浓硝酸卤素离子卤化银 三、测定有机化合物的相对分子质量 1. 理想气体状态方程 _ = _ 式中，R = _ Pam3mol-1K-1 2. 测定有机化合物相对分子质量的方法 方法1: 计算法 利用特定装置测出一定质量的某种有机物蒸气的温度、压强和体积，然后根据理想气体状态方程进行计算。 M = _ 方法2: 使用 _ 进行测定 质谱记录了有机化合物分子失去1个电子而成为带正电荷离子的 _ 大小，其中最大的 _ 就是有机化合物的相对分子质量。答案1. PV = n RT8.3142. 质谱法质量离子质量 四、确定有机化合物结构式的流程 测定有机化合物的结构，关键步骤是判定分子的 _ 及典型的 _ 性质，进而确定分子中所含的 _ 及其所处的位置。答案不饱合度化学官能团化学键官能团 五、有机化合物分子不饱和度的计算 1. 不饱和度 ( )的概念 不饱和度也叫缺氢指数，与饱和有机物相比，分子中每减少 _ 个H原子，即称该分子具有1个不饱和度，即 = 1。 2. 几种常见官能团的不饱和度化学键不饱和度化学键不饱和度一个碳碳双键一个碳碳叁键一个羰基一个苯环一个脂环一个氰基 3. 有机化合物分子不饱和度的计算 _ 其中 n c为碳原子数； nH 为氢原子数。在计算不饱和度时，若有机化合物分子中含有卤素原子，可将其视为氢原子；若含有氧、硫原子，可不予考虑；若含有氮、磷原子，就在氢原子总数中减去氮或磷原子数。 = _ 答案1.22. 1214123. = nc + 1 - 六、确定有机化合物的官能团 1. 实验确定法官能团种类试剂判断依据碳碳双键或碳碳叁键溴的四氯化碳溶液KMnO4酸性溶液卤素原子AgNO3和浓硝酸的混合液醇羟基钠酚羟基FeCl3溶液溴水醛 基银氨溶液新制氢氧化铜悬浊液羧 基NaHCO3溶液硝 基( NO2 )( NH4 ) 2Fe(SO4)2溶液、硫酸以及KOH的甲醇溶液1分钟内溶液由_色变_色氰 基( CN )稀碱水溶液，加热 2. 仪器确定法 实际上，用化学方法来确定有机化合物结构的工作有时是相当复杂的，由于科学技术的发展，近代有机化合物结构的测定工作已大为改观。现代物理测试方法和仪器的出现，使人们能通过紫外光谱 ( UV ) 、红外光谱 ( IR ) 及核磁共振谱 ( NMR ) 等快速准确地确定有机化合物分子的结构。答案1. ( 从上至下 ) 红棕色褪去紫色褪去有沉淀产生有氢气放出显色有白色沉淀产生有银镜生成有砖红色沉淀产生有二氧化碳气体放出淡绿色红棕色氨气疑难剖析 一、有机物组成元素的测定规律 【例1】 某有机物在氧气中充分燃烧，生成水蒸气和CO2的物质的量之比为11，由此可以得出的结论是( ) A. 该有机物分子中C、H、O原子个数比为 123 B. 分子中C、H原子个数比为12 C. 有机物中必定含有氧 D. 有机物中必定不含有氧 思路分析: 由于 n (CO2) n (H2O) = 11， 所以 N (C) N (H) = 12。 而该有机物分子中是否含O原子及所含O原子的多少却不能确定。故A、C、D都不正确。 答案: B 思维启示: 烃和烃的含氧衍生物完全燃烧，产物都是CO2和H2O。 CxHy + ( x + ) O2 xCO2 + H2O CxHyOz + ( x + - ) O2 xCO2 + H2O 二、有机物相对分子质量的测定方法 方法1: 根据 = = 得: M=Vm 方法2: 根据 pV = nRT = RT 得: M = 方法3: 根据 = 得: M1 = M2 方法4: 混合气体的平均相对分子质量: M混 = M11 + M22 + 【例2】 某课外活动小组利用下图所示装置测定有机物A的相对分子质量。 测量结果为: 样品质量1.48 g，温度计示数 162 ，容器内气体体积为1160 mL。则该有机物的相对分子质量为 _ 。 思路分析: 因为 pV = nRT = RT 所以M = = = 0.046 kgmol-1 =46 gmol-1 答案: 46 思维启示: 用公式 pV = nRT 进行计算时需将各量的单位换算成国际单位制单位，否则不能根据 R = 8. 314 Pam3mol-1K-1进行计算。最后还需将kgmol-1化为 gmol-1。应该注意的是在国际单位制中，摩尔质量的单位是 kgmol -1 ,而非gmol -1。 三、根据相对分子质量和元素质量分数确定分子式 若已知某烃的含氧衍生物A的相对分子质量为 Mr ( A ) ，碳元素的质量分数为 a %，氢元素的质量分数为 b %，氧元素的质量分数为 c %。 方法1: 直接计算分子中碳原子、氢原子、氧原子个数，确定分子式。 N ( C ) = N ( H ) = N ( O ) = 方法2:先计算分子中碳、氢、氧原子个数比，求出实验式，再结合该烃的衍生物的相对分子质量，确定分子式。计算原子个数比的方法: N ( C ) N ( H ) N ( O ) = 【例3】 某烃中， m ( C ) m ( H ) = 61 ，其实验式为 _ ，若它的相对分子质量为28，则其分子式为 _ ；若它的相对分子质量为70，则其分子式为 _ 。 思路分析: ( 1 ) 有机物中C、H物质的量之比为: = 其实验式为CH2。 ( 2 ) 设分子式为 ( CH2 )n 14n = 28 n = 2 分子式为C2H4。 ( 3 ) 若14 n = 70，则 n = 5。 分子式为C5H10。 答案: CH2C2H4C5H10 思维启示: 分子式是实验式的整数倍。 四、有机物结构式的确定 1. 物质的结构决定物质的性质，物质的性质又反映其结构特点。确定物质的结构，主要是利用物质所具有的特殊性质来确定该物质具有的特殊结构，即主要确定该物质的官能团。 2. 确定有机物结构简式的一般步骤 ( 1 ) 根据分子式写出它可能具有的同分异构体。 ( 2 ) 利用该物质的性质推测其含有的官能团，最后确定所写同分异构的一般结构。 【例4】 一定质量的某苯的同系物A完全燃烧，若将产物通入足量的澄清石灰水，得到白色沉淀20 g；若用足量碱石灰吸收燃烧产物，增重11.32 g。物质A有5种可能的一溴代物，经足量高锰酸钾酸性溶液处理得一种酸性有机物B ( 分子式为C8H6O4 ) ，B只能有一种一硝化产物。 ( 1 ) 燃烧产物中水的质量为 _ 。 ( 2 ) A的分子式为 _ 。 ( 3 ) A的结构简式为 _ 。 思路分析: ( 1 ) n ( C ) = n ( CaCO3 ) = = 0.2 mol 所以 m ( CO2 ) = 0.2 mol 44 gmol-1 = 8.8 g 所以 m ( H2O ) = 11.32 g-8.8 g = 2.52 g ( 2 ) 根据题给信息分析B的结构简式为 而A中 n ( C ) n ( H ) = 0.2 2 = 1014 所以A的分子式为C10H14 结构简式为 答案: ( 1 ) 2.52 g( 2 ) C10H14 ( 3 ) 思维启示: 根据分子式确定有机物的结构简式时，首先利用该物质的性质推测含有的官能团，最后还要考虑有机物的同分异构体。拓展迁移 拓展点一: 有机物分子式确定的基本方法 1. 直接法 直接求出1 mol气体中各元素的物质的量，即可推出分子式。如给出一定条件下的密度 ( 或相对密度 ) 及各元素质量比 ( 或百分比 ) ，求算分子式途径为: 密度 ( 或相对密度 ) 摩尔质量1 mol气体中含各元素原子多少摩尔分子式。 2. 实验式法 根据分子式是实验式的整数倍，因此用相对分子质量及实验式确定分子式。求实验式的技巧为: 若不能处理成实验单整数比时，应用较小的数作为除数，将一项变为1，若另一项不是整数时，再同时扩大一定的倍数，即找出实验式。 3. 余数法 ( 1 ) 用烃的相对分子质量除以14，视商数和余数不同而判定。 ( 2 ) 若烃的类别不能确定，可用相对分子质量除以12看商数和余数。即 = x 余 y ，分子式为CxHy。 4. 方程式法 利用燃烧反应方程式，要抓住以下关键: ( 1 ) 气体的体积变化； ( 2 ) 气体的压强变化； ( 3 ) 气体的密度变化； ( 4 ) 混合气体的平均相对分子质量，同时可结合适当的方法，如平均值法、十字交叉法、讨论法等技巧可速解有机物的分子式。 拓展点二: 有机物分子式的确定 1. 有机物组成元素的判断 一般来说，有机物完全燃烧后，各元素对应产物为: CCO2，HH2O，ClHCl。某有机物完全燃烧后若产物只有CO2和H2O，则其组成元素可能为C、H或C、H、O。欲判定该有机物中是否含氧元素，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；否则，原有机物的组成含氧。 2. 实验式 ( 最简式 ) 和分子式的区别与联系 ( 1 ) 实验式是表示化合物分子所含各元素的原子数目最简单整数比的式子，不能确切表明分子中的原子个数。 注意: 实验式是一种表示物质组成的化学用语；无机物的实验式一般就是化学式；有机物的结构复杂，种类繁多，具有实验式的物质往往不止一种；实验式相同的物质，所含各元素的质量分数是相同的，若相对分子质量不同，其分子式就不同。例如，苯 ( C6H6 ) 和乙炔 ( C2H2 ) 的实验式相同，均为CH，故它们所含C、H元素的质量分数是相同的。 ( 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。 注意: 分子式是表示物质组成的化学用语；无机物的分子式一般就是化学式；由于有机物中存在同分异构现象，故分子式相同的有机物，其代表的物质有多种；分子式= ( 实验式 )n。 3. 确定分子式的方法 ( 1 ) 实验式法由各元素的质量分数求各元素的原子个数之比 ( 实验式 ) 相对分子质量求分子式。 ( 2 ) 物质的量关系法由密度或其他条件求摩尔质量求1 mol分子中所含各元素原子的物质的量求分子式。 ( 3 ) 化学方程式法利用化学方程式求分子式。 ( 4 ) 燃烧通式法利用通式和相对分子质量求分子式。 CxHy+ ( x + ) O2 xCO2 + H2O CxHyOz + ( x + - ) O2 xCO2 + H2O 由于 x、y、z 相对独立，借助通式进行计算，解出 x、y、z ，最后求出分子式。 4. 分子式的确定途径 拓展点三: 不饱和度的应用 1. 利用不饱和度记通式 ( 1 ) 烃的通式为CnH2n + 2 2 ( n = 1，2，3， = 0，1，2，3 ) ( 2 ) 烃的含氧衍生物的通式为CnH2n + 2 - 2Om ( n、m = 1,2,3,= 0,1,2,3 ) 2. 利用不饱和度求H原子数 由CnH2n+2-2 或 CnH2n+2-2 Om ( n、m = 1,2, 3, = 0,1,