1.2.2有机化合物分子式和分子结构的确定

1.2.2有机化合物分子式和分子结构的确定【学习目标】1、学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，并能据此确定有机化合物的分子式2、能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构【主干知识梳理】一、有机化合物实验式和分子式的确定 1、确定实验式——元素分析(1)相关概念①实验式：有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，又称为最简式如：乙酸的分子式为C2H4O2，实验式为CH2O②元素分析分类定性分析——确定有机物的元素组成定量分析——确定有机物的实验式含义用化学方法测定有机物分子的元素组成。如：燃烧后，一般C生成CO2、H生成H2O、N生成N2、S生成SO2、Cl生成HCl将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物，并定量测定各产物的质量，从而推算出有机物中各组成元素的质量分数，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，确定其实验式(2)实验式的测定步骤(李比希法)(3)实验式(最简式)与分子式的关系：分子式＝(最简式)n【例题】某种含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%。则：①计算该有机化合物中氧元素的质量分数：(O)=100%—52.2%—13.1%=34.70%②计算该有机化合物分子内各元素原子的个数比：N(C)∶N(H)∶N(O)==2∶6∶1③该未知物A的实验式为C2H6O2、确定分子式——质谱法(1)原理：质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。如下图为某有机物的质谱图：(2)相对分子质量确定：质谱图中最右侧的分子离子峰或质荷比最大值表示样品中分子的相对分子质量(3)示例说明：下图是某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图，由此可确定该未知物的相对分子质量为463、有机物相对分子质量的求算方法(1)标态密度法：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：(4)读图法：质谱图中，质荷比最大值即为该有机物的相对分子质量4、有机物分子式的确定方法(1)实验式法：由各元素的质量分数→各元素的原子个数之比(实验式)分子式(2)直接法：根据有机物各元素的质量分数和有机物的摩尔质量(相对分子质量)直接求出1mol有机物中各元素原子的物质的量(3)方程式法：根据有机物的燃烧通式及消耗O2的量(或生成产物的量)，通过计算确定出有机物的分子式利用燃烧反应方程式时，要抓住以下关键：①气体体积变化；②气体压强变化；③气体密度变化；④混合物平均相对分子质量等。同时可结合适当方法，如：平均值法、十字交叉法、讨论法等技巧来速解有机物的分子式。常用的化学方程式有：CxHy＋(x＋eq\f(y,4))O2xCO2＋eq\f(y,2)H2O；CxHyOz＋(x＋eq\f(y,4)－eq\f(z,2))O2xCO2＋eq\f(y,2)H2O。(4)通式法：物质的性质等→类别及组成通式(如CnH2n)n值→分子式。(5)商余法：对于烃(CxHy)，可用相对分子质量除以12，看商和余数。即：=x…y，所得商的整数部分就是烃分子中所含碳原子的最大值，余数则为所含氢原子的最小值二、有机物分子结构的确定——波谱分析1、红外光谱(1)原理：当用红外线照射有机物分子时，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的位置(2)作用：可以初步判断有机物中含有何种化学键或官能团(3)实例：分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构：CH3CH2OH或CH3OCH3，利用红外光谱来测定，分子中有O—H或—OH可确定A的结构简式为CH3CH2OH2、核磁共振氢谱(1)原理：处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，相应的信号在谱图上出现的位置不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比(2)作用：测定有机物分子中氢原子的类型和数目(3)分析：吸收峰数目＝氢原子的类型数，吸收峰面积比＝氢原子个数比(4)实例：分子式为C2H6O的有机物A的核磁共振氢谱如图，可知A中有3种不同化学环境的氢原子且个数比为3∶2∶1，可推知该有机物的结构应为CH3CH2OH3、X射线衍射(1)原理：X射线是一种波长很短(约10－10m)的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图(2)作用：可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，将X射线衍射技术用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息【微点拨】①红外光谱可以测量出化学键或官能团的种类，但不能测出化学键或官能团的个数②核磁共振氢谱中吸收峰的数目代表的是氢原子的种类而非氢原子的个数4、确定有机物分子结构的方法(1)根据价键规律确定：某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构式如：C2H6，只能是CH3CH3(2)通过定性实验确定：根据分子式写出其可能的同分异构体→根据定性实验确定其可能存在的官能团→确定结构式如：能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有双键或三键，烃A分子式为C3H6且能使溴的四氯化碳溶液褪色，其结构简式为CH3—CH=CH2(3)通过定量实验确定①通过定量实验确定有机物的官能团②通过定量实验确定官能团的数目。如：实验测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体，则可说明1个该醇分子中含2个—OH(4)根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律，如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼合”(5)根据有机物的结构特点判断①烃B的分子式为C8H18，其一氯代烃只有一种，其结构简式是②实验式分别为CH3、CH3O的有机物的结构简式分别为CH3CH3、HOCH2CH2OH、CH3OCH2OH(6)确定有机物结构的物理方法①红外光谱法：初步判断有机物中含有的官能团或化学键②核磁共振氢谱法：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，不同氢原子个数比＝不同吸收峰面积比【课堂练习】1、某化合物6.2g在氧气中完全燃烧，只生成8.8gCO2和5.4gH2O。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∶2C．该有机物的分子式为C2H6D．该化合物中一定含有氧元素2、能够快速、微量、精确地测定相对分子质量的物理方法是()A．质谱法B．红外光谱法C．元素分析法 D．核磁共振氢谱法3、某有机物质量为8.80g，完全燃烧后得到CO222.0g、H2O10.8g，该有机物的蒸气密度是相同状况下H2密度的44倍，则该有机物的分子式为()A．C5H6OB．C5H12C．C5H12O2D．C5H12O4、设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关)，则该有机物可能是()A．甲醇(CH3OH)B．甲烷C．丙烷 D．乙烯5、经测定，咖啡因分子中各元素的质量分数是：碳49.5%、氢5.1%、氧16.5%、氮28.9%，且其相对分子质量为194，则咖啡因的分子式为________6、有机物A是烃的含氧衍生物，在同温同压下，A蒸气的质量是同体积乙醇蒸气的2倍。1.38gA完全燃烧后，将燃烧产物通过碱石灰，碱石灰的质量增加3.06g。若将燃烧后的产物通过浓硫酸，浓硫酸的质量增加1.08g。试通过计算确定A的分子式。7、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．核磁共振氢谱8、某有机物A的分子式为C4H10O，红外光谱图如图所示，则A的结构简式为()A．CH3CH2OCH2CH3B．CH3OCH2CH2CH3C．CH3CH2CH2CH2OH D．(CH3)2CHOCH39、在核磁共振氢谱中出现两组峰，且峰面积之比为3∶2的化合物是()10、已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中不正确的是()A．由红外光谱可知，该有机物分子中至少有三种不同的化学键B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同的氢原子C．仅由核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数D．若A的分子式为C3H8O，则其结构简式可能为11、某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图有C—H、O—H、C—O的振动吸收，该有机物的相对分子质量是60，其核磁共振氢谱只有3组峰，则该有机物的结构简式是()A．CH3CH2OCH3B．CH3CH(OH)CH3C．CH3CH2CH2OH D．CH3CH2CHO【有机化合物分子式和分子结构的确定】答案【课堂练习】1、D。解析：n(CO2)＝0.2mol，n(C)＝n(CO2)＝0.2mol，m(C)＝0.2mol×12g·mol－1＝2.4g；n(H2O)＝0.3mol，n(H)＝2n(H2O)＝0.6mol，m(H)＝0.6g；n(C)∶n(H)＝0.2mol∶0.6mol＝1∶3；m(C)＋m(H)＝2.4g＋0.6g＝3.0g＜6.2g，所以该化合物中一定含有氧元素，其质量为6.2g－3.0g＝3.2g，其物质的量n(O)＝eq\f(3.2,16g·mol－1)＝0.2mol。n(C)∶n(H)∶n(O)＝1∶3∶1，实验式为CH3O，无法确定其分子式。2、A3、D。解析：该有机物的蒸气密度是相同条件下氢气密度的44倍，则该有机物的相对分子质量为2×44＝88,8.80g有机物的物质的量为eq\f(8.80g,88g·mol－1)＝0.1mol,22.0gCO2的物质的量为eq\f(22.0g,44g·mol－1)＝0.5mol,10.8g水的物质的量为eq\f(10.8g,18g·mol－1)＝0.6mol，故1个分子中C原子数目为eq\f(0.5mol,0.1mol)＝5，H原子数目为eq\f(0.6mol×2,0.1mol)＝12，分子中C、H的相对原子质量之和为12×5＋12＝72，故1个该有机物分子中还含1个氧原子，则该有机物的分子式为C5H12O，故选D。4、B。解析：从题图中可看出其右边最高质荷比为16，是H＋质荷比的16倍，即其相对分子质量为16，为甲烷。5、C8H10O2N46、C3H8O3解析：A蒸气的质量是同体积乙醇蒸气的2倍，即：相同条件下A的密度是乙醇密度的2倍，则A的相对分子质量为46×2＝92。1.38gA完全燃烧后，生成水的质量＝1.08g，物质的量＝eq\f(1.08g,18g·mol－1)＝0.06mol；生成CO2的质量＝3.06g－1.08g＝1.98g，物质的量＝eq\f(1.98g,44g·mol－1)＝0.045mol；1.38gA的物质的量为eq\f(1.38g,92g·mol－1)＝0.015mol；则有机物A分子中：C原子数目＝eq\f(0.045mol,0.015mol)＝3、H原子数目＝eq\f(0.06mol×2,0.015mol)＝8、O原子数目＝eq\f(92－12×3－8,16)＝3，故有机物A的分子式为C3H8O3。7、A。解析：红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。8、A。解析：红外光谱图中显示存在对称的甲基、对称的亚甲基和醚键可得分子的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。9、D。解析：A中有2种氢原子，个数比为3∶1；B中据对称分析有3种氢原子，个数比为3∶1∶1；