2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 第三章 有機(jī)合成及其應(yīng)用 合成高分子化合物 第2節(jié) 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的測定學(xué)案 魯科版選修5.doc

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第2節(jié)　有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的測定 1．掌握有機(jī)物分子式的確定方法。(重點(diǎn)) 2．掌握簡單有機(jī)物分子不飽和度的確定方法。(重點(diǎn)) 3．熟練掌握各種官能團(tuán)的檢驗(yàn)方法。(重難點(diǎn)) 有 機(jī) 化 合 物 分 子 式 的 確 定 [基礎(chǔ)初探] 1．測定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的流程 (1)核心步驟：測定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的核心步驟是確定分子式，檢測分子中所含的官能團(tuán)及其在碳骨架上的位置。 (2)流程示意圖 2．有機(jī)化合物分子式的確定 (1)要確定有機(jī)化合物的分子式，首先要知道該物質(zhì)由哪些元素組成，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，必要時還要測量其相對分子質(zhì)量。 (2)元素組成的測定方法 ①碳、氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定——燃燒分析法 ②氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 ③鹵素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 ④氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計算 氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝100%－其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和 (3)有機(jī)化合物相對分子質(zhì)量的測定 ①通過實(shí)驗(yàn)測定有關(guān)數(shù)據(jù)計算相對分子質(zhì)量。 ②用質(zhì)譜儀測定有機(jī)物的相對分子質(zhì)量。 (1)只要通過定性分析得到有機(jī)物的元素組成，即可確定有機(jī)物的分子式。 (　　) (2)只根據(jù)有機(jī)物完全燃燒生成CO2和H2O，不能確定該有機(jī)物一定為烴。(　　) (3)可用質(zhì)譜儀測定有機(jī)物的相對分子質(zhì)量。(　　) (4)含氯有機(jī)物樣品中加入硝酸酸化的硝酸銀溶液后，會有白色沉淀產(chǎn)生。 (　　) 【提示】　(1)　(2)√　(3)√　(4) [核心突破] 1．確定有機(jī)物分子式的基本方法 2.確定有機(jī)物分子式的其他方法 (1)通式法 類別 通式 相對分子質(zhì)量 烷烴 CnH2n＋2 Mr＝14n＋2(n≥1) 烯烴、環(huán)烷烴 CnH2n Mr＝14n(烯烴，n≥2)，Mr＝14n(環(huán)烷烴，n≥3) 炔烴、二烯烴 CnH2n－2 Mr＝14n－2(炔烴，n≥2； 二烯烴，n≥4) 苯及其同系物 CnH2n－6 Mr＝14n－6(n≥6) 飽和一元醇 CnH2n＋2O Mr＝14n＋2＋16 飽和一元醛 CnH2nO Mr＝14n＋16 飽和一元酸及酯 CnH2nO2 Mr＝14n＋32 (2)商余法 用烴(CxHy)的相對分子質(zhì)量除以14，看商數(shù)和余數(shù)。 ①＝n……2，該烴分子式為CnH2n＋2。 ②＝n……0，該烴分子式為CnH2n。 ③＝n……12，該烴分子式為CnH2n－2。 ④＝n……8，該烴分子式為CnH2n－6。 (Mr：相對分子質(zhì)量　　n：分子式中碳原子的數(shù)目) (3)化學(xué)方程式法 利用有機(jī)反應(yīng)中反應(yīng)物、生成物之間“量”的關(guān)系求分子式的方法。 利用燃燒反應(yīng)的化學(xué)方程式，由題給條件并依據(jù)下列燃燒通式所得CO2和H2O的量求解x、y、z。 CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O、 CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O。 【特別提醒】　 有些有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式中，氫原子已達(dá)到飽和，則該有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式即為分子式。如CH4、CH3Cl、C2H6O。 [題組沖關(guān)] 題組1　有機(jī)物最簡式(或?qū)嶒?yàn)式)的確定 1．某有機(jī)物在氧氣中充分燃燒，生成的CO2和H2O的物質(zhì)的量之比為1∶2，則下列說法中正確的是 (　　) A．分子中C、H、O個數(shù)比為1∶2∶3 B．分子中C、H個數(shù)比為1∶4 C．分子中含有氧元素 D．此有機(jī)物的最簡式為CH4 【解析】　由n(CO2)∶n(H2O)＝1∶2僅能得出n(C)∶n(H)＝1∶4，不能確定是否含O。 【答案】　B 2．某氣態(tài)有機(jī)物X含C、H、O三種元素，已知下列條件，現(xiàn)欲確定X的分子式，所需的最少條件是(　　) ①X中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)?、赬中含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)?、踃在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積　④質(zhì)譜法確定X的相對分子質(zhì)量?、軽的質(zhì)量 A．①②　　　　　　　 B．①②④ C．①②⑤ D．③④⑤ 【解析】　由C、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)可推出O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可確定X的實(shí)驗(yàn)式，由相對分子質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)式即可確定X的分子式。 【答案】　B 3．A是一種含碳、氫、氧三種元素的有機(jī)化合物。已知：A中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.1%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.82%，那么A的實(shí)驗(yàn)式是(　　) A．C5H12O4　　　　　 B．C5H12O3 C．C4H10O4 D．C5H10O4 【解析】　n(C)∶n(H)∶n(O)＝∶∶＝5∶12∶4，所以實(shí)驗(yàn)式為C5H12O4。 【答案】　A 題組2　有機(jī)物分子式的確定 4．某化合物由碳?xì)鋬煞N元素組成，其中含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.7%，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，11.2 L此氣態(tài)化合物的質(zhì)量為14 g，則該化合物的分子式為 (　　) A．C2H4　 B．C2H6　　 C．C3H6　 D．C4H8 【解析】　由已知條件可以求出該化合物的摩爾質(zhì)量： M＝＝28 gmol－1， 由含碳量及含氫量可知： N(C)＝≈2， N(H)＝≈4， 所以分子式為C2H4。 【答案】　A 5．若1 mol某氣態(tài)烴CxHy完全燃燒，需消耗3 mol O2，則(　　) A．x＝2，y＝2　　　　 B．x＝2，y＝4 C．x＝3，y＝6 D．x＝3，y＝8 【解析】　由烴CxHy燃燒通式CxHy＋O2xCO2＋H2O知，1 mol烴燃燒需 mol O2，將各選項(xiàng)代入即可求得。 【答案】　B 6．將有機(jī)物完全燃燒，生成CO2和H2O。將12 g該有機(jī)物的完全燃燒產(chǎn)物通過濃H2SO4，濃H2SO4增重14.4 g，再通過堿石灰，堿石灰增重26.4 g。則該有機(jī)物的分子式為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：04290055】 A．C4H10 B．C2H6O C．C3H8O D．C2H4O2 【解析】　n(H2O)＝＝0.8 mol，n(CO2)＝＝0.6 mol，該有機(jī)物中m(H)＝20.8 mol1 g/mol＝1.6 g，m(C)＝0.6 mol12 g/mol＝7.2 g，因m(H)＋m(C)<12 g，所以該有機(jī)物中含有氧元素，則有機(jī)物中氧元素的物質(zhì)的量為： n(O)＝＝0.2 mol。則n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.6∶(0.82)∶0.2＝3∶8∶1，因此看出氫原子已飽和，故有機(jī)物的分子式為C3H8O。 【答案】　C 7．為測定一種氣態(tài)烴的化學(xué)式，取一定量的A置于密閉容器中燃燒，定性實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)物是CO2、CO和水蒸氣。學(xué)生甲、乙設(shè)計了如下兩個方案，均認(rèn)為根據(jù)自己的方案能求出A的最簡式。他們測得的有關(guān)數(shù)據(jù)如下(圖中的箭頭表示氣體的流向，實(shí)驗(yàn)前系統(tǒng)內(nèi)的空氣已排除)： 甲方案： 燃燒產(chǎn)物增重增重生成CO2 　　　　　　　2.52g　　　1.32g　　1.76g 乙方案： 燃燒產(chǎn)物增重減輕增重 　　　　　 　5.6g　　　　0.64g　　　4g 試回答： (1)根據(jù)兩方案，你認(rèn)為能否求出A的最簡式(填“能”或“不能”)? 甲方案：________；乙方案：________。 (2)請根據(jù)你選出的方案，通過計算求出A的最簡式(實(shí)驗(yàn)式)： ____________________________________________________________ ____________________________________________________________。 (3)若要確定A的化學(xué)式，是否還需要測定其他數(shù)據(jù)？如果需要，應(yīng)該測定哪些數(shù)據(jù)？如果不需要，說出理由/ 【解析】　(1)乙方案中將燃燒產(chǎn)物通過堿石灰時，二氧化碳和水蒸氣都被吸收，不能求出碳、氫元素的物質(zhì)的量之比，所以不能求出A的最簡式。(2)甲方案中將燃燒產(chǎn)物先通過濃硫酸，水蒸氣被吸收，通過堿石灰時，二氧化碳被吸收，點(diǎn)燃時CO反應(yīng)生成二氧化碳，可以求出碳、氫元素的物質(zhì)的量之比，所以能求出A的最簡式。(3)確定有機(jī)化合物的化學(xué)式時，除了知道最簡式外，還應(yīng)該知道相對分子質(zhì)量。特殊的，當(dāng)有機(jī)化合物的最簡式中氫原子數(shù)達(dá)到飽和時，則最簡式即為分子式。 【答案】　(1)能　不能 (2)氫元素的物質(zhì)的量為n(H)＝2＝0.28 mol，碳元素的物質(zhì)的量為n(C)＝＝0.07 mol， n(C)∶n(H)＝0.07∶0.28＝1∶4， 所以A的最簡式為CH4 (3)因只有甲烷的最簡式為CH4，其氫原子數(shù)已達(dá)飽和，所以不需要再測其他數(shù)據(jù) 【規(guī)律總結(jié)】　　利用實(shí)驗(yàn)式確定分子式步驟 N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝a∶b∶c(最簡整數(shù)比)，則最簡式為CaHbOc，分子式為(CaHbOc)n，n＝。 有機(jī)物結(jié)構(gòu)式的確定 [基礎(chǔ)初探] 1．確定有機(jī)物結(jié)構(gòu)式的流程 2．有機(jī)化合物分子不飽和度的計算 (1)計算公式 分子的不飽和度＝n(C)＋1－。 (2)常見官能團(tuán)的不飽和度 化學(xué)鍵 不飽和度 化學(xué)鍵 不飽和度 一個碳碳雙鍵 1 一個碳碳叁鍵 2 一個羧基 1 一個苯環(huán) 4 一個酯基 1 一個氰基 2 3.確定有機(jī)化合物的官能團(tuán) (1)常見官能團(tuán)的化學(xué)檢驗(yàn)方法 官能團(tuán)種類 試劑 判斷依據(jù) 碳碳雙鍵或 碳碳叁鍵 溴的四氯化碳溶液 紅棕色溶液退色 酸性KMnO4溶液 紫色溶液退色 鹵素原子 NaOH溶液(加熱)、AgNO3和稀硝酸混合液 有沉淀產(chǎn)生 醇羥基 鈉 有氫氣放出 酚羥基 FeCl3溶液 顯色 濃溴水 有白色沉淀產(chǎn)生 醛基 銀氨溶液(水浴) 有銀鏡生成 新制Cu(OH)2懸濁液(加熱) 有磚紅色沉淀產(chǎn)生 羧基 NaHCO3溶液 有CO2放出 (2)物理測試方法 現(xiàn)代物理測試方法和儀器的出現(xiàn)，使人們能夠通過紫外光譜(UV)、紅外光譜(IR)和核磁共振譜(NMR)等快速準(zhǔn)確地確定有機(jī)化合物分子的結(jié)構(gòu)。 (1)某有機(jī)物能和Na2CO3溶液反應(yīng)，則一定含有－COOH。(　　) (2)C6H14的不飽和度為0。(　　) (3)有機(jī)化合物分子中插入氧原子對不飽和度沒有影響。(　　) (4)在有機(jī)物樣品中加入酸性KMnO4溶液，紫色退去，說明有機(jī)物中一定含有碳碳雙鍵或叁鍵。(　　) 【提示】　(1)　(2)√　(3)√　(4) [核心突破] 1．由分子式確定有機(jī)物結(jié)構(gòu)式的一般步驟 2．確定有機(jī)物結(jié)構(gòu)式的方法 (1)根據(jù)價鍵規(guī)律確定：某些有機(jī)物根據(jù)價鍵規(guī)律只存在一種結(jié)構(gòu)，則直接根據(jù)分子式確定其結(jié)構(gòu)式。例如C2H6，只能為CH3CH3。 (2)通過定性實(shí)驗(yàn)確定 實(shí)驗(yàn)→有機(jī)物表現(xiàn)的性質(zhì)及相關(guān)結(jié)論→官能團(tuán)→確定結(jié)構(gòu)式。如能使溴的四氯化碳溶液退色的有機(jī)物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液退色卻能使酸性高錳酸鉀溶液退色的可能是苯的同系物等。 (3)通過定量實(shí)驗(yàn)確定 ①通過定量實(shí)驗(yàn)確定有機(jī)物的官能團(tuán)，如乙醇結(jié)構(gòu)式的確定；②通過定量實(shí)驗(yàn)確定官能團(tuán)的數(shù)目，如1 mol某醇與足量鈉反應(yīng)可得到1 mol氣體，則可說明該醇分子中含2個－OH。 (4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的有機(jī)物的結(jié)構(gòu)片段“組裝”有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)測得的往往不是完整的有機(jī)物，這就需要我們根據(jù)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)規(guī)律，如價鍵規(guī)律、性質(zhì)和量的規(guī)律等來對其進(jìn)行“組裝”和“拼湊”。 (5)可用紅外光譜、核磁共振氫譜確定有機(jī)物中的官能團(tuán)和各類氫原子數(shù)目，確定結(jié)構(gòu)式。 [題組沖關(guān)] 題組1　有機(jī)物不飽和度及官能團(tuán)的確定 1．下列化合物分子，其不飽和度為4的是(　　) 【解析】　據(jù)不飽和度＝n(C)＋1－可知A～D四項(xiàng)分子的不飽和度分別為5、3、1、4。 【答案】　D 2．烴分子中若含有雙鍵、叁鍵或單鍵的環(huán)，氫原子數(shù)就少，分子就不飽和，亦即具有一定的“不飽和度”。其數(shù)值可表示為：不飽和度＝雙鍵數(shù)＋環(huán)數(shù)＋叁鍵數(shù)2，則有機(jī)物的不飽和度為(　　) A．8　　　　　　　　　　 B．7 C．6 D．5 【解析】該有機(jī)物中含有四個雙鍵、一個叁鍵、兩個環(huán)，故不飽和度為8。 【答案】　A 3．據(jù)報道，化學(xué)家合成了一種分子式為C200H200、含多個的鏈狀烴，該分子中含的數(shù)目最多可以是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：04290056】 A．98個 B．102個 C．50個 D．101個 【解析】　飽和鏈烴通式為CnH2n＋2，分子中每增加一個碳碳雙鍵，則減少兩個氫原子，C200H200分子中比200個碳原子的飽和烴少202個氫原子，所有分子中最多可能有101個碳碳雙鍵。 【答案】　D 4．分子式為C5H7Cl的有機(jī)物，其結(jié)構(gòu)不可能是(　　) A．分子中只有一個雙鍵 B．分子中可能有兩個雙鍵 C．分子中可能含有一個叁鍵 D．分子中可能含有一個雙鍵和一個環(huán) 【解析】　C5H7Cl不飽和度Ω＝5＋1－＝2。所以B、C、D均可能。 【答案】　A 5．某芳香族有機(jī)化合物的分子式為C8H6O2，它的分子(除苯環(huán)外不含其他環(huán))中不可能有(　　) A．兩個羥基 B．一個醛基 C．兩個醛基 D．一個羧基 【解析】　 由該有機(jī)化合物的分子式可求出不飽和度為6，分子中有一個苯環(huán)，其不飽和度為4，余下2個不飽和度、2個碳原子和2個氧原子。具有2個不飽和度的基團(tuán)組合可能有三種情況：①兩個碳原子形成1個、兩個氧原子形成2個羥基，均分別連在苯環(huán)上；②兩個碳原子形成1個羰基、1個醛基，相互連接；③兩個碳原子形成2個醛基，分別連在苯環(huán)上。三種情況中氧原子數(shù)目都為2；而選項(xiàng)D中，1個羧基的不飽和度僅為1，氧原子數(shù)目已為2，羧基和苯環(huán)上的C的價鍵已飽和，都不能與剩下的1個碳原子以鍵結(jié)合，故選D。 【答案】　D 題組2　有機(jī)物結(jié)構(gòu)簡式的確定 6．下列有機(jī)物分子在核磁共振氫譜中只給出一種信號的是(　　) A．HCHO B．CH3OH C．HCOOH D．CH3COOCH3 【解析】　甲醛的結(jié)構(gòu)為，其分子中只有一種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子，而CH3OH、HCOOH、CH3COOCH3分子中均有兩種氫原子。 【答案】　A 7．某化合物由碳、氫、氧三種元素組成，其紅外光譜圖中有C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵的振動吸收，該有機(jī)物的相對分子質(zhì)量是74，則該有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式是(　　) A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH(OH)CH3 C．CH3CH2CH2CH2OH D．CH3CH2CHO 【解析】　A項(xiàng)中無O—H鍵，故錯誤；B的相對分子質(zhì)量為60，故錯誤；D選項(xiàng)中無C—O鍵，故錯誤。 【答案】　C 8．某含氧有機(jī)化合物可以作為無鉛汽油的抗爆震劑，其相對分子質(zhì)量為88.0，含C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.682，含H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.136，其余為O。 (1)試確定該化合物的分子式。 (2)經(jīng)紅外光譜和核磁共振氫譜顯示，該分子中有4個甲基。請寫出其結(jié)構(gòu)簡式。 【解析】　(1)(實(shí)驗(yàn)式法)該化合物中 ω(O)＝1.000－0.682－0.136＝0.182，N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈5∶12∶1。 設(shè)該化合物的分子式為(C5H12O)n，則 (125＋112＋16)n＝88.0，解得n＝1 該有機(jī)物的分子式為C5H12O。 (2)(殘基法)由于該有機(jī)物分子中有4個甲基，除去這4個甲基外，還有1個C和1個O。所以，該有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)簡式為。 【答案】　(1)C5H12O (2) 9．燃燒30.6 g醫(yī)用膠的單體樣品，實(shí)驗(yàn)測得生成70.4 g CO2、19.8 g H2O、2.24 L N2(已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況)。 (1)確定實(shí)驗(yàn)式： ①計算各元素的物質(zhì)的量： n(CO2)＝＝1.6 mol，n(C)＝________________mol； n(H2O)＝＝1.1 mol，n(H)＝________________mol； n(N2)＝＝0.1 mol，n(N)＝________________mol； n(O)＝＝________________mol。 ②確定實(shí)驗(yàn)式：n(C)∶n(H)∶n(N)∶n(O)＝____________，則實(shí)驗(yàn)式為________。 (2)確定分子式：該化合物的分子式為 (C8H11NO2)n，結(jié)合由質(zhì)譜分析法測定出該樣品的相對分子質(zhì)量為153.0，則n＝＝____________，則該化合物的分子式為________。 (3)推導(dǎo)結(jié)構(gòu)式 ①計算不飽和度：不飽和度＝n(C)＋1－＝8＋1－＝4。因此分子中可能有一個苯環(huán)或者是叁鍵、雙鍵等的結(jié)合。 ②用化學(xué)方法推測分子中的官能團(tuán)： a．加入溴的四氯化碳溶液，紅棕色退去，說明可能含有________________或__________________。 b．加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液，無明顯變化，說明不含有－NO2。 c．加入稀堿水溶液并加熱，有氨氣放出，說明含有氰基。 ③推測樣品分子的碳骨架結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)在碳鏈上的位置：樣品分子核磁共振氫譜圖和核磁共振碳譜圖提示： ④確定結(jié)構(gòu)簡式：綜上所述，醫(yī)用膠單體的結(jié)構(gòu)簡式為 ____________________________________________________________。 【答案】　(1)①1.6　2.2　0.2　0.4?、?∶11∶1∶2　C8H11NO2 (2)1　C8H11NO2 (3)②　 ④CH2===C(CN)－COO CH2 CH2 CH2 CH3