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基礎課時4　有機物分子式和分子結構的確定
學習目標　1.學會測定有機化合物元素含量、相對分子質量的一般方法,并能據此確定有機化合物的分子式。2.能夠根據化學分析和波譜分析確定有機化合物的結構。
一、確定實驗式和分子式　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知識梳理
1.確定實驗式
(1)定量分析原理
將一定量的有機化合物燃燒,轉化為簡單的無機物,并進行定量測定,通過無機物的質量推算出該有機化合物所含各元素的質量分數,然后計算出該有機化合物分子內各元素原子的最簡整數比,確定其實驗式,也稱最簡式。
(2)實驗式的測定方法(李比希法)
2.確定分子式
(1)確定相對分子質量——質譜法
①原理:質譜儀用高能電子流等轟擊樣品,使有機分子失去電子,形成帶正電荷的分子離子和碎片離子等。這些離子因質量不同、電荷不同,在電場和磁場中的運動行為不同。計算機對其進行分析后,得到它們的相對質量與電荷數的比值,即質荷比。
②質譜圖:以質荷比為橫坐標,以各類離子的相對豐度為縱坐標,根據記錄結果所建立的坐標圖。如圖為某有機化合物的質譜圖:
從圖中可知,該有機物的相對分子質量為46,即質荷比最大的數據就是樣品分子的相對分子質量。
(2)確定分子式
在確定了物質的實驗式(最簡式)和相對分子質量之后,就可進一步確定其分子式。
計算依據:分子式是實驗式的整數倍。
(二)互動探究
某含碳、氫、氧三種元素的有機化合物X,經燃燒分析實驗測定其碳的質量分數是64.86%,氫的質量分數是13.51%,且該有機化合物的質譜圖如下。
【問題討論】
問題1　怎樣計算有機化合物X的實驗式
提示　由題意可知,氧的質量分數為1-64.86%-13.51%=21.63%,各元素原子個數比:N(C)∶N(H)∶N(O)=∶∶≈4∶10∶1,故該有機化合物的實驗式為C4H10O。
問題2　根據質譜圖分析有機化合物X的相對分子質量,并分析確定其分子式。
提示　實驗式的相對分子質量為74,觀察該有機化合物的質譜圖,質荷比最大的數值為74,所以其相對分子質量為74,則該有機化合物的分子式為C4H10O。
問題3　有機物的實驗式和分子式有何異同
提示　實驗式也叫“最簡式”,表示最簡單的原子個數比,而分子式表明了一個分子中的所含各元素原子的個數,有些物質的實驗式和分子式相同,如CH4。
【探究歸納】　有機物分子式確定“四”步走
1.(2024·湖北武漢經濟技術開發區第一中學高二期中)某化學小組同學利用如圖裝置測定有機化合物中元素C、H、O的質量比,將質量為m的CxHyOz樣品放入石英管中加熱使其充分反應,實驗結束后,U形管c、d的質量增重分別為m1、m2。
下列說法錯誤的是 (　　)
A.開始實驗時,依次點燃酒精噴燈b、a
B.實驗測得元素C、H的質量比為27m2∶22m1
C.若調換裝置c和d,則無法達成實驗目的
D.若加熱前未先通入一段時間氧氣會導致測得氧元素的質量分數偏小
答案　B
解析　由實驗裝置圖可知,a處發生的反應為有機物在加熱條件下與氧氣反應生成碳的氧化物和水,裝置b處氧化銅與一氧化碳反應生成二氧化碳,裝置c為水蒸氣的吸收測定裝置,裝置d為二氧化碳的吸收測定裝置,該裝置的缺陷為沒有吸收空氣中水蒸氣和二氧化碳的裝置,會導致實驗誤差。
為使有機物不完全燃燒生成的二氧化碳完全轉化為被堿石灰吸收的二氧化碳,實驗開始時,應依次點燃酒精噴燈b、a,A正確;裝置c為水蒸氣的吸收測定裝置,裝置d為二氧化碳的吸收測定裝置,則實驗測得碳、氫元素的質量比為(×12)∶(×2×1)=27m2∶11m1,B錯誤;裝置c為水蒸氣的吸收測定裝置,裝置d為二氧化碳的吸收測定裝置,若調換裝置c和d,則堿石灰會吸收二氧化碳和水蒸氣,無法測得反應生成二氧化碳和水蒸氣的質量,無法達成實驗目的,C正確;若加熱前未先通入一段時間氧氣排盡裝置中的空氣,實驗測得水蒸氣和二氧化碳的質量均偏高,會導致測得氧元素的質量分數偏小,D正確。
2.為了測定有機物M的分子式,取5.8 g M與一定量的O2置于一密閉容器中燃燒,定性實驗表明產物是CO2、CO和水蒸氣,測得的有關數據如下(箭頭表示氣流的方向,實驗前系統內的空氣已排盡):
該有機物M的分子式可能是 (　　)
A.C3H6O B.C2H4O2
C.CH2O2 D.C4H8
答案　A
解析　燃燒產物通入濃硫酸中增重5.4 g即水的質量為5.4 g,物質的量為0.3 mol,通入濃氫氧化鈉溶液中,增重8.8 g即二氧化碳質量為8.8 g,物質的量為0.2 mol,通入濃硫酸中干燥,根據CO+CuOCO2+Cu,灼熱氧化銅質量減少1.6 g即CuO物質的量為0.1 mol,則CO物質的量為0.1 mol,則m(C)=0.3 mol×12 g·mol-1=3.6 g,m(H)=0.6 mol×1 g·mol-1=0.6 g,則m(O)= 5.8 g-3.6 g-0.6 g=1.6 g,則氧原子物質的量=0.1 mol,因此n(C)∶n(H)∶n(O)=0.3 mol∶0.6 mol∶0.1 mol=3∶6∶1,A符合題意。
3.實驗測得某碳氫化合物A中,碳的質量分數為80%,氫的質量分數為20%,該化合物的實驗式為　　　　。又測得該化合物的相對分子質量是30,該化合物的分子式為　　　　。
答案　CH3　C2H6
解析　N(C)∶N(H)=∶=1∶3,該化合物的實驗式是CH3。又因為該化合物的相對分子質量為30,所以該化合物的分子式是C2H6。
二、確定分子結構　　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知識梳理
1.紅外光譜
原理 有機化合物受到紅外線照射時,能吸收與它的某些化學鍵或官能團的振動頻率相同的紅外線,通過紅外光譜儀的記錄形成紅外光譜圖。
作用 可獲得有機化合物分子中所含有的化學鍵或官能團的信息。
實例 上圖中可找到C—O、C—H和O—H的吸收峰,因此可推知該有機化合物是含有羥基官能團的化合物。
2.核磁共振氫譜
原理 處于不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同,相應的信號在譜圖中出現的位置也不同,而且吸收峰的面積與氫原子數成正比。
作用 測定有機化合物分子中氫原子的類型和數目
分析 吸收峰數目=氫原子類型,吸收峰面積比=處于不同化學環境的氫原子數目之比。如CH3CH2OH的吸收峰面積比=3∶2∶1。
3.X射線衍射
(1)原理:X射線與晶體中的原子相互作用可產生衍射圖。經過計算可以獲得鍵長、鍵角等分子結構信息。
(2)應用:X射線衍射已成為物質結構測定的一種重要技術。1975年,我國科學家通過X射線衍射測定了青蒿素的分子結構。
(二)互動探究
有機物X是一種重要的有機合成中間體,可用于制造塑料、涂料等。為研究X的組成與結構,進行了如下實驗:
【問題討論】
問題1　有機物X的質譜圖如圖所示,該有機物X的相對分子質量是多少
提示　100。質譜圖中質荷比最大數值即為相對分子質量,由質譜圖可知有機物X的相對分子質量為100。
問題2　將10.0 g X在足量O2中充分燃燒,并將其產物依次通過足量的無水CaCl2和KOH濃溶液,發現無水CaCl2增重7.2 g,KOH濃溶液增重22.0 g。請確定該有機物X的分子式。
提示　C5H8O2。無水CaCl2增重的7.2 g是水的質量,氫原子的物質的量為×2=0.8 mol,KOH濃溶液增重的22.0 g是二氧化碳的質量,碳原子的物質的量為=0.5 mol,根據質量守恒,氧原子的質量為10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,則氧原子的物質的量為=0.2 mol,則該分子中碳、氫、氧原子的個數之比為 0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,結合X的相對分子質量可知,有機物X的分子式為C5H8O2。
問題3　經紅外光譜測定,有機物X中含有醛基;有機物X的核磁共振氫譜圖上有2組吸收峰,峰面積之比為3∶1。請寫出該有機物X的結構簡式。
提示　(CH3)2C(CHO)2。經紅外光譜測定,有機物X中含有醛基,有機物X的核磁共振氫譜圖上有2組吸收峰,則分子中含有2種不同化學環境的氫原子,其中一種是醛基中的氫原子,又因為峰面積之比為3∶1,則含兩個醛基,故其結構簡式為(CH3)2C(CHO)2。
【探究歸納】　分子結構確定的一般步驟
4.(2024·河北省月考)現代分析儀器對有機物M的分子結構進行測定,相關結果如下:
有關M的說法不正確的是 (　　)
A.根據圖1信息,M的相對分子質量應為74
B.根據圖1、圖2信息,推測M的分子式是C4H10O
C.根據圖1、圖2、圖3信息,可確定M屬于醛類有機物
D.根據圖1、圖2、圖3信息,M分子內有三種化學環境不同的H,個數比為6∶3∶1
答案　C
解析　圖1中最大質荷比為74,因此M的相對分子質量為74,A正確;圖2可知M中含有烷基與醚鍵,則其通式可表示為CnH2n+2O,因此14n+2+16=74,解得n=4,故其分子式為C4H10O,B正確;由圖2可知M屬于醚類,結合分子式C4H10O,可確定M是一元醚,C錯誤;由圖3可知M中含有3種類型的氫原子,并且個數比為6∶3∶1,D正確。
5.(2024·安徽六安裕安區新安中學高二期中)青蒿素是我國科學家從傳統中藥中發現能治療瘧疾的有機化合物,其分子結構如下圖所示,它可用單官能團有機溶劑A從中藥中提取。
(1)青蒿素的分子式為　　　　。借助李比希法確定有機溶劑A的實驗式(最簡式)。利用如圖所示的裝置測定有機化合物A的組成,取4.4 g A與足量氧氣充分燃燒,實驗結束后,高氯酸鎂的質量增加3.6 g,堿石棉的質量增加8.8 g。裝置圖中氧化銅的作用是　　　　。
(2)使用現代分析儀器對有機化合物A的分子結構進行測定,相關結果如下:
①根據圖1,A的相對分子質量為　　　　。
②根據圖2,推測A可能所屬有機化合物的類別　　　　,分子式為　　　　。
③根據以上結果和圖3(三組峰的面積比為3∶3∶2),推測A的結構簡式可能為　　　　。(寫出一種即可)
答案　(1)C15H22O5　使碳元素完全轉化為CO2
(2)①88　②酯　C4H8O2　③CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3
解析　(1)青蒿素的分子式為C15H22O5;裝置圖中氧化銅能使可能存在不完全燃燒生成的CO完全轉化為CO2,故氧化銅的作用是使碳元素完全轉化為CO2;(2)①根據圖1中信息得到A的相對分子質量為88;②取4.4 g A(物質的量為0.05 mol)與足量氧氣充分燃燒,實驗結束后,高氯酸鎂的質量增加3.6 g(水的物質的量為0.2 mol),堿石棉的質量增加8.8 g(二氧化碳物質的量為0.2 mol),則根據質量守恒得到A中碳氫關系為C4H8,相對分子質量小于88,說明還含有氧,則分子式C4H8Ox,根據相對分子質量為88得到分子式為C4H8O2,根據圖2,含有碳氧雙鍵,還含有碳氧單鍵和甲基,則推測A可能所屬有機化合物的類別酯,分子式為C4H8O2;③含有不對稱的甲基,分子式為C4H8O2,有三組峰的面積比為3∶3∶2,推測A的結構簡式為CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3。
6.某有機物A只含C、H、O三種元素,具有解毒、降脂等藥效,用作飲品。經化學分析如下:
① 相對分子質量為134
② 13.4 g A充分燃燒,吸水劑增重9 g,二氧化碳吸收劑增重22 g
③ 13.4 g A分別與足量Na、足量NaHCO3反應放出3.36 L H2、2.24 L CO2(氣體體積均在標準狀況下測定)
(1)A的分子式是　　　　。
(2)結合數據分析1個A分子中有　　　　個羥基。
答案　(1)C5H10O4　(2)2
解析　(1)吸水劑增重9 g為H2O的質量,則n(H)=2n(H2O)=2×=2×=1 mol,二氧化碳吸收劑增重22 g,則n(C)=n(CO2)===0.5 mol,由質量守恒可得n(O)×16 g/mol+0.5×12 g+1×1 g=13.4 g,解得n(O)=0.4 mol,則n(C)∶n(H)∶n(O)=0.5∶1∶0.4=5∶10∶4,A的分子式是C5H10O4;(2)n(A)===0.1 mol,n(H2)===0.15 mol,n(CO2)===0.1 mol,0.1 mol A與足量NaHCO3放出0.1 mol CO2說明A中有1個羧基,0.1 mol A與足量Na反應產生0.15 mol H2說明還有2個羥基。
　　　　　　　　　　　　　　　　A級　合格過關練
選擇題只有1個選項符合題意
(一)分子式的確定
1.某有機化合物在氧氣中充分燃燒,生成的水蒸氣和CO2的物質的量之比為1∶1,由此得出的結論是 (　　)
A.該有機化合物分子中C、H、O原子個數比為1∶2∶3
B.分子中C、H原子個數比為1∶2
C.有機化合物中必定含有氧
D.有機化合物中一定不含氧
答案　B
解析　有機物的質量未知,無法判斷有機物中是否含有O元素;CO2和水的物質的量比為1∶1,根據原子守恒可知,有機物分子中碳、氫原子個數比為1∶2。
2.喜樹中含有一種被稱為喜樹堿的生物堿,這種堿的相對分子質量在300~400之間,實驗分析得知其元素組成為C占69.0%、O占18.4%,且O含量為H的4倍,其余為N,則一個喜樹堿分子中含有的原子總數為 (　　)
A.42 B.43
C.44 D.45
答案　A
解析　由O占18.4%,且O含量為H的4倍,則H元素的含量為4.6%,N元素的含量為1-69%-4.6%-18.4%=8%,則該物質中C、H、O、N的原子個數比為∶∶∶=10∶8∶2∶1,則該物質的化學式為(C10H8O2N)n,又堿的相對分子質量在300~400之間,300<(12×10+1×8+16×2+14)×n<400,則n=2符合,即物質的化學式為C20H16O4N2,則1個分子中含有20+16+4+2=42個原子,故選A。
3.(2024·福建寧德第一中學高二月考)將有機物完全燃燒,生成CO2和H2O。將12 g該有機物的完全燃燒產物通過濃硫酸,濃硫酸增重14.4 g,再通過堿石灰,堿石灰增重26.4 g。則該有機物的分子式為 (　　)
A.C4H10 B.C2H6O2
C.C3H8O D.C2H4O2
答案　C
解析　濃硫酸增重可知水的質量為14.4 g,可計算出n(H2O)==0.8 mol,n(H)=1.6 mol,m(H)=1.6 g;使堿石灰增重26.4 g,可知二氧化碳質量為26.4 g,n(C)=n(CO2)==0.6 mol,m(C)=7.2 g,m(C)+m(H)=8.8 g,有機物的質量為12 g,所以有機物中氧的質量為3.2 g,n(O)==0.2 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=0.6 mol∶1.6 mol∶0.2 mol=3∶8∶1,即實驗式為C3H8O,由于C3H8O中碳原子已經飽和,所以分子式也為C3H8O。
4.某化合物6.4 g在氧氣中完全燃燒,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列說法正確的是 (　　)
A.該化合物僅含碳、氫兩種元素
B.該化合物中碳、氫原子個數比為1∶8
C.無法確定該化合物是否含有氧元素
D.該化合物實驗式為CH4O
答案　D
解析　某化合物6.4 g在氧氣中完全燃燒,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,n(CO2)=0.2 mol,n(H2O)=0.4 mol,根據元素守恒,6.4 g該化合物中含有0.2mol C、0.8 mol H,根據質量守恒定律,該化合物中含有O的物質的量為=0.2 mol。根據以上分析,該化合物含碳、氫、氧三種元素,A錯誤;6.4 g該化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H,碳、氫原子個數比為1∶4,B錯誤;6.4 g該化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H、0.2 mol O,該化合物實驗式為CH4O,D正確。
(二)分子結構的確定
5.(2024·廣東東莞高二月考)有機化合物的定性、定量分析會用到多種化學儀器,下列關于化學儀器的說法不正確的是 (　　)
A.質譜儀可以確定有機化合物的相對分子質量
B.醋酸的晶體結構可以通過X射線衍射法確定
C.紅外光譜儀可以檢測有機化合物的官能團
D.質譜儀常用來確定有機物的分子式
答案　D
解析　質譜法是近代發展起來的快速、微量、精確測定相對分子質量的方法,A正確;醋酸的晶體結構可以通過X射線衍射法確定,B正確;不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同,在紅外光譜圖上將處于不同位置,從而可以獲得分子中含有何種化學鍵或官能團,C正確; 質譜儀可以確定有機化合物的相對分子質量,而不是分子式,D錯誤。
6.(2024·江蘇南師大附中高二期末)某有機化合物有碳、氫、氧三種元素組成,其紅外光譜圖有C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵的振動吸收,該有機物的相對分子質量是60,則該有機物的結構簡式是 (　　)
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH2CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2OH D.HCOOCH3
答案　C
解析　有機物CH3CH2OCH3的相對分子質量為60,含有C—H鍵、C—O鍵,但不含有O—H鍵,A不符合題意;CH3CH2CH(OH)CH3的相對分子質量為74,B不符合題意;CH3CH2CH2OH的相對分子質量為60,分子中含有C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵,C符合題意;HCOOCH3的相對分子質量為60,含有C—H鍵、C—O鍵,但不含有O—H鍵,D不符合題意。
7.(2024·廣東東莞第十高級中學高二期中)按要求回答下列問題:
(1)研究有機物的方法有很多,常用的有①核磁共振氫譜 ②蒸餾 ③重結晶 ④萃取⑤紅外光譜 ⑥過濾。其中用于分子結構確定的有　　　　(填序號)
(2)下列物質中,其核磁共振氫譜中只有一個吸收峰的是　　　　(填字母)。
A.CH3CH3 B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3OCH3
(3)其含C、H、O三種元素的有機物,經燃燒分析實驗測定碳的質量分數是64.86%,氫的質量分數是13.51%。
①如下圖是該有機物甲的質譜圖,則其相對分子質量為　　　　,分子式為　　　　。
②確定甲的官能團:通過實驗可知甲中一定含有羥基。
③確定甲的結構簡式:
a.經測定有機物甲的核磁共振氫譜如下圖1所示,則甲的結構簡式為　　　　。
b.若乙為甲的一種同分異構體,乙的紅外光譜如下圖2所示,則該有機物乙的結構簡式為　　　　。
答案　(1)①⑤　(2)AD
(3)①74　C4H10O
③C(CH3)3OH　CH3CH2OCH2CH3
解析　(1)在上述各種研究方法中,蒸餾、重結晶、萃取、過濾是有機物分離或提純的方法,核磁共振氫譜、紅外光譜常用于分子結構確定,答案選①⑤;(2)其核磁共振氫譜中只有一個吸收峰,說明有機物分子中只有一類氫原子, CH3CH3分子中只有一類氫原子,A正確;CH3COOH分子中含有兩類氫原子,B錯誤;CH3COOCH3分子中含有兩類氫原子,C錯誤;CH3OCH3分子中只有一類氫原子,D正確。(3)且設有機物質量為74 g,故n(C)∶n(H)∶n(O)=∶∶=4∶10∶1,故實驗式為C4H10O;①根據分析可知,甲的實驗式為C4H10O;根據質譜圖知,其相對分子質量是74,結合其實驗式知其分子式為C4H10O;③a.甲的核磁共振氫譜圖中出現2組峰,說明該結構中有2種氫原子,則結構簡式為C(CH3)3OH;b.乙為甲的一種同分異構體,乙的紅外光譜含有對稱—CH3,對稱—CH2—和C—O—C結構,故結構簡式為CH3CH2OCH2CH3,含有的官能團為醚鍵。
B級　素養培優練
8.某有機化合物的鍵線式及球棍模型如下:
該有機化合物分子的核磁共振氫譜圖如下(單位是ppm)。下列關于該有機化合物的敘述不正確的是 (　　)
A.該有機化合物中不同化學環境的氫原子有8種
B.該有機化合物屬于芳香族化合物
C.鍵線式中的Et代表的基團為—CH2CH3
D.該有機化合物的分子式為C9H12O4
答案　B
解析　根據該有機化合物的核磁共振氫譜圖及球棍模型判斷,不同化學環境的氫原子有8種,A正確;該有機化合物中不含苯環,所以不屬于芳香族化合物,B錯誤;根據該有機化合物的鍵線式和球棍模型判斷Et為乙基,C正確;根據該有機化合物的球棍模型可知,其分子式為C9H12O4,D正確。
9.(2024·陜西西安市鐵一中學高二月考)某學習小組研究某烴的含氧衍生物A的組成和結構,研究過程如下:稱取9 g A在足量氧氣中充分燃燒,并使產物依次緩緩通過濃硫酸、堿石灰,發現兩者分別增重5.4 g和13.2 g,對A進行波譜分析結果如圖。下列說法錯誤的是 (　　)
A.由質譜圖可知A的分子式為C3H6O3
B.結合紅外光譜和核磁共振氫譜可知A的結構簡式為CH3CH(OH)COOH
C.若取A和C2H6O的混合物1 mol進行燃燒實驗,該混合物完全燃燒消耗氧氣的物質的量取決于混合物中二組分的比例
D.B是A的位置異構體,則B在核磁共振氫譜中峰面積之比為2∶2∶1∶1
答案　C
解析　9 g A在足量氧氣中充分燃燒,并使其產物依次緩緩通過足量的濃硫酸和堿石灰,發現兩者分別增重5.4 g和13.2 g,說明完全燃燒生成水的質量為5.4 g,二氧化碳的質量為13.2 g,9 g A完全燃燒生成水的物質的量是==0.3 mol,9.0 g A完全燃燒生成二氧化碳的物質的量是==0.3 mol,n(O)===0.3 mol,所以A的實驗式為CH2O,通過質譜法測得A相對分子質量為90,設分子式為(CH2O)n,則(12+2+16)n=90,n=3,故A的分子式為C3H6O3。 根據紅外光譜知A中含有—OH和—COOH,由核磁共振氫譜可知,A中含有4種氫原子,其數目比為1∶1∶1∶3,故A的結構簡式為CH3CH(OH)COOH,B正確;A的分子式為C3H6O3,假設有機物的物質的量都為1 mol,混合物中的兩種有機物物質的量相同時,完全燃燒消耗的氧氣的物質的量相等,無論以何種物質的量的比例混合,完全燃燒消耗氧氣的量都為3 mol,C錯誤;B是A的位置異構體,則B為CH2(OH)CH2COOH,共有4種氫原子,個數比為2∶2∶1∶1,即B在核磁共振氫譜中峰面積之比為2∶2∶1∶1,D正確。
10.(2024·云南開遠市第一中學校高二月考)有機物M可從酸牛奶中提取。已知純凈的M為無色黏稠液體,易溶于水。研究M的組成與結構,進行了如下實驗:
實驗步驟 解釋或實驗結論
(1)稱取M 4.5 g,升溫使其汽化,測其密度是相同條件下H2的45倍。 試通過計算填空: (1)M的摩爾質量為　　　　。
(2)將此4.5 g M在足量純O2中充分燃燒,并使其產物依次緩緩通過濃硫酸、堿石灰,發現兩者分別增重2.7 g和6.6 g (2)M的分子式為　　　　。
(3)通過M的紅外光譜圖發現該分子中既有羥基,還有羧基 (3)寫出羥基電子式　　　　。
M的核磁共振氫譜如下圖: (4)M中含有　　　　種氫原子 (5)寫出M中所含官能團的名稱:　　　　。 (6)綜上所述,M的結構簡式為　　　　　。
答案　(1)90 g/mol　(2)C3H6O3　(3)·︰H　(4)4　(5)羥基和羧基　(6)
解析　(1)相同條件下,氣體的密度之比等于摩爾質量之比,所以摩爾質量是氫氣的45倍,M的摩爾質量是45×2 g/mol=90 g/mol;(2)4.5 g M在足量純O2中充分燃燒生成水、二氧化碳分別是2.7 g和6.6 g,則n(H2O)==0.15 mol,n(CO2)==0.15 mol,則4.5 g M中含C、H、O的物質的量分別為0.15 mol、0.15 mol×2=0.3 mol、
=0.15 mol ,C、H、O的物質的量之比為1∶2∶1,摩爾質量是90 g/mol,所以分子式為C3H6O3;(3)羥基的電子式·︰H;(4)根據M的核磁共振氫譜圖,可知M有4組峰,即有4種等效氫,比值為1∶1∶1∶3,通過M的紅外光譜圖發現該分子中既有羥基,還有羧基,結合分子式可知含有1個羥基,1個羧基;(5)綜上所述,M的結構簡式為。基礎課時4　有機物分子式和分子結構的確定
學習目標　1.學會測定有機化合物元素含量、相對分子質量的一般方法,并能據此確定有機化合物的分子式。2.能夠根據化學分析和波譜分析確定有機化合物的結構。
一、確定實驗式和分子式　　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知識梳理
1.確定實驗式
(1)定量分析原理
將一定量的有機化合物燃燒,轉化為簡單的無機物,并進行定量測定,通過無機物的質量推算出該有機化合物所含各元素的質量分數,然后計算出該有機化合物分子內各元素原子的最簡整數比,確定其實驗式,也稱最簡式。
(2)實驗式的測定方法(李比希法)
2.確定分子式
(1)確定相對分子質量——質譜法
①原理:質譜儀用高能電子流等轟擊樣品,使有機分子失去電子,形成帶正電荷的　　　　　　和碎片離子等。這些離子因質量不同、電荷不同,在電場和磁場中的運動行為不同。計算機對其進行分析后,得到它們的　　　　　　　　　的比值,即　　　　　　。
②質譜圖:以　　　　　　　　為橫坐標,以　　　　　　　　　　　　為縱坐標,根據記錄結果所建立的坐標圖。如圖為某有機化合物的質譜圖:
從圖中可知,該有機物的相對分子質量為　　　　,即　　　　　　　　的數據就是樣品分子的相對分子質量。
(2)確定分子式
在確定了物質的實驗式(最簡式)和相對分子質量之后,就可進一步確定其分子式。
計算依據:　　　　　　　　　　　　　　。
(二)互動探究
某含碳、氫、氧三種元素的有機化合物X,經燃燒分析實驗測定其碳的質量分數是64.86%,氫的質量分數是13.51%,且該有機化合物的質譜圖如下。
【問題討論】
問題1　怎樣計算有機化合物X的實驗式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題2　根據質譜圖分析有機化合物X的相對分子質量,并分析確定其分子式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題3　有機物的實驗式和分子式有何異同
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究歸納】　有機物分子式確定“四”步走
1.(2024·湖北武漢經濟技術開發區第一中學高二期中)某化學小組同學利用如圖裝置測定有機化合物中元素C、H、O的質量比,將質量為m的CxHyOz樣品放入石英管中加熱使其充分反應,實驗結束后,U形管c、d的質量增重分別為m1、m2。
下列說法錯誤的是(　　)
A.開始實驗時,依次點燃酒精噴燈b、a
B.實驗測得元素C、H的質量比為27m2∶22m1
C.若調換裝置c和d,則無法達成實驗目的
D.若加熱前未先通入一段時間氧氣會導致測得氧元素的質量分數偏小
2.為了測定有機物M的分子式,取5.8 g M與一定量的O2置于一密閉容器中燃燒,定性實驗表明產物是CO2、CO和水蒸氣,測得的有關數據如下(箭頭表示氣流的方向,實驗前系統內的空氣已排盡):
該有機物M的分子式可能是(　　)
A.C3H6O B.C2H4O2 C.CH2O2 D.C4H8
3.實驗測得某碳氫化合物A中,碳的質量分數為80%,氫的質量分數為20%,該化合物的實驗式為　　　　。又測得該化合物的相對分子質量是30,該化合物的分子式為　　　　。
二、確定分子結構　　　　　　　　　　　　　　　　
(一)知識梳理
1.紅外光譜
原理 有機化合物受到紅外線照射時,能吸收與它的某些化學鍵或官能團的振動頻率相同的紅外線,通過紅外光譜儀的記錄形成紅外光譜圖
作用 可獲得有機化合物分子中所含有的　　　　或　　　　　　的信息
實例 上圖中可找到C—O、C—H和O—H的吸收峰,因此可推知該有機化合物是含有　　　　　　官能團的化合物
2.核磁共振氫譜
原理 處于不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同,相應的信號在譜圖中出現的位置也不同,而且吸收峰的面積與　　　　　　成正比
作用 測定有機化合物分子中氫原子的類型和數目
分析 吸收峰數目=氫原子類型,吸收峰面積比=處于不同化學環境的氫原子數目之比。如CH3CH2OH的吸收峰面積比=　　　　　　　
3.X射線衍射
(1)原理:X射線與晶體中的原子相互作用可產生衍射圖。經過計算可以獲得鍵長、鍵角等分子結構信息。
(2)應用:X射線衍射已成為物質結構測定的一種重要技術。1975年,我國科學家通過X射線衍射測定了青蒿素的分子結構。
(二)互動探究
有機物X是一種重要的有機合成中間體,可用于制造塑料、涂料等。為研究X的組成與結構,進行了如下實驗:
【問題討論】
問題1　有機物X的質譜圖如圖所示,該有機物X的相對分子質量是多少
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題2　將10.0 g X在足量O2中充分燃燒,并將其產物依次通過足量的無水CaCl2和KOH濃溶液,發現無水CaCl2增重7.2 g,KOH濃溶液增重22.0 g。請確定該有機物X的分子式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題3　經紅外光譜測定,有機物X中含有醛基;有機物X的核磁共振氫譜圖上有2組吸收峰,峰面積之比為3∶1。請寫出該有機物X的結構簡式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究歸納】　分子結構確定的一般步驟
4.(2024·河北省月考)現代分析儀器對有機物M的分子結構進行測定,相關結果如下:
有關M的說法不正確的是(　　)
A.根據圖1信息,M的相對分子質量應為74
B.根據圖1、圖2信息,推測M的分子式是C4H10O
C.根據圖1、圖2、圖3信息,可確定M屬于醛類有機物
D.根據圖1、圖2、圖3信息,M分子內有三種化學環境不同的H,個數比為6∶3∶1
5.(2024·安徽六安裕安區新安中學高二期中)青蒿素是我國科學家從傳統中藥中發現能治療瘧疾的有機化合物,其分子結構如下圖所示,它可用單官能團有機溶劑A從中藥中提取。
(1)青蒿素的分子式為　　　　。借助李比希法確定有機溶劑A的實驗式(最簡式)。利用如圖所示的裝置測定有機化合物A的組成,取4.4 g A與足量氧氣充分燃燒,實驗結束后,高氯酸鎂的質量增加3.6 g,堿石棉的質量增加8.8 g。裝置圖中氧化銅的作用是　　　　　　　　。
(2)使用現代分析儀器對有機化合物A的分子結構進行測定,相關結果如下:
①根據圖1,A的相對分子質量為　　　　。
②根據圖2,推測A可能所屬有機化合物的類別　　　　,分子式為　　　　。
③根據以上結果和圖3(三組峰的面積比為3∶3∶2),推測A的結構簡式可能為　　　　　。(寫出一種即可)
6.某有機物A只含C、H、O三種元素,具有解毒、降脂等藥效,用作飲品。經化學分析如下:
① 相對分子質量為134
② 13.4 g A充分燃燒,吸水劑增重9 g,二氧化碳吸收劑增重22 g
③ 13.4 g A分別與足量Na、足量NaHCO3反應放出3.36 L H2、2.24 L CO2(氣體體積均在標準狀況下測定)
(1)A的分子式是　　　　。
(2)結合數據分析1個A分子中有　　　　個羥基。
:課后完成　第一章　基礎課時4
章末測評驗收卷(一)(共60張PPT)
基礎課時 　有機物分子式和分子結構的確定
4
第二節　研究有機化合物的一般方法
第一章　有機化合物的結構特點與研究方法
1.學會測定有機化合物元素含量、相對分子質量的一般方法,并能據此確定有機化合物的分子式。2.能夠根據化學分析和波譜分析確定有機化合物的結構。
學習目標
一、確定實驗式和分子式　
二、確定分子結構
目
錄
CONTENTS
課后鞏固訓練
一、確定實驗式和分子式
對點訓練
(一)知識梳理
1.確定實驗式
(1)定量分析原理
將一定量的有機化合物燃燒,轉化為簡單的無機物,并進行定量測定,通過無機物的質量推算出該有機化合物所含各元素的質量分數,然后計算出該有機化合物分子內各元素原子的最簡整數比,確定其實驗式,也稱最簡式。
(2)實驗式的測定方法(李比希法)
二氧
化碳
氧元素
2.確定分子式
(1)確定相對分子質量——質譜法
①原理:質譜儀用高能電子流等轟擊樣品,使有機分子失去電子,形成帶正電荷的_________和碎片離子等。這些離子因質量不同、電荷不同,在電場和磁場中的運動行為不同。計算機對其進行分析后,得到它們的　　　　　　　　　的比值,即　　　　　　。
②質譜圖:以　　　　　　　　為橫坐標,以　　　　　　　　　　　　為縱坐標,根據記錄結果所建立的坐標圖。如圖為某有機化合物的質譜圖:
分子離子
相對質量與電荷數
質荷比
質荷比
各類離子的相對豐度
從圖中可知,該有機物的相對分子質量為　　　　,即　　　　　　　　的數據就是樣品分子的相對分子質量。
(2)確定分子式
在確定了物質的實驗式(最簡式)和相對分子質量之后,就可進一步確定其分子式。
計算依據:　　　　　　　　　　　　　　。
46
質荷比最大
分子式是實驗式的整數倍
(二)互動探究
某含碳、氫、氧三種元素的有機化合物X,經燃燒分析實驗測定其碳的質量分數是64.86%,氫的質量分數是13.51%,且該有機化合物的質譜圖如下。
【問題討論】
問題1　怎樣計算有機化合物X的實驗式
提示　由題意可知,氧的質量分數為1-64.86%-13.51%=21.63%,各元素原子個數比:N(C)∶N(H)∶N(O)=∶∶≈4∶10∶1,故該有機化合物的實驗式為C4H10O。
問題2　根據質譜圖分析有機化合物X的相對分子質量,并分析確定其分子式。
提示　實驗式的相對分子質量為74,觀察該有機化合物的質譜圖,質荷比最大的數值為74,所以其相對分子質量為74,則該有機化合物的分子式為C4H10O。
問題3　有機物的實驗式和分子式有何異同
提示　實驗式也叫“最簡式”,表示最簡單的原子個數比,而分子式表明了一個分子中的所含各元素原子的個數,有些物質的實驗式和分子式相同,如CH4。
【探究歸納】　有機物分子式確定“四”步走
1.(2024·湖北武漢經濟技術開發區第一中學高二期中)某化學小組同學利用如圖裝置測定有機化合物中元素C、H、O的質量比,將質量為m的CxHyOz樣品放入石英管中加熱使其充分反應,實驗結束后,U形管c、d的質量增重分別為m1、m2。
下列說法錯誤的是(　　)
A.開始實驗時,依次點燃酒精噴燈b、a
B.實驗測得元素C、H的質量比為27m2∶22m1
C.若調換裝置c和d,則無法達成實驗目的
D.若加熱前未先通入一段時間氧氣會導致測得氧元素的質量分數偏小
B
解析　由實驗裝置圖可知,a處發生的反應為有機物在加熱條件下與氧氣反應生成碳的氧化物和水,裝置b處氧化銅與一氧化碳反應生成二氧化碳,裝置c為水蒸氣的吸收測定裝置,裝置d為二氧化碳的吸收測定裝置,該裝置的缺陷為沒有吸收空氣中水蒸氣和二氧化碳的裝置,會導致實驗誤差。
為使有機物不完全燃燒生成的二氧化碳完全轉化為被堿石灰吸收的二氧化碳,實驗開始時,應依次點燃酒精噴燈b、a,A正確;裝置c為水蒸氣的吸收測定裝置,裝置d為二氧化碳的吸收測定裝置,則實驗測得碳、氫元素的質量比為(×12)∶(×2×1)=27m2∶11m1,B錯誤;裝置c為水蒸氣的吸收測定裝置,裝置d為二氧化碳的吸收測定裝置,若調換裝置c和d,則堿石灰會吸收二氧化碳和水蒸氣,無法測得反應生成二氧化碳和水蒸氣的質量,無法達成實驗目的,C正確;若加熱前未先通入一段時間氧氣排盡裝置中的空氣,實驗測得水蒸氣和二氧化碳的質量均偏高,會導致測得氧元素的質量分數偏小,D正確。
2.為了測定有機物M的分子式,取5.8 g M與一定量的O2置于一密閉容器中燃燒,定性實驗表明產物是CO2、CO和水蒸氣,測得的有關數據如下(箭頭表示氣流的方向,實驗前系統內的空氣已排盡):
該有機物M的分子式可能是(　　)
A.C3H6O B.C2H4O2
C.CH2O2 D.C4H8
A
3.實驗測得某碳氫化合物A中,碳的質量分數為80%,氫的質量分數為20%,該化合物的實驗式為　　　　。又測得該化合物的相對分子質量是30,該化合物的分子式為　　　　。
CH3
C2H6
解析　N(C)∶N(H)=∶=1∶3,該化合物的實驗式是CH3。又因為該化合物的相對分子質量為30,所以該化合物的分子式是C2H6。
二、確定分子結構
對點訓練
(一)知識梳理
1.紅外光譜
原理 有機化合物受到紅外線照射時,能吸收與它的某些化學鍵或官能團的振動頻率相同的紅外線,通過紅外光譜儀的記錄形成紅外光譜圖
作用 可獲得有機化合物分子中所含有的　　　　或　　　　　　的信息
實例
上圖中可找到C—O、C—H和O—H的吸收峰,因此可推知該有機化合物是含有　　　　　　官能團的化合物
化學鍵
官能團
羥基
2.核磁共振氫譜
原理 處于不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同,相應的信號在譜圖中出現的位置也不同,而且吸收峰的面積與__________成正比
作用 測定有機化合物分子中氫原子的類型和數目
分析 吸收峰數目=氫原子類型,吸收峰面積比=處于不同化學環境的氫原子數目之比。如CH3CH2OH的吸收峰面積比=　　　　　　　
氫原子數
3∶2∶1
3.X射線衍射
(1)原理:X射線與晶體中的原子相互作用可產生衍射圖。經過計算可以獲得鍵長、鍵角等分子結構信息。
(2)應用:X射線衍射已成為物質結構測定的一種重要技術。1975年,我國科學家通過X射線衍射測定了青蒿素的分子結構。
(二)互動探究
有機物X是一種重要的有機合成中間體,可用于制造塑料、涂料等。為研究X的組成與結構,進行了如下實驗:
【問題討論】
問題1　有機物X的質譜圖如圖所示,該有機物X的相對分子質量是多少
提示　100。質譜圖中質荷比最大數值即為相對分子質量,由質譜圖可知有機物X的相對分子質量為100。
問題2　將10.0 g X在足量O2中充分燃燒,并將其產物依次通過足量的無水CaCl2和KOH濃溶液,發現無水CaCl2增重7.2 g,KOH濃溶液增重22.0 g。請確定該有機物X的分子式。
提示　C5H8O2。無水CaCl2增重的7.2 g是水的質量,氫原子的物質的量為×2=0.8 mol,KOH濃溶液增重的22.0 g是二氧化碳的質量,碳原子的物質的量為=0.5 mol,根據質量守恒,氧原子的質量為10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,則氧原子的物質的量為=0.2 mol,則該分子中碳、氫、氧原子的個數之比為 0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,結合X的相對分子質量可知,有機物X的分子式為C5H8O2。
問題3　經紅外光譜測定,有機物X中含有醛基;有機物X的核磁共振氫譜圖上有2組吸收峰,峰面積之比為3∶1。請寫出該有機物X的結構簡式。
提示　(CH3)2C(CHO)2。經紅外光譜測定,有機物X中含有醛基,有機物X的核磁共振氫譜圖上有2組吸收峰,則分子中含有2種不同化學環境的氫原子,其中一種是醛基中的氫原子,又因為峰面積之比為3∶1,則含兩個醛基,故其結構簡式為(CH3)2C(CHO)2。
【探究歸納】　分子結構確定的一般步驟
4.(2024·河北省月考)現代分析儀器對有機物M的分子結構進行測定,相關結果如下:
有關M的說法不正確的是(　　)
A.根據圖1信息,M的相對分子質量應為74
B.根據圖1、圖2信息,推測M的分子式是C4H10O
C.根據圖1、圖2、圖3信息,可確定M屬于醛類有機物
D.根據圖1、圖2、圖3信息,M分子內有三種化學環境不同的H,個數比為6∶3∶1
解析　圖1中最大質荷比為74,因此M的相對分子質量為74,A正確;圖2可知M中含有烷基與醚鍵,則其通式可表示為CnH2n+2O,因此14n+2+16=74,解得n=4,故其分子式為C4H10O,B正確;由圖2可知M屬于醚類,結合分子式C4H10O,可確定M是一元醚,C錯誤;由圖3可知M中含有3種類型的氫原子,并且個數比為6∶3∶1,D正確。
C
5.(2024·安徽六安裕安區新安中學高二期中)青蒿素是我國科學家從傳統中藥中發現能治療瘧疾的有機化合物,其分子結構如下圖所示,它可用單官能團有機溶劑A從中藥中提取。
(1)青蒿素的分子式為　　　　。借助李比希法確定有機溶劑A的實驗式(最簡式)。利用如圖所示的裝置測定有機化合物A的組成,取4.4 g A與足量氧氣充分燃燒,實驗結束后,高氯酸鎂的質量增加3.6 g,堿石棉的質量增加8.8 g。裝置圖中氧化銅的作用是　　　　　　　　　　　。
C15H22O5
使碳元素完全轉化為CO2
(2)使用現代分析儀器對有機化合物A的分子結構進行測定,相關結果如下:
①根據圖1,A的相對分子質量為　　　　。
②根據圖2,推測A可能所屬有機化合物的類別　　　　,分子式為　　　　。
88
酯
C4H8O2
③根據以上結果和圖3(三組峰的面積比為3∶3∶2),推測A的結構簡式可能為　　　　　　　　　　　　　　　　。(寫出一種即可)
CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3
解析　(1)青蒿素的分子式為C15H22O5;裝置圖中氧化銅能使可能存在不完全燃燒生成的CO完全轉化為CO2,故氧化銅的作用是使碳元素完全轉化為CO2;(2)①根據圖1中信息得到A的相對分子質量為88;②取4.4 g A(物質的量為0.05 mol)與足量氧氣充分燃燒,實驗結束后,高氯酸鎂的質量增加3.6 g(水的物質的量為0.2 mol),堿石棉的質量增加8.8 g(二氧化碳物質的量為0.2 mol),則根據質量守恒得到A中碳氫關系為C4H8,相對分子質量小于88,說明還含有氧,則分子式C4H8Ox,根據相對分子質量為88得到分子式為C4H8O2,根據圖2,含有碳氧雙鍵,還含有碳氧單鍵和甲基,則推測A可能所屬有機化合物的類別酯,分子式為C4H8O2;③含有不對稱的甲基,分子式為C4H8O2,有三組峰的面積比為3∶3∶2,推測A的結構簡式為CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3。
6.某有機物A只含C、H、O三種元素,具有解毒、降脂等藥效,用作飲品。經化學分析如下:
① 相對分子質量為134
② 13.4 g A充分燃燒,吸水劑增重9 g,二氧化碳吸收劑增重22 g
③ 13.4 g A分別與足量Na、足量NaHCO3反應放出3.36 L H2、2.24 L CO2(氣體體積均在標準狀況下測定)
(1)A的分子式是　　　　。
(2)結合數據分析1個A分子中有　　　　　個羥基。
C5H10O4
2
解析　(1)吸水劑增重9 g為H2O的質量,則n(H)=2n(H2O)=2×=2×=1 mol,二氧化碳吸收劑增重22 g,則n(C)=n(CO2)===0.5 mol,由質量守恒可得n(O)×16 g/mol+0.5×12 g+1×1 g=13.4 g,解得n(O)=0.4 mol,則n(C)∶n(H)∶n(O)=0.5∶1∶0.4=5∶10∶4,A的分子式是C5H10O4;(2)n(A)===0.1 mol,n(H2)===0.15 mol,n(CO2)===0.1 mol,0.1 mol A與足量NaHCO3放出0.1 mol CO2說明A中有1個羧基,0.1 mol A與足量Na反應產生0.15 mol H2說明還有2個羥基。
課后鞏固訓練
A級　合格過關練
選擇題只有1個選項符合題意
(一)分子式的確定
1.某有機化合物在氧氣中充分燃燒,生成的水蒸氣和CO2的物質的量之比為1∶1,由此得出的結論是(　　)
A.該有機化合物分子中C、H、O原子個數比為1∶2∶3
B.分子中C、H原子個數比為1∶2
C.有機化合物中必定含有氧
D.有機化合物中一定不含氧
B
解析　有機物的質量未知,無法判斷有機物中是否含有O元素;CO2和水的物質的量比為1∶1,根據原子守恒可知,有機物分子中碳、氫原子個數比為1∶2。
2.喜樹中含有一種被稱為喜樹堿的生物堿,這種堿的相對分子質量在300~400之間,實驗分析得知其元素組成為C占69.0%、O占18.4%,且O含量為H的4倍,其余為N,則一個喜樹堿分子中含有的原子總數為(　　)
A.42 B.43 C.44 D.45
解析　由O占18.4%,且O含量為H的4倍,則H元素的含量為4.6%,N元素的含量為1-69%-4.6%-18.4%=8%,則該物質中C、H、O、N的原子個數比為∶∶∶=10∶8∶2∶1,則該物質的化學式為(C10H8O2N)n,又堿的相對分子質量在300~400之間,300<(12×10+1×8+16×2+14)×n<400,則n=2符合,即物質的化學式為C20H16O4N2,則1個分子中含有20+16+4+2=42個原子,故選A。
A
3.(2024·福建寧德第一中學高二月考)將有機物完全燃燒,生成CO2和H2O。將12 g該有機物的完全燃燒產物通過濃硫酸,濃硫酸增重14.4 g,再通過堿石灰,堿石灰增重26.4 g。則該有機物的分子式為(　　)
A.C4H10 B.C2H6O2 C.C3H8O D.C2H4O2
C
解析　濃硫酸增重可知水的質量為14.4 g,可計算出n(H2O)==0.8 mol, n(H)=1.6 mol,m(H)=1.6 g;使堿石灰增重26.4 g,可知二氧化碳質量為26.4 g, n(C)=n(CO2)==0.6 mol,m(C)=7.2 g,m(C)+m(H)=8.8 g,有機物的質量為12 g,所以有機物中氧的質量為3.2 g,n(O)==0.2 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=
0.6 mol∶1.6 mol∶0.2 mol=3∶8∶1,即實驗式為C3H8O,由于C3H8O中碳原子已經飽和,所以分子式也為C3H8O。
4.某化合物6.4 g在氧氣中完全燃燒,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列說法正確的是(　　)
A.該化合物僅含碳、氫兩種元素
B.該化合物中碳、氫原子個數比為1∶8
C.無法確定該化合物是否含有氧元素
D.該化合物實驗式為CH4O
D
解析　某化合物6.4 g在氧氣中完全燃燒,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O,n(CO2)=0.2 mol,n(H2O)=0.4 mol,根據元素守恒,6.4 g該化合物中含有0.2mol C、0.8 mol H,根據質量守恒定律,該化合物中含有O的物質的量為=0.2 mol。根據以上分析,該化合物含碳、氫、氧三種元素,A錯誤;6.4 g該化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H,碳、氫原子個數比為1∶4,B錯誤;6.4 g該化合物中含有0.2 mol C、0.8 mol H、0.2 mol O,該化合物實驗式為CH4O,D正確。
(二)分子結構的確定
5.(2024·廣東東莞高二月考)有機化合物的定性、定量分析會用到多種化學儀器,下列關于化學儀器的說法不正確的是(　　)
A.質譜儀可以確定有機化合物的相對分子質量
B.醋酸的晶體結構可以通過X射線衍射法確定
C.紅外光譜儀可以檢測有機化合物的官能團
D.質譜儀常用來確定有機物的分子式
D
解析　質譜法是近代發展起來的快速、微量、精確測定相對分子質量的方法,A正確;醋酸的晶體結構可以通過X射線衍射法確定,B正確;不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同,在紅外光譜圖上將處于不同位置,從而可以獲得分子中含有何種化學鍵或官能團,C正確; 質譜儀可以確定有機化合物的相對分子質量,而不是分子式,D錯誤。
6.(2024·江蘇南師大附中高二期末)某有機化合物有碳、氫、氧三種元素組成,其紅外光譜圖有C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵的振動吸收,該有機物的相對分子質量是60,則該有機物的結構簡式是(　　)
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH2CH(OH)CH3 C.CH3CH2CH2OH D.HCOOCH3
C
解析　有機物CH3CH2OCH3的相對分子質量為60,含有C—H鍵、C—O鍵,但不含有O—H鍵,A不符合題意;CH3CH2CH(OH)CH3的相對分子質量為74,B不符合題意;CH3CH2CH2OH的相對分子質量為60,分子中含有C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵,C符合題意;HCOOCH3的相對分子質量為60,含有C—H鍵、C—O鍵,但不含有O—H鍵,D不符合題意。
7.(2024·廣東東莞第十高級中學高二期中)按要求回答下列問題:
(1)研究有機物的方法有很多,常用的有①核磁共振氫譜 ②蒸餾 ③重結晶 ④萃取⑤紅外光譜 ⑥過濾。其中用于分子結構確定的有　　　　(填序號)
(2)下列物質中,其核磁共振氫譜中只有一個吸收峰的是　　　　(填字母)。
A.CH3CH3 B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3OCH3
①⑤
AD
(3)其含C、H、O三種元素的有機物,經燃燒分析實驗測定碳的質量分數是64.86%,氫的質量分數是13.51%。
①如下圖是該有機物甲的質譜圖,則其相對分子質量為　　　　,分子式為　　　　。
74
C4H10O
②確定甲的官能團:通過實驗可知甲中一定含有羥基。
③確定甲的結構簡式:
a.經測定有機物甲的核磁共振氫譜如下圖1所示,則甲的結構簡式為　　　　　。
b.若乙為甲的一種同分異構體,乙的紅外光譜如下圖2所示,則該有機物乙的結構簡式為　　　　　　　　。
C(CH3)3OH
CH3CH2OCH2CH3
解析　(1)在上述各種研究方法中,蒸餾、重結晶、萃取、過濾是有機物分離或提純的方法,核磁共振氫譜、紅外光譜常用于分子結構確定,答案選①⑤;(2)其核磁共振氫譜中只有一個吸收峰,說明有機物分子中只有一類氫原子, CH3CH3分子中只有一類氫原子,A正確;CH3COOH分子中含有兩類氫原子,B錯誤;CH3COOCH3分子中含有兩類氫原子,C錯誤;CH3OCH3分子中只有一類氫原子,D正確。
(3)且設有機物質量為74 g,故n(C)∶n(H)∶n(O)=∶∶
=4∶10∶1,故實驗式為C4H10O;①根據分析可知,甲的實驗式為C4H10O;根據質譜圖知,其相對分子質量是74,結合其實驗式知其分子式為C4H10O;③a.甲的核磁共振氫譜圖中出現2組峰,說明該結構中有2種氫原子,則結構簡式為C(CH3)3OH;b.乙為甲的一種同分異構體,乙的紅外光譜含有對稱—CH3,對稱—CH2—和C—O—C結構,故結構簡式為CH3CH2OCH2CH3,含有的官能團為醚鍵。
B級　素養培優練
8.某有機化合物的鍵線式及球棍模型如下:
該有機化合物分子的核磁共振氫譜圖如下
(單位是ppm)。下列關于該有機化合物的敘述不正確的是(　　)
A.該有機化合物中不同化學環境的氫原子有8種
B.該有機化合物屬于芳香族化合物
C.鍵線式中的Et代表的基團為—CH2CH3
D.該有機化合物的分子式為C9H12O4
B
解析　根據該有機化合物的核磁共振氫譜圖及球棍模型判斷,不同化學環境的氫原子有8種,A正確;該有機化合物中不含苯環,所以不屬于芳香族化合物,B錯誤;根據該有機化合物的鍵線式和球棍模型判斷Et為乙基,C正確;根據該有機化合物的球棍模型可知,其分子式為C9H12O4,D正確。
9.(2024·陜西西安市鐵一中學高二月考)某學習小組研究某烴的含氧衍生物A的組成和結構,研究過程如下:稱取9 g A在足量氧氣中充分燃燒,并使產物依次緩緩通過濃硫酸、堿石灰,發現兩者分別增重5.4 g和13.2 g,對A進行波譜分析結果如圖。下列說法錯誤的是(　　)
A.由質譜圖可知A的分子式為C3H6O3
B.結合紅外光譜和核磁共振氫譜可知A的結構簡式為CH3CH(OH)COOH
C.若取A和C2H6O的混合物1 mol進行燃燒實驗,該混合物完全燃燒消耗氧氣的物質的量取決于混合物中二組分的比例
D.B是A的位置異構體,則B在核磁共振氫譜中峰面積之比為2∶2∶1∶1
答案　C
解析　9 g A在足量氧氣中充分燃燒,并使其產物依次緩緩通過足量的濃硫酸和堿石灰,發現兩者分別增重5.4 g和13.2 g,說明完全燃燒生成水的質量為5.4 g,二氧化碳的質量為13.2 g,9 g A完全燃燒生成水的物質的量是==0.3 mol,9.0 g A完全燃燒生成二氧化碳的物質的量是==0.3 mol,n(O)==
=0.3 mol,所以A的實驗式為CH2O,通過質譜法測得A
相對分子質量為90,設分子式為(CH2O)n,則(12+2+16)n=90,n=3,故A的分子式為C3H6O3。 根據紅外光譜知A中含有—OH和—COOH,由核磁共振氫譜可知,A中含有4種氫原子,其數目比為1∶1∶1∶3,故A的結構簡式為CH3CH(OH)COOH,B正確;A的分子式為C3H6O3,假設有機物的物質的量都為1 mol,混合物中的兩種有機物物質的量相同時,完全燃燒消耗的氧氣的物質的量相等,無論以何種物質的量的比例混合,完全燃燒消耗氧氣的量都為3 mol,C錯誤;B是A的位置異構體,則B為CH2(OH)CH2COOH,共有4種氫原子,個數比為2∶2∶1∶1,即B在核磁共振氫譜中峰面積之比為2∶2∶1∶1,D正確。
10.(2024·云南開遠市第一中學校高二月考)有機物M可從酸牛奶中提取。已知純凈的M為無色黏稠液體,易溶于水。研究M的組成與結構,進行了如下實驗:
實驗步驟 解釋或實驗結論
(1)稱取M 4.5 g,升溫使其汽化,測其密度是相同條件下H2的45倍。 試通過計算填空:
(1)M的摩爾質量為　　　　。
(2)將此4.5 g M在足量純O2中充分燃燒,并使其產物依次緩緩通過濃硫酸、堿石灰,發現兩者分別增重2.7 g和6.6 g (2)M的分子式為　　　　。
90 g/mol
C3H6O3
實驗步驟 解釋或實驗結論
(3)通過M的紅外光譜圖發現該分子中既有羥基,還有羧基
(3)寫出羥基電子式　　　　　。
M的核磁共振氫譜如下圖: (4)M中含有　　　　種氫原子
(5)寫出M中所含官能團的名稱:
　　　　　　　　。
(6)綜上所述,M的結構簡式為
　　　　　　　　。
·︰H　
4
羥基和羧基
解析　(1)相同條件下,氣體的密度之比等于摩爾質量之比,所以摩爾質量是氫氣的45倍,M的摩爾質量是45×2 g/mol=90 g/mol;(2)4.5 g M在足量純O2中充分燃燒生成水、二氧化碳分別是2.7 g和6.6 g,則n(H2O)==0.15 mol, n(CO2)==0.15 mol,則4.5 g M中含C、H、O的物質的量分別為0.15 mol、0.15 mol×2=0.3 mol、=0.15 mol ,C、H、O的物質的量之比為1∶2∶1,摩爾質量是90 g/mol,所以分子式為C3H6O3;(3)羥基的電子式·︰H;

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