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有機(jī)化合物分子式和分子結(jié)構(gòu)的確定
第一章 有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與研究方法
1.掌握李比希提出的燃燒有機(jī)物對產(chǎn)物的定量測定確定實(shí)驗(yàn)式；
2.了解質(zhì)譜法確定分子式的原理與方法；
3.知道紅外光譜、核磁共振等現(xiàn)代儀器分析方法在有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用。
研究有機(jī)化合物的基本步驟
主要步驟
分離、提純
波譜分析
除雜質(zhì)
定量分析
確定元素組成及比例
測定相對
分子質(zhì)量
分子式
結(jié)構(gòu)分析
結(jié)構(gòu)式
確定實(shí)驗(yàn)式
確定分子式
確定分子結(jié)構(gòu)
常用方法
蒸餾、萃取
重結(jié)晶等
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>元素分析
化學(xué)方法
定量分析
定性分析
確定有機(jī)物的元素組成
一般是將一定量的有機(jī)物燃燒，轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物
原理：通過無機(jī)物的質(zhì)量推算出該有機(jī)物所含各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后計(jì)算出該有機(jī)物分子內(nèi)各元素原子的最簡整數(shù)比，確定其實(shí)驗(yàn)式（也稱最簡式）。
有機(jī)物
燃燒
CO2
H2O
檢驗(yàn)產(chǎn)物
有機(jī)物
元素組成
一定量
有機(jī)物
燃燒
CO2
H2O
測定產(chǎn)物
有機(jī)物
元素組成
推算
定性分析
定量分析
元素定量分析方法：
①李比希元素分析法
②現(xiàn)代元素分析儀
有機(jī)化合物的元素定量分析最早由德國化學(xué)家李比希提出
一 、確定實(shí)驗(yàn)式
1、李比希元素分析法
取一定量僅含C、H、O的有機(jī)物
加CuO
氧化
CO2
H2O
測得前后的質(zhì)量差
用無水CaCl2
吸收
用KOH濃溶液吸收
計(jì)算C、H原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
剩余得為O原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
測得前后的質(zhì)量差
圖1 李比希法設(shè)備圖
吸收H2O
吸收CO2
根據(jù)吸收劑在吸收前后的質(zhì)量差，計(jì)算出有機(jī)化合物中碳、氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，剩余的就是氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，據(jù)此計(jì)算可以得到有機(jī)化合物的實(shí)驗(yàn)式
若m(有機(jī)物) ＝ m(C)+m(H)，
則說明該有機(jī)物中只含C、H
若m(有機(jī)物)>m(C)＋m(H)且完全燃燒只生成CO2和H2O，則說明有O。
C→CO2
H→H2O
N→N2
S→SO2
Cl→HCl
對李比希元素分析法的幾點(diǎn)思考
（2）有人提出用CaCl2或濃硫酸替Mg(ClO4) 2，請說明替代Mg(ClO4) 2 物質(zhì)的基本條件 。
（3）氧氣的作用主要是 。
（4）為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，此裝置還需要完善，請指出需要完善的地方
（1）氧化銅的作用主要是 。
只吸收水,不吸收CO2
氧化樣品,將產(chǎn)物全部排入吸收裝置
a.在吸收劑之間加一個檢驗(yàn)水是否吸收完全的裝置
b.在最后再加一個裝有堿石灰的干燥管防止空氣中的二氧化碳和水進(jìn)入。
確保碳元素被氧化成CO 2
1.正誤判斷
(1)驗(yàn)證有機(jī)物屬于烴時只需測定產(chǎn)物中的CO2和H2O的物質(zhì)的量之比(　　)
(2)有機(jī)物燃燒后只生成CO2和H2O的物質(zhì)不一定只含有碳、氫兩種元素(　　)
(3)有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式、分子式一定不同(　　)
(4)元素分析法和質(zhì)譜法能分別確定有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式和相對分子質(zhì)量(　　)
(5)質(zhì)譜圖中最右邊的譜線表示的數(shù)值為該有機(jī)物的相對分子質(zhì)量(　　)
×
√
×
√
√
應(yīng)用探究
【例1】含C、H、O三元素的未知物A，經(jīng)燃燒分析實(shí)驗(yàn)測定該未知物中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.2%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.1%。試求該未知物A的實(shí)驗(yàn)式。
（2）再求各元素原子的個數(shù)比：
（1）先確定該有機(jī)化合物中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：
ω(O)＝100%－52.2%－13.1%＝34.7%
N(C)：N(H)：N(O)＝
52.2%
12.01
13.1%
1.008
34.7%
16.00
：
：
＝2：6：1
【答】該未知物A的實(shí)驗(yàn)式為C2H6O。
思路點(diǎn)撥
不能提前四舍五入，會引起誤差較大。
應(yīng)用探究
【例2】某有機(jī)物5.8 g完全燃燒，生成CO2 13.2 g , H2O5.4 g 。含有哪些元素
n(C) =
= 0.3mol
n(H) =
= 0.6mol
m(O) =
= 1.6 g
5.8 – 3.6 – 0.6
n(O) =
= 0.1mol
N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.3：0.6：0.1
＝3∶6∶1
∴實(shí)驗(yàn)式為 C3H6O
有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式：
有沒有O元素？
現(xiàn)代元素分析儀
元素定量分析只能確定有機(jī)化合物分子中各組成原子的最簡整數(shù)比，得到實(shí)驗(yàn)式。要確定它的分子式，還必須知道其相對分子質(zhì)量。
目前有許多測定相對分子質(zhì)量的方法，質(zhì)譜法是其中最精確而快捷的方法。
可以直接測出有機(jī)物中各元素原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
二、確定分子式
質(zhì)譜法
元素定量分析
實(shí)驗(yàn)式
各組成原子的
最簡整數(shù)比
分子式
其中最精確、快捷的方法
相對分子質(zhì)量
質(zhì)譜法
質(zhì)譜儀
計(jì)算法
1.質(zhì)譜法——相對分子質(zhì)量的測定
有機(jī)物分子
確定相對分子質(zhì)量
離子的質(zhì)荷比
高能電子
流轟擊
帶正電荷的分子離子和碎片離子
磁場作用下先后到達(dá)檢測儀
質(zhì)譜圖
質(zhì)荷比=
電荷
相對分子質(zhì)量
2. 應(yīng)用：
已測得某未知物A的實(shí)驗(yàn)式為C2H6O，其質(zhì)譜圖如下圖所示，
求A的相對分子質(zhì)量？
未知物A的質(zhì)譜圖
質(zhì)譜圖中，讀數(shù)方法：
相對分子質(zhì)量＝最大質(zhì)荷比＝最右邊的分子離子峰
A的相對分子質(zhì)量：46
思考：回顧所學(xué)知識，有哪些方法可以求相對分子質(zhì)量？
（1）定義法：M = m / n
(6) 質(zhì)譜法——測定相對分子質(zhì)量的方法很多，質(zhì)譜法是最精確、最快捷的方法。
（3）標(biāo)準(zhǔn)狀況密度法：已知標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的密度ρ，求算摩爾質(zhì)量。
M＝ρ×22.4 L·mol－1。
（2）根據(jù)有機(jī)物蒸氣的相對密度 D
D =
=
（5）利用各類有機(jī)物的分子通式及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式
（4）混合氣體平均摩爾質(zhì)量：
依據(jù)質(zhì)譜圖：
未知物A的相對分子質(zhì)量為46，實(shí)驗(yàn)式C2H6O的相對分子質(zhì)量是46，
二甲醚
乙醇
寫出C2H6O可能的結(jié)構(gòu)：
怎樣確定有機(jī)物A是二甲醚，還是乙醇？
M=[M (C2H6O)] ×n， n=1，所以未知物A的實(shí)驗(yàn)式 和分子式都是C2H6O 。
化學(xué)方法：看是否與Na反應(yīng)
物理方法：紅外光譜法等
紅外光譜儀
核磁共振波譜儀
X射線衍射儀
確定比較復(fù)雜的有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，僅靠質(zhì)譜法是很難完成的，需要借助其他現(xiàn)代分析儀器，進(jìn)行紅外光譜、核磁共振氫譜和X射線衍射等分析
波譜分析
三、確定分子結(jié)構(gòu)
如分子式為C2H6O的有機(jī)物A有如下兩種可能的結(jié)構(gòu)，利用紅外光譜來測定，分子中有O—H(或—OH)可確定A的結(jié)構(gòu)簡式為 。
1、紅外光譜
(2)紅外光譜圖
(1)原理：不同官能團(tuán)或化學(xué)鍵吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同的位置。
CH3CH2OH
未知物A的紅外光譜圖
——測定有機(jī)物分子中化學(xué)鍵或官能團(tuán)。
2、核磁共振氫譜
——測定有機(jī)物分子中氫原子的種類和數(shù)目。
吸收峰面積比=氫原子數(shù)目比
吸收峰數(shù)目＝氫原子種類
氫原子核具有磁性。處于不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時吸收的頻率不同，在譜圖上出現(xiàn)的位置也不同。且吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比。
(1)原理：
(2)核磁共振氫譜：
2、核磁共振氫譜
——等效氫原子種類和數(shù)目
【例】有機(jī)物A的分子式為C2H6O，核磁共振氫譜如下：
吸收峰數(shù)目為3，說明有3種不同位置的氫原子
各吸收峰面積比為3∶2∶1
A為CH3CH2OH
吸收峰數(shù)目為1，說明有1種類型的氫原子
A為CH3OCH3
下列有機(jī)物中有幾種H原子以及個數(shù)之比？
２種；９∶１
１種
３種；３∶２∶１
４種；
３∶２∶１∶６
CH3-CH-CH3
CH3
CH3-C-CH3
CH3
CH3
CH3-CH2-CH-CH3
CH3
CH3-CH2-OH
Br Br
CH2-CH2
化合物A和B的分子式都是C2H4Br2，A的NMR譜上只有1個峰，則A的結(jié)構(gòu)簡式為 .
3、X射線衍射
—有機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu)的測定
(1) 原理：
X射線是一種波長很短的電磁波，它和晶體中的原子相互作用可以產(chǎn)生衍射圖 。
X射線衍射儀
(2)衍射圖：
根據(jù)原子坐標(biāo)，可以計(jì)算原子間的距離，判斷哪些原子之間存在化學(xué)鍵,確定鍵長和鍵角，得出分子的空間結(jié)構(gòu)。
單晶衍射圖
20世紀(jì)70年代初，我國屠呦呦等科學(xué)家使用乙醚從中藥中提取并用柱色譜分離得到抗瘧疾有效成分青蒿素。科學(xué)家們通過元素分析和質(zhì)譜法分析，確定了青蒿素的相對分子質(zhì)量為282，分子式為C15H22O5。經(jīng)紅外光譜和核磁共振譜分析，確定青蒿素分子結(jié)構(gòu)中含有酯基和甲基等結(jié)構(gòu)片段。通過化學(xué)反應(yīng)證明其分子中含有過氧基團(tuán)（—O—O—）。1975年底，中國科學(xué)院的科學(xué)家通過X射線衍射最終測定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)。
【化學(xué)史話】
青蒿素結(jié)構(gòu)的測定
青蒿素結(jié)構(gòu)式
確定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的方法
1.正誤判斷
(1)核磁共振氫譜中有幾組吸收峰就有幾個氫原子(　　)
(2)質(zhì)譜法、紅外光譜法和核磁共振氫譜法均能確定有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu) (　　)
(3)CH3COOCH3在核磁共振氫譜圖中只有一組吸收峰(　　)
(4)質(zhì)譜圖中，相對豐度數(shù)值最大的質(zhì)荷比等于相對分子質(zhì)量(　　)
(5)X射線衍射技術(shù)用于有機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu)的測定，可以獲得直接而詳盡的結(jié)構(gòu)信息(　　)
×
×
×
×
√
A.由紅外光譜可知，該有機(jī)物分子中至少有三種不同的化學(xué)鍵
B.由核磁共振氫譜可知，該有機(jī)物分子中有三種不同的氫原子
C.僅由核磁共振氫譜無法得知其分子中的氫原子總數(shù)
D.若A的分子式為C3H8O，則其結(jié)構(gòu)簡式可能為
2.已知某有機(jī)物A的紅外光譜和核磁共振氫譜如圖所示，下列說法錯誤的是（ ）
D
3.有機(jī)物X是一種重要的有機(jī)合成中間體，用于制造塑料、涂料和黏合劑等高聚物。為研究X的組成與結(jié)構(gòu)，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：
(1)將10.0 g X在足量O2中充分燃燒，并將其產(chǎn)物依次通過足量的無水CaCl2和KOH濃溶液，發(fā)現(xiàn)無水CaCl2增重7.2 g，KOH濃溶液增重22.0 g。有機(jī)物X的實(shí)驗(yàn)式為___________。
C5H8O2
n(H)=×2＝0.8 mol
m(H2O)=7.2 g
m(CO2)=22.0 g
n(C)=＝0.5 mol
n(O)==0.2 mol
N(C)：N(H)：N(O)
＝ 0.5 mo：0.8 mol：0.2 mol
＝ 5：8：2

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