第04講實驗式分子式分子結構的確定（學生版）高二化學講義（人教2019選擇性必修3）

第0第04講實驗式、分子式、分子結構的確定知識導航知識導航知識精講知識精講一、確定實驗式——元素分析1.元素分析（1）定性分析：確定有機物的元素組成。（2）定量分析：確定有機物的實驗式。2.李比希法確定實驗式二、確定分子式——質(zhì)譜法1.質(zhì)譜法原理質(zhì)譜儀用高能電子流等轟擊樣品（很少量），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(zhì)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(zhì)量與電荷數(shù)的比值，即質(zhì)荷比。以質(zhì)荷比為橫坐標，以各類離子的相對豐度為縱坐標記錄測試結果，就得到有機化合物的質(zhì)譜圖。2.質(zhì)荷比有機分子離子或碎片離子的相對質(zhì)量與電荷數(shù)的比值，即質(zhì)荷比。質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比的最大值等于樣品分子的相對分子質(zhì)量（與相對豐度無關）。三、確定分子結構——波譜分析確定分子結構的常用方法包括質(zhì)譜法、紅外光譜法、核磁共振氫譜法和X射線衍射等。1.紅外光譜原理：①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該有機化合物的紅外光譜圖。②譜圖中不同的化學鍵或官能團的吸收頻率不同，因此分析有機化合物的紅外光譜圖，可獲得分子中所含有的化學鍵或官能團的信息。2.核磁共振氫譜（1）原理：①氫原子核具有磁性，如果用電磁波照射含氫元素的化合物，其中的氫核會吸收特定頻率電磁波的能量而產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，用核磁共振儀可以記錄到有關信號。②處于不同化學環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)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(xiàn)的位置也不同，具有不同的化學位移，而且吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比。③由核磁共振氫譜圖可以獲得該有機化合物分子中有幾種不同類型的氫原子及它們的相對數(shù)目等信息。（2）分析方法：吸收峰數(shù)目＝氫原子種類數(shù)，吸收峰面積比＝不同種類氫原子個數(shù)比3.X射線衍射（1）X射線是一種波長很短（約1010m）的電磁波，它和晶體中的原子相互作用可以產(chǎn)生衍射譜圖。（2）經(jīng)過計算可以從中獲得分子結構的有關數(shù)據(jù)，包括鍵長、鍵角等分子結構信息。（3）將X射線衍射技術用于有機化合物（特別是復雜的生物大分子）晶體結構的測定，可以獲得更為直接而詳盡的結構信息。對點訓練對點訓練題型一：實驗式的確定【變12】3g某有機化合物在足量氧氣中完全燃燒，生成4.4gCO2和1.8gH2O。下列說法不正確的是A．該有機化合物中只含有碳元素和氫元素B．該有機化合物中一定含有氧元素C．該有機化合物的分子式可能是C2H4O2D．該有機化合物分子中碳原子數(shù)與氫原子數(shù)之比一定是1∶2【例2】咖啡和茶類飲料中都含有興奮劑咖啡因。經(jīng)元素分析測定，咖啡因中各元素的質(zhì)量分數(shù)是：碳49.5%，氫5.2%，氮28.9%，氧16.5%。(1)咖啡因的實驗式為___________。(2)質(zhì)譜法測得咖啡因的相對分子質(zhì)量為194，則咖啡因的分子式為___________。題型二：質(zhì)譜法【變32】為了測定某有機物A的結構，進行如下實驗：①將2.3g該有機物完全燃燒，生成0.1molCO2和2.7g水，②用質(zhì)譜儀測定其相對分子質(zhì)量，得到如圖所示的質(zhì)譜圖。試回答下列問題：(1)有機物A的相對分子質(zhì)量是________。(2)有機物A的實驗式是________。(3)能否根據(jù)A的實驗式確定其分子式?____(填“能”或“不能”，并對應回答后面問題)。若能，則A的分子式是________，若不能，請說明原因：_________________。題型三：分子式的確定【例4】已知某有機物9.2g與足量氧氣在密閉容器中完全燃燒后，將反應生成的氣體依次通過濃硫酸和堿石灰．濃硫酸增重10.8g，堿石灰增重17.6g，該有機物的化學式是A．C2H6O B．C2H4O C．CH4O D．C2H6O2題型四：紅外光譜【變5】有機物Y的分子式為C4H8O2，其紅外光譜如圖所示，則該有機物可能的結構簡式為（）A．CH3COOCH2CH3 B．OHCCH2CH2OCH3C．HCOOCH2CH2CH3 D．（CH3）2CHCOOH題型五：核磁共振氫譜【變62】據(jù)質(zhì)譜圖分析知某烷烴的相對分子質(zhì)量為86，其核磁共振氫譜圖有4個峰，峰面積比為6：4：3：1，則其結構簡式為A． B．C． D．【例7】有機物X是一種重要的有機合成中間體，用于制造塑料、涂料和黏合劑等高聚物。為研究X的組成與結構，進行如下實驗：(1)將10.0gX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7.2g，KOH濃溶液增重22.0g。該有機物X的實驗式為____。(2)有機物X的質(zhì)譜圖如圖所示，該有機物X的相對分子質(zhì)量為____。(3)經(jīng)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。該有機物X的結構簡式為____。題型六：實驗式、分子式、分子結構的確定綜合【變8】下列說法不正確的是A．通過質(zhì)譜法可以確認有機化合物的相對分子質(zhì)量B．甲苯分子的核磁共振氫譜中有4個不同的吸收峰C．紅外光譜可以幫助確定許多有機物的結構D．某有機物完全燃燒只生成和，兩者物質(zhì)的量之比為1:2，則該有機物一定為甲烷【例11】某有機化合物經(jīng)李比希法測得其中含碳的質(zhì)量分數(shù)為54.5%、含氫的質(zhì)量分數(shù)為9.1%，其余為氧。用質(zhì)譜法分析知該有機物的相對分子質(zhì)量為88.請回答下列有關問題：(1)該有機物的分子式為_______。(2)若該有機物的水溶液呈酸性，且結構中不含支鏈，則其核磁共振氫譜圖中的峰面積之比為_______。(3)若實驗測得該有機物中不含結構，利用紅外光譜儀測得該有機物的紅外光譜如圖所示。則該有機物的結構簡式可能是_______、_______(寫出兩種即可)。提分特訓提分特訓【題1】和互為同分異構體，將其中一種放在下列檢測儀上進行檢測，顯示出的信號不能判斷是哪種物質(zhì)的是A．質(zhì)譜儀 B．紅外光譜儀 C．核磁共振儀 D．X射線衍射儀【題2】實驗室常用燃燒法分析有機物的組成與結構。某化合物樣品在足量O2中充分燃燒，生成物只有CO2和H2O。燃燒產(chǎn)物依次經(jīng)過濃硫酸和堿石灰充分吸收，濃硫酸和堿石灰依次增重7.2g和17.6g。有關該物質(zhì)的組成和結構推測不合理的是（

）A．該物質(zhì)可能是烴類化合物B．該物質(zhì)結構中可能含C=CC．該物質(zhì)結構中可能含苯環(huán)D．該物質(zhì)結構中可能含羧基【題3】核磁共振氫譜能對有機物分子中不同位置的氫原子給出不同的吸收峰(信號)，根據(jù)吸收峰可以確定分子中氫原子的種類和數(shù)目。例如氯甲基甲醚(ClCH2OCH3)的核磁共振氫譜如圖甲所示，兩個吸收峰的面積之比為3：2。金剛烷的分子立體結構如圖乙所示，它的核磁共振氫譜圖中吸收峰數(shù)目與峰面積之比分別為A．5，1：6：2：3：4 B．3，1：3：12 C．4，1：6：3：6 D．2，1：3【題5】某研究性學習小組為確定一種從煤中提取的液態(tài)烴X的結構，對其進行了如下實驗探究。步驟一：這種烴X的蒸氣通過熱的氧化銅，可被氧化成二氧化碳和水，再用無水氯化鈣吸收水，氫氧化鈉濃溶液吸收二氧化碳。實驗測得，2.12g烴X的蒸氣通過熱的氧化銅被氧化生成7.04g二氧化碳和1.80g水。步驟二：通過儀器分析知X的相對分子質(zhì)量為106。步驟三：如圖Ⅰ，用核磁共振儀測出X的核磁共振氫譜有2組峰，其面積之比為2∶3。步驟四：利用紅外光譜儀測得X分子的紅外光譜如圖Ⅱ。試回答下列問題：(1)X的分子式為___________，名稱為___________。(2)步驟二中的儀器分析方法為___________。(3)寫出符合下列條件的X的同分異構體的結構簡式：___________。①芳香烴②苯環(huán)上的一氯代物有三種(4)以X為原料可制得另一種重要的化工產(chǎn)品鄰苯二甲酸(PTA)，查閱資料得知PTA在水中的溶解度隨著溫度的升高明顯增大。若得到的PTA粗產(chǎn)品中有部分不溶性雜質(zhì)，請簡述實驗室中提純PTA的方法：___________。提分作業(yè)提分作業(yè)【練1】驗證某有機物是否屬于烴，應完成的實驗內(nèi)容是（

）A．只測定它的C、H原子個數(shù)比B．只要證明它完全燃燒后產(chǎn)物只有H2O和CO2C．只測定其燃燒產(chǎn)物中H2O與CO2的物質(zhì)的量的比值D．測定該試樣的質(zhì)量及試樣完全燃燒后生成CO2和H2O的質(zhì)量【練2】已知某有機物分子中H原子個數(shù)為偶數(shù)，若將2.25克該有機物在足量氧氣中完全燃燒，得到4.4克CO2和2.25克的H2O，則下列說法不正確的是A．可以確定該有機物的相對分子量為90B．可以確定該有機物的分子式為C4H10O2C．該有機物中碳、氫、氧原子個數(shù)比為2:5:1D．因為不知道其相對分子質(zhì)量，故無法確定其分子式【練3】具有下列結構的化合物，其核磁共振氫譜中有2個峰的是A．CH3CH2OH B．CH3CH3 C．CH3OCH3 D．HOCH2CH2OH【練4】分子式為C2H6O的有機物有兩種同分異構體：乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)，則通過下列方式或方法不可能將二者區(qū)別開來的是A．紅外光譜 B．核磁共振氫譜C．元素分析法 D．與鈉反應【練6】為了測定某有機物A的結構，做如下實驗：①將2.3g該有機物完全燃燒，生成