高中化学第一章认识有机化合物4

高中化学第一章认识有机化合物4

第2课时　元素分析与相对分子质量的测定、分子结构的鉴定 记一记 元素分析与相对分子质量的测定、分子结构的鉴定知识体系 探一探 一、有机物分子式的确定 ‎1．将某有机物在O2中充分燃烧，由燃烧产物推出含有的元素：‎ CO2→________；H2O→________；N2→________；SO2→________。‎ ‎[提示]　C　H　N　S ‎2．若完全燃烧的生成物中只有H2O和CO2，则可推知的结果有哪些？‎ ‎[提示]　该有机物中一定含有的元素是C、H，可能含有的元素是O。‎ ‎3．完全燃烧的产物中只有H2O和CO2，如何判断是否含氧元素？‎ ‎[提示]　先求出产物CO2和H2O中C、H两元素的质量和，再与有机物的质量比较，若两者相等，则说明原有机物中不含氧元素，否则有机物中含氧元素。‎ ‎4．分别用无水CaCl2和KOH浓溶液吸收生成的水和二氧化碳，根据吸收前后吸收剂的质量变化即可求得哪些量？‎ ‎[提示]　能求得反应生成水和二氧化碳的质量，从而确定有机物中氢元素和碳元素的质量，若只有碳、氢、氧三种元素，剩余则为氧元素的质量；最后计算出有机物分子中各元素的质量分数，从而确定实验式。‎ ‎5．实验式(最简式)和分子式有什么区别和联系？‎ ‎[提示]　实验式是表示化合物分子中所含元素的原子数目最简整数比的式子；分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。某些化合物的最简式就是它的分子式，如甲烷，有些化合物的分子式是它最简式的2倍或几倍，如乙烷的最简式为CH3，分子式为C2H6。‎ ‎6．推出了实验式，要求分子式，还需要哪些量？‎ - 12 -‎ ‎[提示]　相对分子质量。‎ 二、有机物结构式的确定 ‎1．何种方法能够获得有机物分子中含有的化学键或官能团的信息？‎ ‎[提示]　红外光谱(infrared spectroscopy)。‎ ‎2．核磁共振氢谱在确定有机物分子结构中的作用是什么？‎ ‎[提示]　推知有机物分子有几种不同类型的氢原子及各自的数目。‎ 判一判 判断正误(对的在括号内打√，错的在括号内打×)‎ ‎(1)燃烧是测定有机物分子结构的有效方法。(×)‎ ‎(2)质谱法可以测定有机物的摩尔质量，而红外光谱和核磁共振氢谱可以确定有机物的官能团类型。(×)‎ ‎(3) 的核磁共振氢谱中有6组峰。(×)‎ 解析：有5组峰。‎ ‎(4)有机物完全燃烧后仅生成CO2和H2O，则该有机物中一定含有C、H、O三种元素。(×)‎ 解析：可以只含C、H。‎ ‎(5)核磁共振氢谱中，吸收峰面积之比即为不同种氢原子的个数比。(√)‎ 练一练 ‎1.能够快速、微量、精确的测定相对分子质量的物理方法是(　　)‎ A．质谱 B．红外光谱 C．紫外光谱 D．核磁共振氢谱 解析：质谱法能够快速、微量、精确的测定相对分子质量。‎ 答案：A ‎2．一种有机物燃烧后，产生二氧化碳、水和二氧化硫。据此可以推测该化合物中一定含有(　　)‎ A．C、S、O B．C、H、O、S C．C、H、S D．C、H、O 解析：根据元素守恒，有机物中必含有C、H、S三种元素。氧元素也可能来自有机物，也可能来自氧气，故不能确定。‎ 答案：C ‎3．A是一种含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。已知：A中碳的质量分数为44.1%，氢的质量分数为8.82%，那么A的实验式是(　　)‎ - 12 -‎ A．C5H12O4 B．C5H12O3‎ C．C4H10O4 D．C5H10O4‎ 解析：A中碳、氢、氧原子个数比为::＝5:12:4，所以A的实验式为C5H12O4。‎ 答案：A ‎4．通过核磁共振氢谱可以推知(CH3)2CHCH2CH2OH有多少种化学环境的氢原子(　　)‎ A．6 B．5‎ C．4 D．3‎ 解析：(CH3)2CHCH2CH2OH中有—CH3、—CH2—、、—OH，其中2个—CH3中6个H原子等效，2个—CH2—中的H原子不等效，故分子中含有5种不同的H原子。‎ 答案：B 知识点一 元素分析 ‎1.验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是(　　)‎ A．只测定它的C、H比 B．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2‎ C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值 D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量 解析：当CO2和H2O中m(C)＋m(H)＝m(有机物)时，说明有机物中不含氧元素。‎ 答案：D 知识点二 分子式的确定 ‎2.某烃中碳和氢的质量比是24:5，该气态烃在标准状况下的密度为2.59 g/L，其分子式为(　　)‎ A．C2H6 B．C4H10‎ C．C5H8 D．C7H8‎ 解析：先求最简式，N(C) :N(H)＝:＝2:5，所以该烃的最简式为C2H5；再求摩尔质量，22.4 L/mol×2.59 g/L≈58 g/mol，故该有机物的分子式为C4H10。‎ - 12 -‎ 答案：B ‎3．某有机物完全燃烧，生成CO2和H2O。将12 g该有机物完全燃烧的产物通过浓硫酸，浓硫酸质量增加14.4 g，再通过碱石灰，碱石灰质量增加26.4 g。则该有机物的分子式为(　　)‎ A．C4H10 B．C2H6O C．C3H8O D．C2H4O2‎ 解析：由题意知，该有机物完全燃烧生成14.4 g H2O、26.4 g CO2，则n(H2O)＝＝0.8 mol，n(H)＝2n(H2O)＝2×0.8 mol＝1.6 mol，n(C)＝n(CO2)＝＝0.6 mol，则该有机物中n(O)＝＝0.2 mol。故n(C):n(H):n(O)＝0.6 mol:1.6 mol:0.2 mol＝3:8:1，只有C项符合题意。‎ 答案：C 知识点三 研究有机物的一般步骤 ‎4.研究有机物一般经过以下几个基本步骤：分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式。以下用于研究有机物的方法错误的是(　　)‎ A．蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物 B．核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量 C．燃烧法是研究确定有机物元素组成的有效方法之一 D．对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子中的官能团 解析：核磁共振氢谱主要用于分析有机物中不同化学环境的氢原子及它们的数目。用于分析相对分子质量的是质谱，故B项错误。‎ 答案：B 知识点四 红外光谱 ‎5.利用红外光谱对有机化合物分子进行测试并记录，可以初步判断该有机物的分子拥有的(　　)‎ A．同分异构体数 B．原子个数 C．基团种类 D．共价键种类 解析：红外光谱主要用于判断分子结构中的化学键或官能团的信息，即答案是C项。‎ 答案：C 知识点五 - 12 -‎ ‎6.化合物在核磁共振氢谱图中各信号的面积比为(　　)‎ A．3:4:1:3:3 B．3:2:2:1:6‎ C．9:4:1 D．3:4:7‎ 解析：根据该有机物的结构简式，两个取代基位于对位，则苯环上的H原子共有2种，连在同一C原子上的甲基上的H原子的位置是相同的，左侧甲基上的H原子是相同的，所以该有机物中共有5种H原子，核磁共振氢谱图中各信号的面积比即是每种H原子的个数比为3:2:2:1:6，答案选B。‎ 答案：B ‎7．下列化合物中，在核磁共振氢谱中能给出三种信号的是(　　)‎ A．CH3CH2CH3 B． C．CH3OCH3 D．‎ 解析：B项的分子中有三种不同化学环境的氢原子，A项中有2种，C项中有1种，D项中有2种。‎ 答案：B 基础达标 ‎1．能够测定分子结构和化学键的方法是(　　)‎ A．质谱 B．红外光谱 C．紫外光谱 D．核磁共振氢谱 解析：质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法；紫外光谱法是用紫外分光光度法测定试样中某一组分的含量的方法；红外光谱是测定分子结构和化学键的方法；核磁共振氢谱是测定有机物分子中不同类型氢原子及其数目的一种方法。‎ 答案：B ‎2．在核磁共振氢谱中，只有一个吸收峰的物质是 (　　)‎ A．CH3CH2OH B．HCOOCH3‎ C．CH3COCH3 D．CH2===CH—CH3‎ 解析：核磁共振氢谱中只有一个吸收峰，说明该分子中的H原子都是等效的，只有1种H原子。CH3CH2OH的核磁共振氢谱中有3个峰，故A项错误；HCOOCH3的核磁共振氢谱中有2个峰，故B项错误；CH3COCH3的核磁共振氢谱中有1个峰，故C项正确；CH2===CH—CH3的核磁共振氢谱中有3个峰，故D项错误。‎ 答案：C - 12 -‎ ‎3．二氟甲烷是性能优异的环保产品，它可替代某些会破坏臭氧层的“氟利昂”产品，用作空调、冰箱和冷冻库等中的制冷剂。试判断二氟甲烷的核磁共振氢谱共有多少个峰(　　)‎ A．4 B．3 ‎ C．2 D．1‎ 解析：二氟甲烷的结构中只有一种氢原子，故其核磁共振氢谱只有1个峰。‎ 答案：D ‎4．完全燃烧某可燃物2.3g，只生成4.4g二氧化碳和2.7 g水，则该可燃物的组成为(　　)‎ A．一定属于烃 B．一定含碳、氢元素，可能含氧元素 C．一定含碳、氢、氧三种元素 D．所含元素大于三种 解析：生成的4.4g二氧化碳中C的质量为4.4g×12/44＝1.2g，生成的H的质量为2.7 g×2/18＝0.3 g；C、H的质量之和为1.2 g＋0.3 g＝1.5 g；因1.5 g<2.3 g，且生成物中只有CO2与H2O，故可燃物中除含C、H元素外一定还含O元素。‎ 答案：C ‎5．如图是一个核磁共振氢谱，请你观察图谱，分析其可能是下列物质中的 (　　)‎ A．CH3CH2CH2CH3 B．(CH3)2CHCH3‎ C．CH3CH2CH2OH D．CH3CH2COOH 解析：根据核磁共振氢谱的定义，从图中可知有4种化学环境不同的氢原子。分析选项，A项中物质有2种化学环境不同的氢原子，B项中物质有2种化学环境不同的氢原子，C项中物质有4种化学环境不同的氢原子，D项中物质有3种化学环境不同的氢原子。‎ 答案：C ‎6．充分燃烧0.1 mol气态烃A，在标准状况下生成4.48 L CO2和5.4gH2O，则烃A是(　　)‎ A．C2H6 B．C2H4‎ C．C2H2 D．C4H6‎ 解析：n(CO2)＝＝0.2 mol，‎ n(H2O)＝＝0.3 mol，‎ n(烃A):n(C):n(H)＝0.1 mol:0.2 mol:0.6 mol＝1:2:6。‎ - 12 -‎ 答案：A ‎7．某化合物有碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图只有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，该有机物的相对分子质量是60，则该有机物的结构简式是(　　)‎ A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH(OH)CH3‎ C．CH3CH2OH D．CH3COOH 解析：A项中不存在O—H键；C项中相对分子质量不是60；D项中还存在C===O键。‎ 答案：B ‎8．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 解析：从题图中可看出其右边最高峰质荷比为16，是H＋质荷比的16倍，即该有机物的相对分子质量为16，为甲烷。‎ 答案：B ‎9．在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为32的化合物是(　　)‎ 解析：因为在核磁共振氢谱中出现两组峰，说明该有机物分子中处在不同化学环境中的氢原子有两种，且根据题意这两种氢原子个数之比为3:2，分析四个选项：A项中处在不同化学环境中的氢原子有2种，其个数比为6:2，不合题意；B项，，氢原子有3种，其个数比为3:1:1，不合题意；C项，，氢原子有3种，其个数比为6:2:8，不合题意；D项，，氢原子有2种，其个数比为3:2，符合题意。‎ - 12 -‎ 答案：D ‎10．已知有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如下图，下列说法错误的是(　　)‎ A．由红外光谱可知，该有机物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化学环境的氢原子 C．若A的化学式为C3H6O，则其结构简式为CH3COCH3‎ D．仅由其核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数 解析：由红光外谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键，A正确；由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子，B正确；CH3COCH3只有一种氢，不符合题意，C错误；核磁共振氢谱可判断氢原子种类，但仅由其核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数，D正确；答案选C。‎ 答案：C ‎11．有机物分子式的确定常采用燃烧法，其操作如下：在电炉加热下用纯氧气氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成。如图所示是用燃烧法测定有机物分子式常用的装置，其中A管装碱石灰，B管装无水CaCl2。现准确称取1.80 g有机物样品(含C、H元素，还可能含有O元素)，经燃烧被吸收后A管质量增加1.76 g，B管质量增加0.36 g。请按要求填空：‎ ‎(1)此法适宜于测定固体有机物的分子式，此有机物的组成元素可能是________。‎ ‎(2)产生的气体按从左到右的流向，所选各装置导管口的连接顺序是________。‎ ‎(3)E和D中应分别装有何种药品？________。‎ ‎(4)如果将CuO网去掉，A管增加的质量将________(填“增大”“减小”或“不变”)。‎ ‎(5)该有机物的最简式是________。‎ ‎(6)要确定该有机物的分子式，还必须知道的数据是________。‎ A．消耗E中液体的质量 - 12 -‎ B．样品的摩尔质量 C．CuO固体减少的质量 D．C装置增加的质量 E．燃烧消耗氧气的物质的量 ‎(7)在整个实验开始之前，需先让D产生的气体通过整套装置一段时间，其目的是 ‎________________________________________________________________________。‎ 解析：‎ ‎(1)B管质量增加为所吸收的水的质量，A管质量增加为所吸收CO2的质量，则m(H2O)＝0.36 g，m(H)＝0.36 g×2/18＝0.04 g，m(CO2)＝1.76 g，m(C)＝1.76 g×12/44＝0.48 g,1.80 g－0.04 g－0.48 g＝1.28 g，故有机物中除C、H两种元素外，还有O元素。‎ ‎(2)要确定有机物的分子式，首先要确定有机物的组成元素。由题中信息可知，B管吸收水分，A管吸收CO2，所以B管应在A管前面，否则A管会将CO2、H2O一同吸收。有机物在电炉中燃烧需要O2，这就需要将D装置与电炉相连，D装置提供的氧气中有水分，其后应连接C装置除去水分，故导管的接口顺序为g—e—f—h—i—c—d—a—b(其中a与b、c与d的顺序可交换)。‎ ‎(3)E、D中的药品显然是用来制O2的，E中为液体，D中为固体。显然液体是H2O2(或H2O)，固体为MnO2(或Na2O2)。‎ ‎(4)若将氧化铜网去掉，则有机物燃烧产生的CO不能被A管吸收，A管增加的质量减小。‎ ‎(5)由(1)可知，n(H)＝0.04 mol，n(C)＝＝0.04 mol，n(O)＝＝0.08 mol，该有机物的最简式为CHO2。‎ ‎(6)已知最简式为CHO2，只要再知道有机物的相对分子质量，即可求出其分子式。设其分子式为(CHO2)n，则n＝相对分子质量/最简式的式量＝相对分子质量/45。(7)通O2赶尽装置中的CO2和水，否则所求有机物中C、H含量偏高。‎ 答案：‎ ‎(1)C、H、O　(2)gefhicd(或dc)ab(或ba)‎ ‎(3)H2O2(或H2O)、MnO2(或Na2O2)　(4)减小 ‎(5)CHO2　(6)B　(7)除去装置中的空气 ‎12．有机物A可由葡萄糖发酵得到，也可从酸牛奶中提取。纯净的A为无色黏稠液体，易溶于水。为研究A的组成与结构，进行了如下实验：‎ 实验步骤 解释或实验结论 ‎(1)称取A 9.0 g，升温使其汽化，测其密度是相同条件下H2的45倍 试通过计算填空：‎ ‎(1)A的相对分子质量为________‎ ‎(2)将此9.0 g A在足量纯O2‎ ‎(2)A的分子式为 - 12 -‎ 中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现二者质量分别增加5.4 g和13.2 g ‎________‎ ‎(3)另取A 9.0 g，跟足量的NaHCO3粉末反应，生成2.24 L CO2(标准状况)，若与足量金属钠反应则生成2.24 L H2(标准状况)‎ ‎(3)用结构简式表示A中含有的官能团是________‎ ‎(4)A的核磁共振氢谱如下图：‎ ‎(4)A中含有________种氢原子 ‎(5)综上所述，A的结构简式为________‎ 解析：‎ ‎(1)Mr(A)＝D(H2)·Mr(H2)＝45×2＝90。‎ ‎(2)由m(H2O)＝5.4 g，m(CO2)＝13.2 g，知A中m(H)＝0.6 g，m(C)＝3.6 g，故A中还应有O，m(O)＝9.0g－0.6g－3.6g＝4.8g。则A中n(C):n(H):n(O)＝::＝0.3 mol:0.6 mol:0.3 mol＝1:2:1，故A的实验式应为CH2O。又因A的相对分子质量为90，将A的分子式为C3H6O3。‎ ‎(3)A能与NaHCO3反应放出0.1 mol CO2，与Na反应放出0.1 mol H2，故0.1 mol A中有0.1 mol —COOH和0.1 mol —OH。‎ ‎(4)由核磁共振氢谱可知，A有4种氢原子。‎ ‎(5)A的结构简式应为。‎ 答案：‎ ‎(1)90　(2)C3H6O3　(3)—COOH、—OH　(4)4 (5) ‎ 能力达标 ‎13.为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：‎ ‎(1)将一定量的有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成5.4 g H2O和8.8 g CO2，消耗氧气6.72 L(标准状况下)。则该物质的实验式是________。‎ ‎(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如图所示的质谱图，则其相对分子质量为________，该物质的分子式是________。‎ - 12 -‎ ‎(3)根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式：______________________。‎ ‎(4)核磁共振氢谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的峰值(信号)，根据峰值(信号)可以确定分子中氢原子的种类和数目。例如甲基氯甲基醚(Cl—CH2—O—CH3，有2种氢原子)的核磁共振氢谱如图甲所示：‎ 经测定，有机物A的核磁共振氢谱如图乙所示，则A的结构简式为________________。‎ 解析：‎ ‎(1)根据题意有n(H2O)＝0.3 mol，则有n(H)＝0.6 mol；n(CO2)＝0.2 mol，则有n(C)＝0.2 mol。根据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3mol＋2×0.2mol－2×＝0.1mol，则N(C):N(H):N(O)＝n(C):n(H):n(O)＝2:6:1，其实验式为C2H6O。‎ ‎(2)假设该有机物的分子式为(C2H6O)m，由质谱图知其相对分子质量为46，则46m＝46，即m＝1，故其分子式为C2H6O。‎ ‎(3)由A的分子式C2H6O可知A为饱和化合物，推测其结构简式为CH3CH2OH或CH3OCH3。‎ ‎(4)分析A的核磁共振氢谱可知，A有3种不同类型的H原子，而CH3OCH3只有1种类型的H原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。‎ 答案：‎ ‎(1)C2H6O　‎ ‎(2)46　C2H6O ‎(3)CH3CH2OH、CH3—O—CH3　‎ ‎(4)CH3CH2OH ‎14．有A、B两种有机物，按要求回答下列问题：‎ ‎(1)取有机物A 3.0 g，完全燃烧后生成3.6 g水和3.36 L CO2(标准状况)，已知该有机物的蒸气对氢气的相对密度为30，则该有机物的分子式为________。‎ ‎(2)有机物B的分子式为C4H8O2，其红外光谱图如下：‎ - 12 -‎ 试推测该有机物的可能结构：‎ ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 解析：‎ ‎(1)→实验式为C3H8O。‎ Mr(A)＝30×2＝60，Mr[(C3H8O)n]＝60，n＝1，故分子式为C3H8O。‎ ‎(2)根据红外谱图显示，有机物B中有下列特征基团：—CH3、、，且B 分子式为C4H8O2，由此可推断B的可能结构简式为：‎ ‎、、。‎ 答案：‎ ‎(1)C3H8O ‎(2)CH3COCH2OCH3、CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3‎ - 12 -‎