2020高中化学第一章认识有机化合物第四节第2课时元素分析与相对分子质量的测定分子结构的鉴定同步练习新人教版选修5

2020高中化学第一章认识有机化合物第四节第2课时元素分析与相对分子质量的测定分子结构的鉴定同步练习新人教版选修5

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 ‎[明确学习目标]　1.学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，并能据此确定有机化合物的分子式。2.能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。‎ 一、有机物的元素分析和相对分子质量的测定 ‎1．元素分析 分类 定性分析 定量分析 含义 用化学方法鉴定有机物的元素组成 将一定量的有机化合物燃烧并测定各产物的质量，从而推算出各组成元素的质量分数，然后计算有机物分子中所含元素原子最简整数比，确定实验式 举例 完全燃烧后，碳元素变成CO2，氢元素变成H2O 根据CO2的质量确定有机物中C的质量，根据H2O的质量确定有机物中H的质量 ‎2．相对分子质量的测定——质谱法 质荷比：指分子离子或碎片离子的相对质量与其电荷的比值。‎ 质谱图中，质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。‎ 二、有机物分子结构的鉴定 ‎1．红外光谱 ‎(1)作用：初步判断某有机物中含有何种化学键或官能团。‎ ‎(2)原理：不同的官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置。‎ ‎2．核磁共振氢谱 ‎(1)作用：测定有机物分子中氢原子的种类和数目。‎ ‎(2)原理：处在不同化学环境中的氢原子在谱图上出现的位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。‎ ‎(3)应用：吸收峰数＝氢原子种类；吸收峰面积之比＝氢原子数目之比。‎ ‎1．有机物的实验式和分子式有何异同？能否由有机物的实验式直接确定分子式？‎ 提示：实验式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子；分子式是用元素符号表示物质一个分子中的原子种类和个数。某些特殊组成的实验式，可根据其组成特点直接确定其分子式，如实验式为CH3，其分子式为C2H6，氢原子已达到饱和；实验式为CH3O，其分子式为C2H6O2(乙二醇)。‎ - 7 -‎ ‎2．除利用红外光谱法判断某种有机物中含有的化学键或官能团外，是否还可以利用其他方法判断？‎ 提示：定性的实验也可以判断官能团的种类，例如与银氨溶液发生银镜反应的物质中含有—CHO。‎ 一、有机物的元素分析和分子式的确定 ‎1．有机物组成元素的推断 ‎2．确定分子式的方法 ‎(1)直接法：标准状况下有机物的密度(或相对密度)→摩尔质量→1 mol有机物中各原子的物质的量→分子式。‎ ‎(2)最简式法：各元素的质量分数→最简式分子式。‎ ‎(3)商余法：直接由相对分子质量用商余法确定烃的分子式：‎ 用烃的相对分子质量除以碳原子的相对原子质量12，所得商的整数部分就是烃分子中所含碳原子的最大值，余数则为所含氢原子的最小值。‎ ‎(4)化学方程式法：利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。‎ 在有机化学中，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：‎ CxHy＋O2xCO2＋H2O CxHyOz＋O2xCO2＋H2O ‎[即时练]‎ ‎1．某气态有机物X含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，所需的最少条件是(　　)‎ ‎①X中含碳质量分数　②X中含氢质量分数　③X在标准状况下的体积　④质谱确定X的相对分子质量　⑤X的质量 A．①② B．①②④‎ C．①②⑤ D．③④⑤‎ 答案　B 解析　由C、H的质量分数可推出O的质量分数，由各元素的质量分数可确定X的实验式，由相对分子质量和实验式可确定X的分子式。‎ ‎2．将‎3.24 g某有机物装入元素分析装置，然后通入足量氧气使之完全燃烧，将生成的气体依次通过CaCl2管(A)和碱石灰管(B)，测得A管增重‎2.16 g，B管增重‎9.24 g。已知该有机物的相对分子质量小于200，求其实验式并推测其分子式。‎ 答案　实验式：C7H8O　分子式：C7H8O - 7 -‎ 解析　n(C)＝＝0.21 mol n(H)＝×2＝0.12 mol×2＝0.24 mol n(O)＝ ‎＝0.03 mol n(C)∶n(H)∶n(O)＝7∶8∶1‎ 实验式为C7H8O，式量是108。由于该有机物的相对分子质量小于200，所以该有机物的分子式为C7H8O。‎ 规律方法 有机物元素定量分析的方法步骤 二、有机物分子结构的鉴定 ‎1．根据价键规律确定 某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构式。例如C2H6，只能是CH3CH3。‎ ‎2．通过定性实验确定 实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。‎ 如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有或—C≡C—，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。‎ ‎3．通过定量实验确定 ‎(1)通过定量实验确定有机物的官能团，如乙醇结构式的确定；‎ ‎(2)通过定量实验确定官能团的数目，如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体，则可说明该醇分子含2个—OH。‎ ‎4．根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物 实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律，如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼合”。‎ ‎5．确定有机物结构的物理方法 ‎(1)红外光谱的应用 当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。‎ ‎(2)核磁共振氢谱的应用 - 7 -‎ 处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在光谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目。‎ ‎[即时练]‎ ‎3．(1)有机物A的质谱图和红外光谱图分别如下：‎ ‎①A的结构简式为________________________________________________。‎ ‎②写出属于醇类，与A互为同分异构体的结构简式：__________________‎ ‎___________________________________________________________________。‎ ‎(2)相对分子质量不超过100的有机物B，既能与金属钠反应产生无色气体，又能与碳酸钠反应产生无色气体，还可以使溴的四氯化碳溶液褪色。B完全燃烧只生成CO2和H2O。经分析，其含氧元素的质量分数为37.21%。经核磁共振检测发现B的氢谱如下：‎ B的结构简式为__________________________________________________。‎ 答案　(1)①CH3CH2OCH2CH3‎ 解析　(1)①质谱图中，质荷比的最大值表示样品分子的相对分子质量，故A的相对分子质量为74，由红外光谱图能够推断出A中含有对称的—CH3与—CH2—和醚键，‎ - 7 -‎ 所以A为CH3CH2OCH2CH3。②由于C4H9—有4种结构，故A属于醇类的同分异构体有4种。‎ ‎(2)推断化合物B既要结合氢谱图，还要根据B的性质。B能与金属钠反应产生无色气体，也能与碳酸钠反应产生无色气体，说明B中至少含有一个羧基，同时还可能含有羟基等，为含氧衍生物。根据含氧量可以试推出B的相对分子质量，如分子中含有2个氧原子，则B的相对分子质量为86，如果含有3个氧原子，相对分子质量为129，大于100，不符合要求，所以B只含有一个羧基，又因为可以使溴的四氯化碳溶液褪色，所以还含有碳碳双键。B的分子式为C4H6O2，再结合核磁共振氢谱图显示B中含有三种等效氢，可以推断其结构简式为 CH2===C(CH3)COOH。‎ 规律方法 确定有机物分子式(结构式)的一般思路 本章归纳总结 ‎　　‎ ‎1．某有机物完全燃烧只生成CO2和H2O，两者的物质的量之比为2∶3，因而可以说(　　)‎ A．该有机物中含C、H、O三种原子 B．该化合物是乙烷 C．该化合物中C、H原子个数比为2∶3‎ D．该化合物中含C原子和H原子，但不能确定是否含有O原子 答案　D 解析　有机物燃烧生成CO2和H2O的物质的量之比为2∶3，说明有机物中含有C、H元素，而且物质的量之比为1∶3，而有没有O元素则不能确定，可能是乙烷，也可能是乙醇或者甲醚等等。‎ - 7 -‎ ‎2．下列说法错误的是(　　)‎ A．从核磁共振氢谱图上可以推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目 B．红外光谱是用高能电子流等轰击样品分子，使分子失去电子变成分子离子或碎片离子 C．质谱法具有快速、微量、精确的特点 D．通过红外光谱图可以初步判断有机物所含的官能团 答案　B 解析　核磁共振氢谱可测定有机物分子中氢原子的种类及各种类氢原子的个数比；质谱法是快速、微量、精确测定有机物的相对分子质量的方法，它用高能电子流等轰击样品分子，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子；从红外光谱图上可以获得分子中含有的化学键或官能团的信息。‎ ‎3．为测定某有机物的结构，用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱，则该有机物可能是(　　)‎ 答案　A 解析　由题图可知，该分子中有3种氢原子。乙醇分子中有3种氢原子，A正确；连在同一个碳原子上的甲基上的氢原子相同，所以B有2种氢原子，错误；C有4种氢原子，错误；该分子结构对称，D有2种氢原子，错误。‎ ‎4．某有机物在氧气中充分燃烧，生成的水蒸气和CO2的物质的量之比为1∶1，由此可得出的结论是(　　)‎ A．该有机物分子中C、H、O的个数比为1∶2∶3‎ B．分子中碳、氢原子个数比为2∶1‎ C．有机物中必定含氧 D．无法判断有机物中是否含有氧元素 答案　D 解析　由n(H2O)∶n(CO2)＝1∶1，可推知n(C)∶n(H)＝1∶2，要想判断有机物中是否含氧，应知道；m(H2O)、m(CO2)及有机物的质量。若m(有机物)＝m(C)＋m(H)，则不含氧元素；若m(有机物)>m(C)＋m(H)，则含氧元素。‎ - 7 -‎ ‎5．汽车污染主要来源于汽车配件和材料、操控台、坐椅、车顶毡、脚底垫和所使用的零配件、胶水、涂料、泡沫、塑料、橡胶、皮革、皮革着色剂、填充料等汽车本身的物件，它们都会产生大量的有毒气体，这些有毒气体大都是有机物。其中一种有毒气体的质谱图如下图，‎ 则由图可知该分子的相对分子质量是________，若该分子含有苯环，核磁共振氢谱中有4个吸收峰，则有机物的名称为________，其苯环上的一氯代物有________种。‎ 答案　92　甲苯　3‎ 解析　从质谱图中可以看出该分子的相对分子质量为92，再根据核磁共振氢谱中有4个吸收峰，可以判断出应是甲苯，其苯环上的一氯代物有3种。‎ ‎6．化学式为C3H6O2的二元混合物，如果在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情况：第一种情况峰的给出强度为3∶3，第二种情况峰的给出强度为3∶2∶1。由此可推断混合物的组成可能是(写结构简式)__________________。‎ 答案　CH3COOCH3和CH3CH2COOH(或CH3COOCH3和HCOOCH2CH3) ‎ 解析　C3H6O2当峰强度比为3∶3时，我们可以知道有两种类型氢，而且两种类型氢的数目相等，因此该物质应是CH3COOCH3。第二种情况峰强度比为3∶2∶1，可知共有三种类型的氢。氢原子个数比为3∶2∶1，由此我们写出了C3H6O2的结构简式为CH3CH2COOH或HCOOCH2CH3。‎ - 7 -‎