2020版高中化学第一章元素分析与相对分子质量的测定　分子结构的鉴定学案（含解析）

2020版高中化学第一章元素分析与相对分子质量的测定　分子结构的鉴定学案（含解析）

元素分析与相对分子质量的测定　分子结构的鉴定[核心素养发展目标]　1.宏观辨识与微观探析：通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器测定、探析有机物的分子组成、结构，揭示有机物结构的异同；能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。2.证据推理与模型认知：从官能团的鉴别，构建不同有机物的结构模型，结合官能团的性质，推理出各类有机物的特性。一、元素分析与相对分子质量的测定1．元素分析(1)定性分析用化学方法鉴定有机物的元素组成。如完全燃烧后，一般情况下：C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。(2)定量分析——确定有机物的实验式(最简式)①测定原理将一定量的有机物燃烧并测定各产物的质量，从而推断出各元素的质量分数，然后计算出有机物分子中所含元素原子的最简整数比，确定有机物的最简式。②测定步骤(李比希法)③实验式(最简式)与分子式的关系：分子式＝(最简式)n。2．有机物相对分子质量的测定——质谱法n(1)原理用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。分子离子和碎片离子各自具有不同的相对质量，它们在磁场的作用下到达检测器的时间将因质量不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。(2)质荷比：指分子离子、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。例如，由上图可知，样品分子的相对分子质量为46。例1　某化合物6.2g在氧气中完全燃烧，只生成8.8gCO2和5.4gH2O。下列说法正确的是(　　)A．该化合物仅含碳、氢两种元素B．该化合物中碳、氢原子个数比为1∶2C．该有机物的分子式为C2H6D．该化合物中一定含有氧元素答案　D解析　n(CO2)＝0.2mol，n(C)＝n(CO2)＝0.2mol，m(C)＝0.2mol×12g·mol－1＝2.4g；n(H2O)＝0.3mol，n(H)＝2n(H2O)＝0.6mol，m(H)＝0.6g；n(C)∶n(H)＝0.2mol∶0.6mol＝1∶3；m(C)＋m(H)＝2.4g＋0.6g＝3.0g＜6.2g，所以该化合物中一定含有氧元素，其质量为6.2g－3.0g＝3.2g，其物质的量n(O)＝＝0.2mol。n(C)∶n(H)∶n(O)＝N(C)∶N(H)∶N(O)＝1∶3∶1，实验式为CH3O，无法确定其分子式。【考点】　有机物分子式的确定【题点】　有机物组成元素的分析及应用有机物完全燃烧的产物为CO2和H2O，确定是否含有氧元素的方法：通过相关的实验可以先确定CO2和H2O的质量，进而求得有机物中所含碳元素和氢元素的质量。m(C)＝×m(CO2)，m(H)＝×m(H2O)。若m(有机物)＝m(C)＋m(H)，则说明该有机物中只含碳和氢两种元素。若m(有机物)>m(C)＋m(H)，且完全燃烧只生成CO2和H2O，则说明有机物中含有C、H、O三种元素，其中m(O)＝m(有机物)－m(C)－m(H)。例2　某有机物的结构确定：(1)测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%，则其实验式是________。(2)确定分子式：如图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为_________；分子式为_________。n答案　(1)C4H10O　(2)74　C4H10O解析　(1)该物质中碳、氢、氧原子个数之比＝∶∶≈4∶10∶1，其实验式为C4H10O。(2)由质谱图知其相对分子质量为74，而其实验式的相对分子质量为12×4＋1×10＋16＝74，故其分子式为C4H10O。相关链接有机物相对分子质量的计算方法(1)标态密度法：根据标准状况下气体的密度，求算该气体的相对分子质量：Mr＝22.4×ρ。(2)相对密度法：根据气体A相对于气体B的相对密度D，求算该气体的相对分子质量：MA＝D×MB。(3)混合物的平均相对分子质量：＝。二、分子结构的鉴定1．红外光谱(1)原理：不同官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。(2)作用：初步判断有机物中含有的官能团或化学键。如分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构：Ⅰ(CH3CH2OH)或Ⅱ(CH3OCH3)，利用红外光谱来测定，分子中有O—H键或—OH可确定A的结构简式为Ⅰ(CH3CH2OH)。2．核磁共振氢谱(1)原理：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，在谱图上出现的位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数目成正比。(2)作用：测定有机物分子中氢原子的类型和数目。(3)分析：吸收峰数目＝氢原子的类型，吸收峰面积比＝氢原子个数比。如CH3CH2OH的吸收峰面积比＝3∶2∶1。谱图法在确定有机物分子结构中的应用(1)核磁共振氢谱图中，峰的个数即氢原子的种类数，而峰面积之比为各类氢原子个数之比。n(2)不同化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中所处位置不同。因此，可根据红外光谱图，推知有机物分子中含有哪些化学键、官能团，从而确定有机物的结构。(3)质谱图中，质荷比最大值即为有机物的相对分子质量。例3　已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法中错误的是(　　)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．仅由A的核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数D．若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3—O—CH3答案　D解析　红外光谱图中给出的化学键有C—H键、O—H键和C—O键三种，A正确；核磁共振氢谱图中峰的个数即代表氢的种类，B正确；核磁共振氢谱峰的面积表示氢的数目比，在没有明确化学式的情况下，无法得知氢原子总数，C正确；若A为CH3—O—CH3，则无O—H键，与所给红外光谱图不符，且其核磁共振氢谱图应只有1个峰，与核磁共振氢谱图不符，D错误。【考点】　有机物结构式的鉴定【题点】　根据核磁共振氢谱图判断有机物的结构简式例4　(2018·长春调研)有机物X是一种重要的有机合成中间体，用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。为研究X的组成与结构，进行了如下实验：(1)有机物X的质谱图如图所示，该有机物X的相对分子质量为________。n(2)将10.0gX在足量O2中充分燃烧，并将其产物依次通过足量的无水CaCl2和KOH浓溶液，发现无水CaCl2增重7.2g，KOH浓溶液增重22.0g。该有机物X的分子式为______。(3)经红外光谱测定，有机物X中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰，峰面积之比为3∶1。该有机物X的结构简式为______。答案　(1)100　(2)C5H8O2　(3)(CH3)2C(CHO)2解析　(1)质谱图中质荷比最大数值即为相对分子质量，由质谱图可知有机物X的相对分子质量为100。(2)无水CaCl2增重的7.2g是水的质量，10.0gX中氢元素的物质的量＝×2＝0.8mol，KOH浓溶液增重的22.0g是二氧化碳的质量，10.0gX中碳元素的物质的量＝＝0.5mol，根据质量守恒，氧元素的质量为10.0g－0.8mol×1g·mol－1－0.5mol×12g·mol－1＝3.2g，则氧元素的物质的量为＝0.2mol，则该分子中碳、氢、氧元素的个数之比为0.5mol∶0.8mol∶0.2mol＝5∶8∶2，结合X的相对分子质量可知，有机物X的分子式为C5H8O2。(3)有机物X中含有醛基，有机物X的核磁共振氢谱图上有2个吸收峰，则分子中含有2种不同化学环境的氢原子，其中一种是醛基中的氢原子，又峰面积之比为3∶1，则含两个醛基，故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。思维启迪根据有机物分子结构的确定过程，学会有机化合物分子结构测定的方法及证据的获取，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。相关链接确定有机物的结构式的其他方法确定有机物的结构式除借用物理方法外，还可以用以下方法：(1)根据价键规律确定根据价键规律可以判断出某些有机物只存在一种结构，则可直接根据分子式确定其结构式。如C2H6的结构只能是CH3CH3；CH4O的结构只能是CH3OH。(2)通过化学方法确定①进行定性实验实验中有机物表现出的性质→官能团。②进行定量实验通过定量实验确定官能团的数目，如测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体，则可说明1mol醇分子中含2mol—OH。③进行“组装”确定根据实验测得的官能团种类、数目，联系价键规律等进行“组装”和“拼凑”来确定有机物的结构式。n有机物结构确定的方法思路1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)验证有机物属于烃时只需测定产物中的CO2和H2O的物质的量之比(×)(2)有机物燃烧后只生成CO2和H2O的物质不一定只含有碳氢两种元素(√)(3)有机物的实验式、分子式一定不同(×)(4)元素分析法和质谱法能分别确定有机物的实验式和相对分子质量(√)(5)质谱图中最右边的谱线表示的数值为该有机物的相对分子质量(√)(6)核磁共振氢谱中有几个吸收峰就有几个氢原子(×)(7)质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法均能确定有机物的分子结构(×)(8)CH3COOCH3在核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰(×)2．(2018·石家庄市高二下学期期末)下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是(　　)A．红外光谱B．质谱法C．色谱法D．核磁共振氢谱答案　A解析　红外光谱可测定有机物的化学键以及官能团。【考点】　有机物结构式的鉴定【题点】　谱图法应用法3.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．乙烯答案　B解析　从题图中可看出其右边最高质荷比为16，是H＋质荷比的16倍，即其相对分子质量为16，为甲烷。n【考点】　有机物结构式的鉴定【题点】　根据质荷比判断有机物的结构简式4．符合下面核磁共振氢谱图的有机物是(　　)A．CH3COOCH2CH3B．CH2==CHCH2CH3C．D．答案　A解析　分析选项中各有机物不同化学环境的氢原子的种数及原子个数(吸收强度)之比，再与已知核磁共振氢谱对照即可找出答案。A中物质有3种不同化学环境的氢原子，个数之比为2∶3∶3；B中物质有4种不同化学环境的氢原子，个数比为2∶1∶2∶3；C中物质有4种不同化学环境的氢原子，个数比为3∶2∶2∶1；D中物质有3种不同化学环境的氢原子，个数比为3∶1∶1。核磁共振氢谱图中有3种不同化学环境的氢原子，再由氢原子个数(吸收强度)之比可知A项符合。【考点】　有机物结构式的鉴定【题点】　根据核磁共振氢谱图判断有机物的结构简式5．根据研究有机物的步骤和方法填空：(1)测得A的蒸气密度是同状况下甲烷的4.375倍。则A的相对分子质量为________。(2)将5.6gA在足量氧气中燃烧，并将产物依次通过浓硫酸和碱石灰，分别增重7.2g和17.6g。则A的实验式为________；A的分子式为______。(3)将A通入溴水，溴水褪色，说明A属于______(若不褪色，则A属于________)。(4)A的核磁共振氢谱如下：综上所述，A的结构简式为________。n答案　(1)70　(2)CH2　C5H10　(3)烯烃　环烷烃(4)解析　(1)根据公式M＝D·M(CH4)计算该有机物的相对分子质量等于16×4.375＝70。(2)由A的燃烧反应知，5.6gA含m(C)＝17.6g×＝4.8g，m(H)＝7.2g×＝0.8g，确定该有机物只含碳、氢两种元素，实验式为CH2，设分子式为(CH2)n，则12n＋2n＝70，n＝5，分子式为C5H10。(3)符合分子式为C5H10的有烯烃和环烷烃，若能使溴水褪色，则为烯烃，若不能，则为环烷烃。(4)该核磁共振氢谱图共有4个吸收峰，吸收峰面积之比为1∶1∶2∶6，则符合题意。【考点】　研究有机化合物的基本步骤【题点】　确定结构方法的综合应用题组一　元素分析与相对原子质量的测定1．某有机物在氧气中充分燃烧，生成CO2和H2O的物质的量之比为1∶2，则下列说法中正确的是(　　)A．分子中C、H、O原子个数之比为1∶2∶3B．分子中C、H原子个数之比为1∶4C．该有机物中一定含有氧元素D．此有机物的最简式为CH4答案　B解析　只根据生成物CO2和H2O无法确定该有机物中是否含有氧元素。由题意知N(C)∶N(H)＝1∶4。【考点】　有机物分子式的确定【题点】　有机物分子式的确定方法2．下列有关说法错误的是(　　)A．李比希法是定量研究有机物中元素组成的方法B．元素分析仪可用于分析有机物中的元素组成C．利用李比希法可以确定有机物分子的最简式D．元素分析可以确定未知物的分子式答案　Dn解析　元素分析只能确定组成分子的各原子最简单的整数比，不能确定未知物的分子式。【考点】　有机物分子式的确定【题点】　有机物分子式的确定方法3．某气态有机物X含C、H、O三种元素。现欲确定X的分子式，下列条件中所需的最少条件是(　　)①X中碳的质量分数　②X中氢的质量分数　③X在标准状况下的体积　④质谱图确定X的相对分子质量⑤X的质量A．①②B．①②④C．①②⑤D．③④⑤答案　B解析　由①②可得有机物的实验式，由①②④可知有机物的分子式。【考点】　有机物分子式的确定【题点】　有机物分子式的确定方法4．(2018·岐山县高二下学期期末)某有机物蒸气完全燃烧需三倍于其体积的氧气，产生二倍于其体积的二氧化碳(体积均在相同状况下测定)，该有机物可能是(　　)A．C3H7OHB．CH3CHOC．CH3COCH3D．C2H4答案　D解析　设有机物分子式为CxHyOz，燃烧的通式为CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O，解得x＝2，y－2z＝4。由x＝2知A、C项不合题意；B项，把y＝4，z＝1代入y－2z＝4知不合题意，故答案选D。题组二　波谱法确定有机物的分子结构式5．(2018·天津市高二下学期期末)乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别如下：和在下列哪种检测仪上显示出的信号是完全相同的(　　)A．李比希元素分析仪B．红外光谱仪C．核磁共振仪D．质谱仪答案　An解析　李比希元素分析仪检测的是元素的种类，乙酸和甲酸甲酯的元素种类相同，都含有C、H、O三种元素，A正确；红外光谱仪检测的是化学键和官能团的结构特征，乙酸中含有羧基、甲酸甲酯中含有酯基，信号不完全相同，B错误；核磁共振仪检测的是氢原子的种类，乙酸中含有2种氢原子，有2个峰且峰面积之比为3∶1，甲酸甲酯中含有2种氢原子，有2个峰且峰面积之比为1∶3，峰的位置不完全相同，C错误；质谱仪检测的是分子的相对分子质量，二者的相对分子质量相同，但分子碎片的相对质量不完全相同，D错误。6．(2018·安庆市一中高二下学期期中)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(　　)A．C2H5OHB．C．D．答案　A解析　根据有机物的核磁共振氢谱知该有机物中含有3种氢原子，且峰面积之比为3∶2∶1，根据等效氢的概念判断。乙醇分子中含有3种氢原子，峰面积之比为3∶2∶1，故A正确；2甲基丙烯中含有2种氢原子，故B错误；对氨基苯酚中含有4种氢原子，故C错误；对二甲苯中含有2种氢原子，故D错误。7．(2018·博兴县高二下学期期中)下列有机物分子中，在核磁共振氢谱中信号强度(个数比)是1∶3的是(　　)A．丙烷B．1,2,3三甲基苯C．异丙醇D．答案　A解析　丙烷的结构简式为CH3CH2CH3，分子中在核磁共振氢谱中信号强度(个数比)是2∶6＝1∶3，A正确；1,2,3三甲基苯分子中在核磁共振氢谱中信号强度(个数比)是6∶3∶2∶1，B错误；异丙醇分子中在核磁共振氢谱中信号强度(个数比)是6∶1∶1，C错误；分子在核磁共振氢谱中信号强度(个数比)是9∶1，D错误。8．某有机物A的分子式为C4H10O，红外光谱图如图所示，则A的结构简式为(　　)nA．CH3CH2OCH2CH3B．CH3OCH2CH2CH3C．CH3CH2CH2OCH3D．(CH3)2CHOCH3答案　A解析　红外光谱图中显示存在对称的甲基、对称的亚甲基和醚键可得分子的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。【考点】　有机物结构式的鉴定【题点】　根据质荷比判断有机物的结构简式9．某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图有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，其核磁共振氢谱只有3组峰，则该有机物的结构简式是(　　)A．CH3CH2OCH3B．CH3CH(OH)CH3C．CH3CH2CH2OHD．CH3CH2CHO答案　B解析　由红外光谱图知该有机物的分子中含C—H键、O—H键、C—O键，A项中无O—H键，D项中无O—H键、C—O键，B、C项含有三种化学键且相对分子质量都是60，但B项核磁共振氢谱有3组峰，C项有4组峰，故B项正确。【考点】　研究有机化合物的基本步骤【题点】　确定结构方法的综合应用10．(2017·河北邯郸一中高二月考)某有机物A用质谱仪测定如图①，核磁共振氢谱示意图如图②，则A的结构简式可能为(　　)A．HCOOHB．CH3CHOC．CH3CH2OHD．CH3CH2CH2COOH答案　Cn解析　根据图示可知，该有机物的最大质荷比为46，则A的相对分子质量为46，故B、D错误；根据图示核磁共振氢谱可知，A分子的核磁共振氢谱有3组吸收峰，则其分子中有3种H原子，且峰面积之比为3∶2∶1，HCOOH分子中含有2种H原子，CH3CH2OH分子中含有3种H原子，且峰面积之比为3∶2∶1，故C正确。【考点】　研究有机化合物的基本步骤【题点】　确定结构方法的综合应用11．某化合物的结构(键线式)及球棍模型如下：该有机分子的核磁共振氢谱图如下(单位是ppm)：下列关于该有机物的叙述正确的是(　　)A．该有机物不同化学环境的氢原子有6种B．该有机物属于芳香化合物C．键线式中的Et代表的基团为—CH3D．该有机物在一定条件下能完全燃烧生成CO2和H2O答案　D解析　A项，由核磁共振氢谱图可知有8种不同化学环境的氢原子，错误；B项，由键线式可看出，该物质中无苯环，不属于芳香化合物，错误；C项，由键线式和球棍模型对照可知Et为—CH2CH3，错误；D项，该化合物分子中含有碳、氢、氧三种元素，可完全燃烧生成CO2和H2O，正确。【考点】　有机物结构式的鉴定【题点】　根据核磁共振氢谱图判断有机物的结构简式12．某芳香烃A的质谱图如图所示：n(1)A的名称为________。(2)A的一氯代物共有________种。(3)A中最多有________个原子共平面。(4)已知9.2gA在足量O2中充分燃烧，混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重________g和________g。(5)A分子的核磁共振氢谱有________个峰，峰面积之比为________。答案　(1)甲苯　(2)4　(3)13　(4)7.2　30.8(5)4　1∶2∶2∶3解析　(1)根据“芳香烃”知必含苯环，根据质荷比为92可知相对分子质量为92，可得A为甲苯。(2)甲苯中苯环上的一氯代物有三种，分别为与甲基相邻、相间和相对，甲基上还有一种，共四种。(3)苯环上的12个原子肯定在一个平面上，甲基中的碳原子相当于苯环上的一个氢原子肯定在平面上，甲烷分子中与碳原子共平面的氢原子最多有两个，将甲基的共面问题类比甲烷的共面，所以最多有13个原子共平面。(4)9.2g甲苯完全燃烧可得0.4mol水和0.7molCO2，即7.2g水和30.8g二氧化碳。13．按要求回答下列问题：(1)有机物X的分子式为C4H8O2，其红外光谱如图所示：则该有机物可能的结构为________(填字母)。A．CH3COOCH2CH3B．CH3CH2COOCH3C．HCOOCH2CH2CH3D．(CH3)2CHCOOH(2)有机物Y的结构可能有和两种，要对其结构进行物理方法鉴定，可用________。n①有机物Y若为，则红外光谱中应该有__________个振动吸收；核磁共振氢谱中应有________个峰。②有机物Y若为，则红外光谱中应该有________个振动吸收；核磁共振氢谱中应有________个峰。答案　(1)AB　(2)红外光谱法　①5　2　②3　2解析　(1)A、B项都有两个—CH3，且不对称，都含有C==O、O—C—C，所以A、B项符合图示；C项只有一个—CH3，不会出现不对称的现象；D项中没有O—C—C键，且—CH3为对称结构。(2)①中，化学键有C==O、C—O、O—H、C—C、C—H，所以共有5个振动吸收；分子中含有2种氢(—CH3、—OH)，所以核磁共振氢谱中应有2个峰。②中，化学键有C==O、C—O—C、C—H，所以共有3个振动吸收；分子中含有2种氢(—CH3、)，所以核磁共振氢谱中应有2个峰。【考点】　研究有机化合物的基本步骤【题点】　确定结构方法的综合应用14．(2018·天津市高二下学期期末)下列装置中有机物样品在电炉中充分燃烧，通过测定生成的CO2和H2O的质量，来确定有机物的分子式。请回答下列问题：(1)B装置中试剂X可选用________。(2)D装置中无水氯化钙的作用是________________________________________；E装置中碱石灰的作用是________________。(3)若实验中所取样品只含C、H、O三种元素中的两种或三种，准确称取0.44g样品，经充分反应后，D装置质量增加0.36g，E装置质量增加0.88g，已知该物质的相对分子质量为44，则该样品的化学式为________。(4)若该有机物的核磁共振氢谱如下图所示，峰面积之比为1∶3。n则其结构简式为________。(5)某同学认为E和空气相通，会影响测定结果准确性，应在E后再增加一个E装置，其主要目的是________________________________________________________________________。答案　(1)浓硫酸　(2)吸收生成的水　吸收生成的二氧化碳　(3)C2H4O　(4)CH3CHO　(5)吸收空气中的二氧化碳和水蒸气解析　(1)B装置用于干燥通入C中的氧气，试剂X可选用浓硫酸。(2)D装置中无水氯化钙是吸收生成的水；E装置中碱石灰是吸收生成的二氧化碳。(3)E装置质量增加0.88g为二氧化碳的质量，可得碳元素的质量：.88g×＝0.24g，D装置质量增加0.36g是水的质量，可得氢元素的质量：0.36g×＝0.04g，从而可推出含氧元素的质量为：(0.44－0.24－0.04)g＝0.16g，设最简式为CxHyOz，则x∶y∶z＝∶∶＝2∶4∶1，即最简式为C2H4O。(4)根据该有机物的核磁共振氢谱图，峰面积之比为1∶3，则其结构简式为CH3CHO。(5)某同学认为E和空气相通，会影响测定结果准确性，应在E后再增加一个E装置，吸收空气中的二氧化碳和水蒸气，避免产生误差。