2021学年实验活动2 有机化合物中常见官能团的检验同步达标检测题

1.2.2　有机物分子式与分子结构的确定

一、确定实验式—元素分析

 通过定性、定量分析等过程，确定有机化合物的实验式（也称最简式）。

1. 元素定量分析的原理

2. 元素定量分析的方法步骤

【注】①实验式(最简式)与分子式的关系：分子式＝(最简式)n。

      ②若有机物的实验式中，碳原子已达到饱和，则该物质的实验式与分子式相同，如实验式为CH4、C2H6O的物质，则对应的分子式为CH4、C2H6O。

例1.已知由C、H、O元素组成的某化合物9.2 g完全燃烧后可以得到17.6 g CO2和10.8 g H2O，通过计算确定该化合物的分子式。(写出解题过程)

[解]　n(C)＝＝0.4 mol，

n(H)＝×2＝1.2 mol，

n(O)＝＝＝0.2 mol

故n(C)∶n(H)∶n(O)＝N(C)∶N(H)∶N(O)＝2∶6∶1

该化合物的实验式为C2H6O，分子式也为C2H6O。

答：该化合物的分子式为C2H6O。

二、确定分子式——质谱法

1．原理

2.质荷比

有机分子离子或碎片离子的相对质量与电荷的比值，即质荷比。

质谱图中质荷比的最大值等于该有机物的相对分子质量，与相对丰度无关。质谱图：以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。如下图为某有机物的质谱图：

从图中可知，该有机物的相对分子质量为46，即质荷比最大的数据就是样品分子的相对分子质量。

3.分子式的确定

确定物质的实验式（最简式）和相对分子质量之后，可以进一步确定其分子式。

依据：分子式是实验式的整数倍。

例2.测出苯的分子式为(CH)x，则M[(CH)]x=78，求其分子式。

[解]设苯的分子式为(CH)x，则M[(CH)]x=78，即13x=78,得x=6。所以苯的分子式为C6H6。

三、确定分子结构——波谱分析

1.确定有机化合物结构的方法

确定有机化合物结构的方法有化学方法和物理方法。化学方法以官能团的特征反应为基础，确定出官能团；物理方法主要有红外光谱法、核磁共振氢谱法。X射线衍射法等。

2.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：CH3CH2OH或CH3OCH3，利用红外光谱来测定，分子中有O—H或—OH可确定A的结构简式为CH3CH2OH。

3．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，相应的信号在谱图上出现的位置不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

(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＝ 氢原子的种类 ，吸收峰面积比＝ 氢原子个数比 。

例3. 分子式为C2H6O的有机物A的核磁共振氢谱如图，可知A中有3种不同化学环境的氢原子且个数比为3∶2∶1，可推知该有机物的结构应为CH3CH2OH。

3．X射线衍射

(1)原理：X射线是一种波长很短的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。

(2)作用：可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，用于有机化合物晶体结构的测定。

例4. 为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：

第一步，分子式的确定。

(1)将有机物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)，则该有机物的实验式是________。

(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如图①所示质谱图，则其相对分子质量为________，该物质的分子式是________。

第二步，结构简式的确定。

(3)根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式：

_____________________________________________________。

(4)经测定，有机物A的核磁共振氢谱如图②所示，则A的结构简式为_________________________________________________。

【解析】 (1)根据题意，n(H2O)＝0.3 mol，则n(H)＝0.6 mol；n(CO2)＝0.2 mol，则n(C)＝0.2 mol；根据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3  mol＋2×0.2  mol－2×＝0.1 mol，则该物质分子中各元素原子个数比N(C)∶N(H)∶N(O)＝n(C)∶n(H)∶n(O)＝2∶6∶1，该有机物的实验式为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的分子式为C2H6O可知，A为饱和有机化合物，可推测其结构为CH3CH2OH或CH3OCH3。(4)分析A的核磁共振氢谱图可知：A有三种不同化学环境的氢原子，CH3OCH3只有一种化学环境的氢原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。

【答案】  (1)C2H6O　(2)46　C2H6O　(3)CH3CH2OH(或CH3—O—CH3)　(4)CH3CH2OH

【拓展】确定有机物分子式的其它方法

1．确定分子式的方法

(1)根据有机物中各元素的质量分数，求出有机物的实验式，再根据有机物的相对分子质量确定分子式。

(2)根据有机物的摩尔质量和各元素的质量分数，求出1 mol 该有机物中各元素原子的物质的量，从而确定出该有机物的分子式。

(3)根据有机物燃烧时消耗O2的量及产物的量，求出有机物的实验式，再通过计算确定出有机物的分子式。

(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＋(x＋)O2xCO2＋H2O；

CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O。

(5)余数法

用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。

＝＝A……

其中商数A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物等)。

2．有机物分子结构的确定(物理方法)

练习1．某有机物质量为8.80 g，完全燃烧后得到CO2 22.0 g、H2O 10.8 g，该有机物的蒸气密度是相同状况下H2密度的44倍，则该有机物的分子式为 (　　)

A．C5H6O　　　　　　　　 B．C5H12

C．C5H12O2   D．C5H12O

答案 D　[该有机物的蒸气密度是相同条件下氢气密度的44倍，则该有机物的相对分子质量为2×44＝88,8.80 g有机物的物质的量为＝0.1 mol,22.0 g CO2的物质的量为＝0.5 mol,10.8 g水的物质的量为＝0.6 mol，故1个分子中C原子数目为＝5，H原子数目为＝12，分子中C、H的相对原子质量之和为12×5＋12＝72，故1个该有机物分子中还含1个氧原子，则该有机物的分子式为C5H12O，故选D。]

练习2．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、O—H和C—O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，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。

练习3.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

练习4．符合下面核磁共振氢谱图的有机物是(　　)

A．CH3COOCH2CH3

B．CH2==CHCH2CH3

C．

D．

答案　A

解析　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。

练习5.有机物A常用于食品行业，已知9.0 g A在足量O2中充分燃烧，将生成的混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重5.4 g和13.2 g，经检验剩余气体为O2。

(1)A分子的质谱图如图所示，从图中可知其相对分子质量是________，则A的分子式是________。

(2)A能与NaHCO3溶液发生反应，A一定含有的官能团名称是________。

(3)A分子的核磁共振氢谱有4个峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则A的结构简式是_________________________________________。

解析  (1)根据图示可知其相对分子质量等于其最大质荷比，即其相对分子质量为90；9.0 g A的物质的量为0.1 mol，在足量O2中充分燃烧，气体产物依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，增重分别为水蒸气和CO2的质量，即n(H2O)＝0.3 mol，n(CO2)＝0.3 mol，则该有机物中含N(H)＝×2＝6，N(C)＝＝3，则N(O)＝＝3，即有机物A的分子式为C3H6O3。(2)A能和碳酸氢钠溶液反应，说明A中一定含有的官能团为羧基。(3)A分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，说明A中含1个—OH、1个—COOH、1个和1个—CH3，即A的结构简式为。

答案  (1)90　C3H6O3　(2)羧基

(3)