陕西省高二化学鲁科版选修5学案321 有机化合物分子式的确定2.docx

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陕西省高二化学鲁科版选修5学案321有机化合物分子式的确定2

第2节　有机化合物结构的测定

第1课时　有机化合物分子式的确定

[学习目标定位]　通过对典型实例的分析，初步学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，并能据其确定有机化合物的分子式。

1．根据所学知识，回答下列问题

（1）标准状况下密度为2.86g·L－1的某气体的相对分子质量为64；

（2）分子中含有4个碳原子的烷烃的相对分子质量是58，其饱和一元羧酸的相对分子质量是88。

（3）相对分子质量为142的烷烃的分子式为C10H22，相对分子质量为142的饱和一元醛的分子式是C9H18O。

（4）相对分子质量为74的饱和一元醇的分子式为C4H10O，相对分子质量为74的饱和一元羧酸的分子式是C3H6O2。

2．人类对有机化合物的研究经历了“从天然动植物中提取、分离出一些纯净物”、“研究有机化合物的组成、结构、性质和应用”、“根据需要对有机化合物分子进行设计和合成”的发展过程。

科学研究有机化合物的组成时，需要知道该化合物由哪些元素组成、各元素的质量分数是多少，由此就能够知道有机化合物的实验式。

3．组成有机化合物的元素种类并不多，最常见的是C、H、O、N、X等元素。

如果将有机化合物在氧气中燃烧，燃烧后的碳元素将转化成CO2，氢元素将转化成H2O。

将产物分别用碱液和吸水剂吸收，称重后即可分别计算出样品有机化合物中碳、氢元素的质量分数。

探究点一　有机化合物组成元素的确定

1．鉴定有机物中含有哪些元素（定性分析）

（1）将某有机物在O2中充分燃烧后，各元素对应的燃烧产物：

C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。

（2）若将有机物完全燃烧，生成物只有H2O（使无水CuSO4变蓝）和CO2（使澄清石灰水变浑浊），则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）判断是否含氧元素，可先求出产物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。

2．确定有机物中各元素的质量分数（定量分析）

（1）有机物中元素定量分析原理（李比希法）

①将仅含C、H、O元素的有机物置于氧气流中燃烧，然后分别用无水CaCl2和KOH浓溶液吸收生成的水和二氧化碳；

②根据吸收前后吸收剂的质量变化即可算出反应生成的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，剩余则为氧元素的质量；

③最后计算确定有机物分子中各元素的质量分数。

（2）实验式（最简式）和分子式的区别

①实验式是表示化合物分子中所含元素的原子个数最简单整数比的式子；

②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；

③二者中各元素的质量分数相等，可能不同的是原子个数。

[归纳总结]

有机化合物元素组成的测定方法及步骤

[活学活用]

1．某化合物6.4g在氧气中完全燃烧只生成8.8gCO2和7.2gH2O。

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∶2

C．无法确定该化合物中是否含氧元素

D．该化合物中一定含氧元素

答案　D

解析　n（CO2）＝

＝0.2mol

m（C）＝0.2mol×12g·mol－1＝2.4g

n（H2O）＝

＝0.4mol

m（H）＝0.4mol×2×1g·mol－1＝0.8g

m（C）＋m（H）＝2.4g＋0.8g＝3.2g＜6.4g

所以该化合物中含氧元素n（O）＝

＝0.2mol

所以n（C）∶n（H）∶n（O）＝0.2∶0.8∶0.2＝1∶4∶1。

2．验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是（　　）

A．只需测定分子中C、H原子个数之比

B．只需证明其完全燃烧的产物只有H2O和CO2

C．只需测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量之比

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

答案　D

解析　验证某有机物属于烃需证明该有机物只含有C、H两种元素，选项D所述能满足该要求。

探究点二　有机物分子式的确定

1．有机物相对分子质量的确定方法

（1）根据标准状况下气体的密度ρ，计算该气体的相对分子质量Mr＝22.4ρ（限于标准状况下）。

（2）依据气体的相对密度D，计算气体的相对分子质量Mr（A）＝D·Mr（B）。

（3）A、B两种气体组成的混合气体中，它们的体积分数分别为w（A）、w（B），该混合气体的平均相对分子质量Mr＝Mr（A）·w（A）＋Mr（B）·w（B）。

（4）质谱法可以测定有机物的相对分子质量，在质谱图中，最大的质荷比就是有机物的相对分子质量。

2．有机物分子式的确定方法

（1）实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%，含氢20%，求该化合物的实验式________。

又测得该化合物的相对分子质量是30，求该化合物的分子式________。

答案　CH3　C2H6

解析　

（1）n（C）∶n（H）＝

∶

＝1∶3，该化合物的实验式是CH3。

（2）方法一：

设该化合物分子中含有n个CH3，则：

n＝

＝

＝2，该化合物的分子式是C2H6。

方法二：

A分子式中各元素原子的数目：

n（C）＝

＝2　n（H）＝

＝6

A的分子式是C2H6。

（2）燃烧某有机物A1.50g，生成1.12L（标准状况）CO2和0.05molH2O。

该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式________。

答案　CH2O

解析　有机物的相对分子质量是1.04×29＝30

有机物的物质的量为

＝0.05mol

有机物分子中含有：

C：

＝1

H：

＝2

O：

＝1

有机物分子式为CH2O。

（3）某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，经测定其相对分子质量为90。

取该有机物样品1.8g，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重1.08g和2.64g。

试求该有机物的分子式__________。

答案　C3H6O3

解析　设有机物的分子式为CxHyOz

CxHyOz＋（x＋

－

）O2

xCO2＋

H2O

90g44xg9yg

1.8g2.64g1.08g

90g∶1.8g＝44xg∶2.64g　x＝3

90g∶1.8g＝9yg∶1.08g　y＝6

z＝

＝3

有机物分子式为C3H6O3。

[归纳总结]

有机物分子式的确定方法：

（1）实验方法

先根据有机物各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数比（实验式）。

再根据有机物的摩尔质量（相对分子质量），求出有机物的分子式。

（2）直接法

根据有机物各元素的质量分数和有机物的摩尔质量（相对分子质量）直接求出1mol有机物中各元素原子的物质的量。

（3）方程式法

根据有机物的燃烧通式及消耗O2的量（或生成产物的量）计算确定出有机物的分子式。

[活学活用]

3．某种有机物在气态时对H2的相对密度为30，充分燃烧3.0g此有机物可得3.36L二氧化碳（标准状况）和3.6g水。

此有机物能与金属钠反应。

（1）该有机物的分子式是______________________。

（2）该有机物的结构简式有____________________。

答案　

（1）C3H8O

（2）CH3CH2CH2OH或

解析　根据题意可得：

Mr＝30×2＝60。

有机物中各元素的质量为

m（C）＝

×12g·mol－1＝1.8g，

m（H）＝

×2×1g·mol－1＝0.4g，

m（O）＝3.0g－1.8g－0.4g＝0.8g。

则有机物分子中N（C）＝

÷

＝3，

N（H）＝

÷

＝8，

N（O）＝

÷

＝1。

故得分子式为C3H8O。

正好符合饱和一元醇和醚的通式，由于该有机物能和钠反应，则该有机物属于醇类。

综上所述，该有机物的结构简式为CH3CH2CH2OH或CHCH3OHCH3。

有机物分子式确定的基本思路

1．能够确定有机物相对分子质量的方法是（　　）

A．红外光谱B．质谱

C．核磁共振氢谱D．紫外光谱

答案　B

2．某有机物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的水和二氧化碳，则该有机物必须满足的条件是（　　）

A．分子中的C、H、O的个数比为1∶2∶3

B．分子中C、H个数比为1∶2

C．该有机物的相对分子质量为14

D．该分子中肯定不含氧原子

答案　B

解析　根据生成等物质的量的H2O和CO2，只能推断出分子中C、H个数比为1∶2，不能确定是否含有氧原子，也不能推断其相对分子质量。

3．某烃分子中共有30个中子，它燃烧时生成等体积的CO2和H2O（g），该有机物的分子式为（　　）

A．C4H8B．C4H10OC．C5H10D．C4H10

答案　C

4．在相同状况下，相同体积的两种烃蒸气，完全燃烧生成的CO2的体积比为1∶2，生成水的体积比为2∶3，则这两种烃可能的组合是（写分子式）：

（1）______________________和____________________________________。

（2）______________________和___________________________________。

（3）______________________和___________________________________。

答案　

（1）CH4　C2H6　

（2）C2H4　C4H6

（3）C3H8　C6H12

解析　相同状况下，相同体积烃蒸气物质的量相同，完全燃烧生成CO2体积之比为1∶2，生成水体积之比为2∶3，可设这两种烃的分子式分别为CnH2m、C2nH3m，所以满足通式的组合可能有CH4和C2H6，C2H4和C4H6，C3H8和C6H12。

5．吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品。

吗啡分子中C、H、N、O的质量分数分别为71.58%、6.67%、4.91%和16.84%。

已知其相对分子质量不超过300。

（1）求①吗啡的相对分子质量；②吗啡的分子式。

（2）已知海洛因是吗啡的二乙酸酯，求①海洛因的相对分子质量；②海洛因的分子式。

答案　

（1）①285　②C17H19NO3

（2）①369　②C21H23NO5

解析　当有机物分子中含有N、S、P等原子时，可采用讨论法求解。

假设吗啡分子中含有1个，2个……氮原子，再结合其相对分子质量不大于300，探索求得吗啡的相对分子质量。

（1）①假设吗啡分子中只有一个氮原子，则：

＝285，由于已知吗啡的相对分子质量不大于300，如果其分子中含有2个氮原子，则其相对分子质量必超过300，故吗啡的相对分子质量为285。

②1mol吗啡中C、H、O原子的物质的量：

n（C）＝285g×

≈17mol；

n（H）＝285g×

≈19mol；

n（O）＝285g×

≈3mol，

由计算可知吗啡的分子式为C17H19NO3。

（2）①已知海洛因是吗啡的二乙酸酯，即吗啡以醇的结构与乙酸发生酯化反应。

当1个醇R（OH）2生成它的二乙酸酯时，即由R（OH）2转化为R（OOCCH3）2，分子内增加了2个（C2OH2）原子团，相当于相对分子质量增加42×2。

因海洛因是吗啡的二乙酸酯，所以海洛因的相对分子质量为285＋42×2＝369。

②分子式应为C17＋2×2H19＋2×2NO3＋1×2，即C21H23NO5。

[基础过关]

一、有机物组成元素的确定

1．有机物的天然提取和人工合成往往得到的是混合物，假设给你一种这样的有机混合物让你研究，一般要采取的几个步骤是（　　）

A．分离、提纯→确定化学式→确定实验式→确定结构式

B．分离、提纯→确定实验式→确定化学式→确定结构式

C．分离、提纯→确定结构式→确定实验式→确定化学式

D．确定化学式→确定实验式→确定结构式→分离、提纯

答案　B

解析　分离提纯后的有机物经过纯度鉴定后才能确定实验式，进一步确定化学式，最后分析出结构式。

2．某有机物在氧气中充分燃烧，生成的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个数比为1∶2∶3

B．分子中C、H个数比为1∶4

C．分子中含有氧元素

D．此有机物的最简式为CH4

答案　B

解析　由n（CO2）∶n（H2O）＝1∶2仅能得出n（C）∶n（H）＝1∶4，不能确定是否含O。

3．某有机物2mol在氧气中充分燃烧，消耗氧气5mol，生成水和二氧化碳各4mol，由此可得出的结论是（　　）

A．该有机物不含氧元素

B．该有机物分子中含有一个氧原子

C．该有机物分子中含有二个氧原子

D．不能确定该有机物分子中含氧原子的个数

答案　B

4．一定量有机物完全燃烧后，将燃烧产物通过足量的石灰水，过滤后得到白色沉淀10g，但称量滤液时只减少2.9g，则此有机物不可能是（　　）

A．C2H5OHB．C4H8O2

C．C2H6D．C2H6O2

答案　B

解析　n（CO2）＝n（CaCO3）＝

＝0.1mol，则通入石灰水中的CO2的质量应是4.4g，而产生的CaCO3的质量是10g，若无其他物质进入，则石灰水质量应减少5.6g，题目中只减少2.9g，故A燃烧时应同时生成2.7g水，有机物中所含H元素的物质的量为n（H）＝

×2＝0.3mol，所以此有机物中C、H元素物质的量之比是1∶3，与含氧多少无关，故选项A、C、D均有可能，B选项符合题意。

二、有机物分子式的确定

5．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．①②B．①②④C．①②⑤D．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。

6．某化合物由碳氢两种元素组成，其中含碳的质量分数为85.7%，在标准状况下，11.2L此气态化合物的质量为14g，则该化合物的分子式为（　　）

A．C2H4B．C2H6C．C3H6D．C4H8

答案　A

解析　由已知条件可以求出该化合物的摩尔质量：

M＝

＝28g·mol－1，

由含碳量及含氢量可知：

N（C）＝

≈2，

N（H）＝

≈4，

所以分子式为C2H4。

7．若1mol某气态烃CxHy完全燃烧，需消耗3molO2，则（　　）

A．x＝2，y＝2B．x＝2，y＝4

C．x＝3，y＝6D．x＝3，y＝8

答案　B

解析　由烃CxHy燃烧通式CxHy＋（x＋

）O2

xCO2＋

H2O知，1mol烃燃烧后需（x＋

）molO2，将各选项代入即可求得。

8．在20℃时将某气态烃与O2的混和气体装入密闭容器中，点燃爆炸后恢复至20℃，此时容器内压强为反应前压强的一半，经NaOH溶液吸收后，容器内几乎为真空，此烃的分子式为（　　）

A．CH4B．C2H6C．C3H8D．C7H16

答案　C

解析　烃燃烧通式为

CxHy＋（x＋

）O2

xCO2＋

H2O

由题意得

1＋x＋

＝2x

即x＝1＋

，因x、y均为整数

故有：

x＝2　y＝4

x＝3　y＝8

x＝4　y＝12

所以符合条件的选项只有C。

[能力提升]

9．某有机化合物A的相对分子质量大于110，小于150。

经分析得知，其中碳和氢的质量分数之和为52.24%，其余为氧。

请回答：

（1）该化合物分子中含有几个氧原子，为什么？

（2）该化合物的相对分子质量是____________________________________________。

（3）该化合物的化学式（分子式）是______________。

（4）该化合物分子中最多含______个

官能团。

答案　

（1）含有4个氧原子；因为110＜A的相对分子质量＜150，氧在分子中的质量分数为1－52.24%＝47.76%

110×47.76%≈52.5　150×47.76%≈71.6

所以52.5＜分子中氧原子的相对质量之和＜71.6，又因为只有4个氧原子的相对质量之和为64，符合上述不等式，所以化合物A中含有4个氧原子。

（2）134　（3）C5H10O4　（4）1

解析　本题属计算型有机推断题，该题的切入点是A的相对分子质量大于110小于150，由C、H的质量分数之和推出O的质量分数从而求出分子式。

本题主要考查学生计算推断能力，同时也考查了学生对有机物组成及官能团的推断能力。

A中O的质量分数为1－52.24%＝47.76%。

若A的相对分子质量为150，其中O原子个数为

＝4.4775；若A的相对分子质量为110，其中O原子个数为

＝3.2835。

实际O原子个数介于3.2835和4.4775之间，即O原子个数为4。

A的相对分子质量为

≈134。

其中C、H的相对原子质量之和为134－16×4＝70，可确定有机物A的分子式为C5H10O4。

C5H10O4与5个C原子的饱和衍生物（可表示为C5H12On）比较可知，分子中最多含有1个

。

10．某种有机物在气态时对H2的相对密度为30，充分燃烧3.0g此有机物可得3.36L二氧化碳（标准状况）和3.6g水。

此有机物能与金属钠反应。

（1）该有机物的分子式为______________________。

（2）该有机物的结构简式为____________________。

答案　

（1）C3H8O

（2）CH3CH2CH2OH或

解析　根据题意可得：

Mr＝30×2＝60。

有机物中各元素的质量为

m（C）＝

×12g·mol－1＝1.8g，

m（H）＝

×2×1g·mol－1＝0.4g，

m（O）＝3.0g－1.8g－0.4g＝0.8g。

则有机物分子中N（C）＝

÷

＝3，

N（H）＝

÷

＝8，

N（O）＝

÷

＝1。

故得分子式为C3H8O。

正好符合饱和一元醇和醚的通式，由于该有机物能和钠反应，则该有机物属于醇类。

综上所述，该有机物的结构简式为CH3CH2CH2OH或CHCH3OHCH3。

11．化合物H是一种香料，存在于金橘中，可用如下路线合成：

已知：

R—CH===CH2

RCH2CH2OH

请回答下列问题：

（1）11.2L（标准状况）的气态烃A在氧气中充分燃烧可以产生88gCO2和45gH2O。

A的分子式是____________。

（2）B和C均为一氯代烃，它们的名称（系统命名）分别为_____________________。

（3）在催化剂存在下1molF与2molH2反应，生成3苯基1丙醇。

F的结构简式是______________。

（4）反应①的反应类型是______________；②的反应类型是______________。

答案　

（1）C4H10

（2）2甲基1氯丙烷、2甲基2氯丙烷

（4）消去反应　酯化反应

解析　

（1）88gCO2为2mol,45gH2O为2.5mol，标准状况下的烃11.2L为0.5mol，所以烃A中含碳原子数为4，H原子数为10，则化学式为C4H10。

（2）C4H10存在正丁烷和异丁烷两种，但从框图上看，A与Cl2光照取代时有两种产物，且在NaOH醇溶液作用下的产物只有一种，则只能是异丁烷。

取代后的产物为2甲基1氯丙烷和2甲基2氯丙烷。

（3）F可以与Cu（OH）2反应，故应为醛基，与H2之间为1∶2加成，则应含有碳碳双键。

从生成的产物3苯基1丙醇分析，F的结构简式为

。

（4）反应①为卤代烃在醇溶液中的消去反应。

12．某含苯环的化合物A，其相对分子质量为104，碳的质量分数为92.3%。

（1）A的分子式为____________。

（2）A与溴的四氯化碳溶液反应的化学方程式为________________________，

反应类型是______________。

（3）已知：

。

请写出A与稀、冷的KMnO4溶液在碱性条件下反应的化学方程式________________________________________________。

（4）一定条件下，A与氢气反应，得到的化合物中碳的质量分数为85.7%，写出此化合物的结构简式________________________________________________________________________。

（5）在一定条件下，由A聚合得到的高分子化合物的结构简式为_____________________。

答案　

（1）C8H8

解析　

（1）m（C）＝92.3%×104≈96，则m（H）＝8，此含量不可能含其他原子。

则碳原子数为96÷12＝8，所以分子式为C8H8；

（2）该分子中含苯环，且分子能与溴的四氯化碳溶液反应，所以A应为苯乙烯，该反应为加成反应；

（3）分子中有碳碳双键，直接套用信息可得结果；

（4）加氢反应，若只加成碳碳双键，则含H9.43%，若苯环也加氢，则含H14.3%，后者符合题意。

（5）按碳碳双键的加聚反应写即可。

[拓展探究]

13．电炉加热时用纯氧氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成，下列装置是用燃烧法确定有机物分子式常用的装置。

（1）产生的氧气按从左到右的流向，所选装置各导管的连接顺序是_____________________。

（2）C装置中浓H2SO4的作用是__________。

（3）D装置中MnO2的作用是___________。

（4）燃烧管中CuO的作用是_____________。

（5）若准确称取0.90g样品（只含C、H、O三种元素中的两种或三种），经充分燃烧后，A管质量增加1.32g，B管质量增加0.54g，则该有机物的实验式为___________。

（6）要确立该有机物的分子式，还要知道_________。

答案　

（1）g→f→e→h→i→c（或d）→d（或c）→a（或b）→b（或a）　

（2）吸收水分，得到干燥的氧气

（3）催化剂，加快O2的生成速率

（4）使有机物充分氧化生成CO2和H2O

（5）CH2O　（6）该有机物的相对分子质量

解析　n（CO2）＝

＝0.03mol，

n（H2O）＝

＝0.03mol

m（O）＝0.90g－m（C）－m（H）

＝0.90g－0.03mol×12g·mol－1－0.03mol×2×1g·mol－1＝0.48g，n（O）＝

＝0.03mol，故该有机物的实验式为CH2O。