鲁科版高二化学选修五练习第3章 第2节 有机化合物结构的测定 Word版含答案.docx

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鲁科版高二化学选修五练习第3章第2节有机化合物结构的测定Word版含答案

第2节　有机化合物结构的测定

[课标要求]

1．了解有机化合物结构测定的一般步骤和程序，能进行确定有机化合物分子式的简单计算。

2．能利用化学检验方法鉴定官能团。

3．初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段。

4．懂得有机化合物结构测定是有机化合物合成的重要环节。

1.有机化合物中碳、氢元素的测定方法是燃烧法，卤素是沉淀法。

2．利用质谱法测定有机化合物的相对分子质量。

3．利用紫外光谱法、红外光谱法及核磁共振谱，可确定有机化合物的官能团和碳骨架。

4．常见官能团的不饱和度

一个碳碳双键或碳氧双键、一个脂环，Ω＝1；一个碳碳叁键或碳氮叁键，其Ω＝2；一个苯环，Ω＝4。

1．有机化合物结构的测定流程

测定有机化合物结构的核心步骤是确定分子式，检测分子中所含有的官能团及其在碳骨架上的位置。

2．确定有机化合物的元素组成

要确定有机化合物的分子式，首先要知道该物质的组成元素，各元素的质量分数，必要时还要测量其相对分子质量。

1．如何确定卤代烃中卤素原子的种类？

提示：

卤代烃在NaOH水溶液中共热后，加入稀HNO3和AgNO3溶液，由不溶性AgX的颜色不同，可由此判断卤素原子的种类。

若AgX为白色沉淀，则X为Cl；若AgX为浅黄色沉淀，则X为Br；若AgX为黄色沉淀，则X为I。

2．2.3g某有机物完全燃烧后生成4.4g二氧化碳和2.7g水，该有机物的组成元素有哪些？

提示：

该有机物中含C：

×12g·mol－1＝1.2g

含H：

×2×1g·mol－1＝0.3g

因2.3g>（1.2g＋0.3g），故该有机物中还含有氧元素。

因此，该有机物是由C、H、O三种元素组成的。

1．确定有机化合物分子式的一般途径

2．确定有机物相对分子质量的方法

（1）公式法

①M＝m/n（M表示摩尔质量，m表示质量，n表示物质的量）。

②已知有机物蒸气在标准状况下的密度：

M＝22.4ρ（注意密度的单位）。

③已知有机物蒸气与某气体物质（相对分子质量为M′）在相同状况下的相对密度D，则M＝M′D。

④

＝M（A）×A%＋M（B）×B%＋…[

表示平均摩尔质量，M（A）、M（B）分别表示A、B物质的摩尔质量，A%、B%分别表示A、B物质的物质的量分数或体积分数]。

（2）其他方法

①根据化学方程式计算确定。

②利用质谱法测定。

3．确定有机化合物分子式的方法

（1）实验式法

由各元素的质量分数→求各元素的原子个数之比（实验式）→相对分子质量→求分子式。

（2）物质的量关系法

由密度或其他条件→求摩尔质量→求1mol分子中所含各元素原子的物质的量→求分子式。

（3）化学方程式法

利用化学方程式求分子式。

（4）燃烧通式法

利用通式和相对分子质量求分子式。

CxHy＋（x＋

）O2―→xCO2＋

H2O

CxHyOz＋（x＋

－

）O2―→xCO2＋

H2O

由于x、y、z相对独立，借助通式进行计算，解出x、y、z，最后求出分子式。

（5）利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定

类别

通式

相对分子质量

烷烃

CnH2n＋2

Mr＝14n＋2（n≥1）

环烷烃，烯烃

CnH2n

Mr＝14n（烯烃n≥2，环烷烃n≥3）

二烯烃，炔烃

CnH2n－2

Mr＝14n－2（炔烃n≥2）

苯及苯的同系物

CnH2n－6

Mr＝14n－6（n≥6）

饱和醇

CnH2n＋2Ox

Mr＝14n＋2＋16x

饱和一元醛

CnH2nO

Mr＝14n＋16

饱和一元羧酸及酯

CnH2nO2

Mr＝14n＋32

（6）商余法（只适用于烃，n为正整数）：

＝n＋2（烷烃），

＝n（烯烃、环烷烃），

＝n－2（炔烃、二烯烃），

＝n－6（苯或苯的同系物）。

1．正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）只要通过定性定量分析得到有机物的元素组成，即可确定有机物的分子式（×）

（2）可燃有机物中碳、氢元素的质量分数可通过燃烧分析法求得（√）

（3）含氯有机物样品中加入硝酸酸化的硝酸银溶液后，会有白色沉淀产生（×）

（4）有机化合物分子式一定不与其最简式相同（×）

（5）燃烧0.1mol某有机化合物得到0.2molCO2和0.3molH2O不能由此确定有机化合物的分子式（√）

解析：

（1）要想确定有机物的分子式，除了元素组成外，还需测定其相对分子质量。

（2）有机物燃烧产生的水和二氧化碳分别用吸水剂和碱液吸收，称重后即可分别计算出碳、氢元素的质量分数。

（3）含氯有机物样品中应先加入NaOH溶液，然后再加入硝酸酸化的硝酸银溶液，才会有白色沉淀产生。

（4）有些有机化合物的分子式与其最简式相同，如甲烷CH4、甲醛CH2O、甲酸CH2O2等。

（5）仅凭此条件只能确定每个有机物分子中C、H原子个数，无法确定是否含有O原子。

2．某含C、H、O三种元素的有机物A经元素分析仪测定，含碳、氢的质量分数分别为52.16%、13.14%，则该有机物的分子式为（　　）

A．C2H6B．C2H6O

C．C6H6OD．C2H6O2

解析：

选B　有机物A中C、H、O的原子个数比为

∶

∶

＝2∶6∶1，则该有机物的实验式为C2H6O，其中氢原子数已达到饱和，该实验式即为A的分子式，故B选项正确。

3．燃烧0.2mol某有机物，得到0.4molCO2和0.6molH2O，由此可得出的结论是（　　）

A．该有机物中含有2个碳原子和6个氢原子

B．该有机物中碳和氢的原子个数比为3∶1

C．该有机物中含有2个CO2和3个H2O

D．1mol该有机物中含有2mol碳原子和6mol氢原子，还可能含有氧原子

解析：

选D　该有机物的1个分子中含有2个碳原子和6个氢原子，A项错误；该有机物中碳、氢原子的个数比为1∶3，B项错误；该有机物中不含二氧化碳，也不含水，C项错误。

4．某有机化合物3.2g在氧气中充分燃烧，将生成物依次通入盛有浓硫酸的洗气瓶和盛有碱石灰的干燥管，实验测得装有浓硫酸的洗气瓶增重3.6g，盛有碱石灰的干燥管增重4.4g。

则下列判断正确的是（　　）

A．肯定含有碳、氢、氧三种元素

B．肯定含有碳、氢元素，可能含有氧元素

C．肯定含有碳、氢元素，不含氧元素

D．不可能同时含有碳、氢、氧三种元素

解析：

选A　3.2g有机物在氧气中充分燃烧后生成的产物依次通过浓硫酸和碱石灰，分别增重3.6g和4.4g，则生成水的质量是3.6g，所以氢原子的物质的量是0.4mol，生成的二氧化碳的质量是4.4g，碳原子的物质的量是0.1mol，根据原子守恒，可知3.2g该有机物中含有0.1mol碳原子和0.4mol氢原子，m（H）＋m（C）＝0.4mol×1g·mol－1＋0.1mol×12g·mol－1＝1.6g<3.2g，故该有机物中一定含有碳、氢、氧三种元素，所以A正确。

5．某气态烃对空气的相对密度为2，在氧气中充分燃烧1.16g这种烃，并将所得产物通过装有无水氯化钙的干燥管和装有碱石灰的干燥管，当称量这两个干燥管的质量时，它们依次增重1.8g和3.52g。

这种烃的化学式是（　　）

A．C2H6B．C4H10

C．C5H10D．C5H12

解析：

选B　气态烃对空气（空气的平均相对分子质量为29）的相对密度为2，则该烃的相对分子质量为29×2＝58，则该烃的物质的量为

＝0.02mol，装有无水CaCl2的干燥管增重的1.8g为生成水的质量，其物质的量为

＝0.1mol，装有碱石灰的干燥管增重的3.52g为生成二氧化碳的质量，其物质的量为

＝0.08mol，根据原子守恒可知烃分子中N（C）＝

＝4、N（H）＝

＝10，故该烃的分子式为C4H10，故B正确。

6．有机物A由碳、氢、氧三种元素组成。

现取3gA与4.48L（标准状况）氧气在密闭容器中充分燃烧，生成二氧化碳、一氧化碳和水蒸气（假设反应物没有剩余）。

将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰充分吸收，浓硫酸增重3.6g，碱石灰增重4.4g，剩余气体体积为1.12L（标准状况）。

回答下列问题：

（1）3gA燃烧后生成物的物质的量分别为n（H2O）＝________，n（CO2）＝________，n（CO）＝________。

（2）通过计算确定A的分子式。

（3）写出A的所有可能的结构简式。

解析：

反应物没有剩余，将反应生成的气体（二氧化碳、一氧化碳和水蒸气）依次通过浓硫酸和碱石灰充分吸收，浓硫酸增重的3.6g为水的质量，碱石灰增重的4.4g为二氧化碳的质量，剩余气体体积为1.12L，则该气体应为CO，说明有机物没有完全燃烧。

（1）n（H2O）＝

＝0.2mol；n（CO2）＝

＝0.1mol；n（CO）＝

＝0.05mol。

（2）3gA中，n（H）＝2n（H2O）＝2×0.2mol＝0.4mol,n（C）＝n（CO2）＋n（CO）＝0.1mol＋0.05mol＝0.15mol，n（O）＝2n（CO2）＋n（CO）＋n（H2O）－2n（O2）＝2×0.1mol＋0.05mol＋0.2mol－2×0.2mol＝0.05mol，n（C）∶n（H）∶n（O）＝0.15mol∶0.4mol∶0.05mol＝3∶8∶1，所以A的最简式为C3H8O，由于达到结合H原子的最大数目，所以最简式就是该物质的分子式，即该物质的分子式为C3H8O。

（3）A（C3H8O）可能为饱和一元醇，也可能为甲乙醚，

可能的结构简式有CH3CH2CH2OH、CH3CH（OH）CH3、

CH3CH2OCH3。

答案：

（1）0.2mol　0.1mol　0.05mol　

（2）C3H8O

（3）CH3CH2CH2OH、CH3CH（OH）CH3、CH3CH2OCH3

[方法技巧]

由实验式确定分子式的几种方法

（1）一般方法：

必须已知化合物的相对分子质量[Mr（A）]，根据实验式的相对式量[Mr（实）]，可求得分子式含实验式的个数n，n＝[Mr（A）]/[Mr（实）]，即得分子式。

（2）特殊方法Ⅰ：

某些特殊组成的实验式，在不知化合物相对分子质量时，也可根据组成特点确定其分子式。

实验式为CH3O的有机化合物，当n＝2时，氢原子达到饱和，则其分子式为C2H6O2。

（3）特殊方法Ⅱ：

部分有机化合物的实验式中，氢原子已达到饱和，则该有机化合物的实验式即为其分子式，如实验式为CH4、CH3Cl、C2H6O、C4H10O等有机化合物，其实验式即为分子式。

1．有机化合物分子不饱和度的计算

（1）几种常见官能团的不饱和度

化学键

不饱和度

化学键

不饱和度

一个碳碳双键

1

一个碳碳叁键

2

一个羰基

1

一个苯环

4

一个脂环

1

一个氰基

2

（2）有机化合物分子不饱和度的计算公式

Ω＝n（C）＋1－

。

其中n（C）为碳原子数；n（H）为氢原子数。

在计算不饱和度时，若有机化合物分子中含有卤素原子，可将其视为氢原子；若含有氧、硫原子，可不予考虑；若含有氮原子，就在氢原子总数中减去氮原子数。

例如，分子式为C6H5NO2的分子的不饱和度为：

6＋1－

＝5。

2．确定有机化合物的官能团

（1）实验确定法

官能团种类

试剂

判断依据

碳碳双键或碳碳叁键

溴的四氯化碳溶液

红棕色退去

酸性KMnO4溶液

紫色退去

卤素原子

NaOH溶液（加热）、稀硝酸、AgNO3溶液

有沉淀生成

醇羟基

钠

有氢气放出

酚羟基

FeCl3溶液

显紫色

溴水

有白色沉淀生成

醛基

银氨溶液（水浴）

有银镜生成

新制氢氧化铜悬浊液（加热）

有砖红色沉淀生成

羧基

NaHCO3溶液

有二氧化碳气体放出

（2）仪器确定法

现代物理方法能快速准确地确定有机化合物分子的结构。

1．与金属钠反应生成氢气的官能团可能有哪些？

与Na2CO3溶液反应的官能团有哪些？

其中能生成CO2气体的官能团有哪些？

提示：

能与金属钠反应生成H2的官能团有酚—OH、醇—OH、羧基（—COOH）及磺酸基（—SO3H），能与Na2CO3溶液反应的官能团有酚—OH和羧基，其中可生成CO2气体的为羧基。

2．如何确定未知有机化合物的结构式？

提示：

一般的做法是先确定有机物的分子式，再进一步确定官能团的种类、数目及位置，最后写出有机物的结构式。

1．由分子式确定有机物结构式的一般步骤

2．由分子式确定结构式的方法

（1）化学法确定有机化合物的官能团

官能团决定有机化合物的特殊化学性质，通过一些特殊的化学反应和反应的实验现象，我们可以确定有机化合物中含有何种官能团。

（2）仪器法测定有机化合物的碳骨架和官能团

①核磁共振谱（NMR）。

核磁共振谱分为氢谱（1H核磁共振谱）和碳谱两类，其中比较常用的是氢谱。

氢谱能够测定有机化合物分子中氢原子在碳骨架上的位置和数目，进而推断出有机化合物的碳骨架结构。

②红外光谱（IR）。

每种官能团在红外光谱中都有一个特定的吸收区域，因此从一未知物的红外光谱就可以准确判断该有机化合物中含有哪些官能团。

红外光谱不仅可以用于定性鉴定，还可以定量算出样品的浓度。

③紫外光谱（UV）。

紫外光谱可以确定分子中有无共轭双键。

1．确定有机化合物的不饱和度是判断有机物结构的重要内容之一，现有如下4种物质，其中不饱和度为4的是（　　）

解析：

选D　根据不饱和度公式进行计算，即不饱和度＝n（C）＋1－

，A的不饱和度为5，B为2，C为1，D为4。

2．某化合物分子由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱只有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．CH3CH2OHD．CH3COOH

解析：

选B　A中不存在O—H键；C中相对分子质量不是60；D中存在C===O键。

3．下列化合物在核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为2∶1的有（　　）

①乙酸甲酯　　②对苯二酚　　③2甲基丙烷

④对苯二甲酸

A．①②　　B．②③　　　C．①③　　D．②④

解析：

选D　①乙酸甲酯（CH3COOCH3）中含有2种氢原子，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为1∶1，错误；②对苯二酚中含有2种氢原子，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为2∶1，正确；③2甲基丙烷含有2种氢原子，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为9∶1，错误；④对苯二甲酸中含有2种氢原子，核磁共振氢谱中能出现两组峰，且其峰面积之比为2∶1，正确。

4．质子核磁共振谱（PMR）是研究有机物结构的有力手段之一，在所研究的化合物分子中，每一结构中的等性氢原子在PMR谱中都给出了相应的峰（信号）。

峰的强度与结构中的H原子数成正比，例如乙酸分子的PMR谱中有两个信号峰，其强度比为3∶1。

现有某化学式为C3H6O2的有机物的PMR谱有三个峰，其强度比为3∶2∶1，则该有机物的结构简式不可能是（　　）

A．CH3CH2COOHB．CH3COOCH3

C．HCOOCH2CH3D．CH3COCH2OH

解析：

选B　在PMR谱中，等性氢原子都给出了相应的峰（信号），峰的强度与结构中的H原子数成正比。

因此PMR谱有三个峰说明有三种化学环境不同的氢原子，而且其个数比为3∶2∶1。

5．某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构和性质，他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。

请你参与过程探究。

Ⅰ.实验式的确定

（1）取样品A进行燃烧法测定，发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0.125molCO2和0.15molH2O。

据此得出的结论是________________________________

________________________________________________________________________。

（2）另一实验中，取3.4g蜡状有机物A在3.36L（标准状况下，下同）氧气中完全燃烧，两者均恰好完全反应，生成2.8LCO2和液态水。

由此得出A的实验式是____________。

Ⅱ.结构式的确定（经测定A的相对分子质量为136）

（3）取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明A分子中含有________。

（4）进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且峰面积比为2∶1，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。

图谱如下：

则A的结构简式为________________。

解析：

（1）取样品A进行燃烧法测定，发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0.125molCO2和0.15molH2O，说明该有机物中含有C、H元素，可能含有O元素，分子中C、H原子的数目比为N（C）∶N（H）＝0.125∶（2×0.15）＝5∶12，分子式为C5H12Ox（x＝0,1,2……）。

（2）生成CO2的物质的量为

＝0.125mol，则生成水的物质的量为0.15mol,3.4g有机物中氧元素的质量为3.4g－0.125mol×12g·mol－1－0.15mol×2×1g·mol－1＝1.6g，则氧原子的物质的量为0.1mol，分子中N（C）∶N（H）∶N（O）＝5∶12∶4，故最简式为C5H12O4。

（3）取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，A分子中不含有不饱和键，说明A分子中含有羟基。

（4）进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且面积比为2∶1，说明结构中含有两种氢原子，数目分别为4和8，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收，说明结构中含有醇羟基，从红外光谱图可以看出分子中含有O—H、C—O、C—H键，该有机物的结构简式为C（CH2OH）4。

答案：

（1）分子中N（C）∶N（H）＝5∶12，分子式为C5H12Ox（x＝0,1,2……）　

（2）C5H12O4　（3）羟基　（4）C（CH2OH）4