第一章 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.docx
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第一章第四节第2课时元素分析与相对分子质量的测定分子结构的鉴定
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
[核心素养发展目标] 1.科学态度:
通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器分析,利用谱图与物质的组合与结构的关系测定探析有机物;体验研究有机化合物的过程和科学方法并形成严谨的科学态度。
2.证据推理与模型认知:
根据官能团的特性,构建基于官能团的物质结构模型,并用化学方法鉴别推断有机物的组成和结构。
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,确定有机物的实验式。
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
(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。
(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( )
答案
(1)×
(2)√ (3)× (4)√ (5)√
1.某化合物6.2g在氧气中完全燃烧,只生成8.8gCO2和5.4gH2O。
通过计算说明该有机物中是否含有氧元素。
试确定该有机物的实验式。
答案 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;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。
2.某有机物分子式的确定
(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________。
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。
1.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)。
2.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:
=
。
(4)质谱法确定相对分子质量。
二、分子结构的鉴定
1.红外光谱
(1)原理:
当用红外线照射有机物分子时,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,若分子中有O—H键或—OH,则可确定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。
(1)核磁共振氢谱中有几个吸收峰就有几个氢原子( )
(2)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( )
(3)CH3COOCH3在核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰( )
答案
(1)×
(2)× (3)×
1.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比表示氢的数目,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,与题给核磁共振氢谱图不符,D错误。
2.(2020·西安调研)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________。
(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。
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。
(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。
知识拓展
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。
有机物结构确定的方法思路
1.研究有机物一般经过以下几个基本步骤:
分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式,以下对研究有机物的方法的说法错误的是( )
A.蒸馏常用于分离、提纯液态有机混合物
B.燃烧法是研究确定有机物成分的有效方法
C.核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量
D.对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子中的官能团
答案 C
解析 核磁共振氢谱确定的是等效氢的种类和数量。
2.(2019·大庆高二下学期期末)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。
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。
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 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。
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________。
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为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。
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∶3
B.分子中C、H原子个数之比为1∶4
C.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。
2.下列实验式中,不用相对分子质量就可以确定分子式的是( )
①CH3 ②CH ③CH2 ④C2H5
A.①②B.③④
C.②③D.①④
答案 D
解析 实验式乘以整数倍,即可得到有机物的分子式。
据烷烃通式,当碳原子数为n时,则氢原子数最多为2n+2。
符合实验式为CH3的只有C2H6;符合实验式为CH的有C2H2、C6H6等;符合实验式为CH2的有C2H4、C3H6等;符合实验式为C2H5的只有C4H10。
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.①②④
C.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。
4.(2019·成都高二下学期期末)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.CH3CHO
C.CH3COCH3D.C2H4
答案 D
解析 设有机物分子式为CxHyOz,燃烧的通式为CxHyOz+(x+
-
)O2
xCO2+
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.(2019·岳阳高二下学期期末)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 A
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.(2019·怀化高二下学期期中)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.(2019·西宁高二下学期期中)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,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( )
A.CH3CH2OCH2CH3B.CH3OCH2CH2CH3
C.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。
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)CH3
C.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。
10.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.CH3CHO
C.CH3CH2OHD.CH3CH2CH2COOH
答案 C
解析 根据图①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②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,HCOOH分子中含有2种H原子,CH3CH2OH分子中含有3种H原子,故C正确。
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—CH3
D.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。
12.某芳香烃A的质谱图如图所示:
(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.有机物A是一种纯净的无色黏稠液体,易溶于水。
为研究A的组成与结构,进行了如下实验:
实验步骤
解释或实验结论
(1)称取A物质18.0g,升温使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍
A的相对分子质量为________
(2)A的核磁共振氢谱如图:
A中含有________种氢原子
(3)另取A18.0g与足量的NaHCO3粉末反应,生成0.2molCO2,若与足量钠反应则生成0.2molH2
写出一个A分子中所含官能团的名称和数量:
________________________________________________________________________
(4)将此18.0gA在足量纯O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者依次增重10.8g和26.4g
A的分子式为______
(5)综上所述A的结构简式为______________________________________
答案
(1)90
(2)4 (3)一个羧基和一个羟基(4)C3H6O3 (5)CH3CHOHCOOH
解析
(1)称取A物质18.0g,升温使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍,则A的相对分子质量为45×2=90。
(2)根据核磁共振氢谱可知A中含有4种氢原子,且个数比为1∶1∶1∶3。
(3)18.0gA的物质的量是18.0g÷90g·mol-1=0.2mol,与足量的NaHCO3粉末反应,生成0.2molCO2,说明分子中含有1个羧基。
若与足量钠反应则生成0.2molH2,这说明还含有1个羟基。
(4)将此18.0gA在足量纯O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者依次增重10.8g和26.4g,即生成水的物质的量是10.8g÷18g·mol-1=0.6mol,生成CO2的物质的量是26.4g÷44g·mol-1=0.6mol,则分子中碳、氢原子的个数分别是0.6÷0.2=3、1.2÷0.2=6,所以氧原子的个数是
=3,则分子式为C3H6O3。
(5)综上所述A的结构简式为CH3CHOHCOOH。
14.(2019·兰州高二下学期期末)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。
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F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 (