学年高中化学专题1认识有机物第二单元科学家怎样研究有机物教学案苏教版选修5.docx
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学年高中化学专题1认识有机物第二单元科学家怎样研究有机物教学案苏教版选修5
第二单元科学家怎样研究有机物
[目标导航] 1.了解用李比希法定量分析有机化合物所含元素的一般方法，并能进行有关计算。
2.知道确定有机化合物最简式及分子式的常用方法。
3.知道可运用红外光谱、核磁共振氢谱以及化学实验方法确定有机化合物的分子结构。
4.能区分手性碳原子、手性分子、对映异构体，能用同位素示踪法解释简单的化学反应。
一、有机化合物组成的研究
1.最简式
又称为实验式，指有机化合物中所含各元素原子个数的最简整数比。
2.确定有机化合物元素组成的方法
（1）李比希燃烧法：
有机物完全燃烧后，各元素对应的产物为C→CO2，H→H2O。
（2）钠融法：
可定性地检测有机物中是否含有氮、氯、溴、硫等元素。
（3）铜丝燃烧法：
定性确定有机物中是否存在卤素。
（4）元素分析仪：
确定有机化合物的组成
①元素分析仪工作原理：
使有机化合物充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。
②元素分析仪特点
议一议
1.一种有机物燃烧后的产物只有CO2和H2O，该有机物所含元素只有碳和氢吗？
如何判断是否含有氧元素？
答案 不一定，若产物只有CO2和H2O，其组成元素肯定有C、H元素，可能有O元素。
判断该有机物中是否含氧元素的方法如下：
设有机物燃烧后CO2中碳元素的质量为m（C），H2O中氢元素质量为m（H）。
若：
m（有机物）＞m（C）＋m（H）→有机物中含有氧元素
m（有机物）＝m（C）＋m（H）→有机物中不含氧元素
2.最简式和分子式的区别与联系是什么？
答案 最简式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子，不能确切表明分子中原子个数，具有同一最简式的物质往往不止一种。
分子式是表示化合物分子所含元素的种类及其原子数目的式子。
最简式相同的物质，若相对分子质量不同，其分子式就不同。
二、有机化合物结构的研究
1.李比希基团理论
（1）在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。
原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。
（2）1838年，李比希提出了“基”的定义：
①有机化学中的“基”是一系列化合物中不变的部分；②“基”在化合物中可被某种元素的单个原子所置换；③置换“基”的基团，可以被其他基团所取代。
在有机化学发展的历史进程中，基团理论对有机化学的发展起到了巨大的推动作用。
人们在研究有机化合物时首先研究其所具有的基团，如羟基、醛基、羧基、氨基、烃基等。
（写出常见的基团名称）
2.研究有机物结构的物理方法
（1）现代化学测定有机化合物结构的分析方法很多，经常采用的是核磁共振和红外光谱等方法。
（2）在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物中的1H核磁共振谱进行分析，有机化合物分子中的氢原子核，所处的化学环境不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标位置也就不同。
（3）红外光谱是利用有机化合物分子中不同基团的特征吸收频率不同，测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况，初步判断该有机化合物中具有哪些基团。
（4）测定有机物的组成和结构的现代分析方法，还有质谱法和紫外光谱法等。
3.手性分子
（1）手性碳原子是指与4个不同的原子或原子团相连的碳原子。
（2）手性分子是指含有手性碳原子的有机物分子。
议一议
1.在现代化学测定有机化合物结构的常用方法中，它们的分析原理有何不同？
应用又有何不同点？
答案
（1）核磁共振氢谱
原理：
氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。
用核磁共振仪可以记录到有关信号，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在核磁共振谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目。
氢核磁共振反映的是等效氢原子的种类，等效氢原子的种类反映的是分子的对称性，反过来也一样。
作用：
根据谱图中不同的峰，确定氢的种类，根据峰的面积确定氢原子数目比。
（2）红外光谱
原理：
在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。
所以，当用红外线照射有机物时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
作用：
根据谱图可得出有机物含有何种化学键或哪些官能团。
（3）质谱
原理：
通过对样品离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量分析的一种方法。
作用：
主要用以确定有机物分子的相对分子质量。
2.下图是分子式为C2H6O的两种有机化合物的1H核磁共振谱图，你能分辨出哪一幅是乙醇的1HNMR谱图吗？
为什么？
答案 乙图是乙醇的1HNMR谱图。
乙醇分子中有3种不同化学环境的氢原子，如果在1HNMR谱上观察到氢原子给出的峰只有一种，那么该物质为CH3OCH3，如果在1HNMR谱上观察到氢原子给出的峰有三种，且强度之比为3∶2∶1，那么该物质为CH3CH2OH。
因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目。
3.手性碳原子、手性分子与对映异构的联系？
对映异构体具有什么特性？
答案 在一个有机物分子中，如果有1个碳原子分别连有4个不同的原子或原子团，则该碳原子被称为手性碳原子。
含有手性碳原子的有机分子又叫手性分子，手性分子存在着对映异构体，即两者的空间构型互为物体与镜像关系。
对映异构体具有旋光性。
三、有机化学反应的研究
1.CH4与Cl2在光照条件下发生的卤代反应，是一个自由基型链反应，Cl2分子在光照或加热条件下形成氯原子，即氯自由基；氯自由基与甲烷分子发生碰撞时，从甲烷分子中夺得一个氢原子，生成氯化氢分子，甲烷则转变为甲基自由基；甲基自由基与氯气分子发生碰撞时，从氯气分子中夺得一个氯原子，生成一氯甲烷分子。
2.判断乙酸乙酯发生水解时共价键断裂情况可采用同位素原子示踪法。
议一议
将乙酸乙酯与H
O混合后，加入硫酸作催化剂，乙酸乙酯在加热条件下将发生水解反应。
下面是该反应的化学方程式：
根据产物中18O的分布情况，试判断乙酸乙酯在发生水解反应时分子中的哪个共价键发生了断裂？
答案 乙酯乙酯在发生水解反应时分子中与C==O相连的C—O键断裂。
解析 产物乙酸中含有18O，而乙醇分子中没有18O，说明乙酸乙酯在发生水解反应时，分子中与C==O相连的C—O键断裂，水中—18O—H取代了—O—C2H5，而水中—H与—O—C2H5结合，从而生成
和CH3CH2—O—H两种产物。
一、有机物分子式的确定
基本思路
1.有机物组成元素的推断
一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为C、H或C、H、O。
欲判断该有机物是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将C、H的质量之和与原有机物质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧元素；否则，原有机物的组成中含氧元素。
2.有机物分子式的确定
（1）直接法
―→1mol有机物中各原子的物质的量―→分子式
（2）实验式法
各元素的质量分数―→最简式
分子式
（3）商余法
Mr表示烃的相对分子质量
①
＝
＝A……
②
＝x……余y，则烃分子式一般为CxHy
（4）方程式法
利用反应物与生成物之间量的关系求分子式，如：
①利用官能团的数目与反应物和生成物量的关系；
②利用有机燃烧通式及消耗O2的量或生成物的量通过计算确定有机物分子式。
常用方程式为
CxHy＋
O2
xCO2＋
H2O
CxHyOz＋
O2
xCO2＋
H2O
（5）通式法
物质性质等―→有机物类别及组成通式
n值―→分子式。
（6）平均分子式法
直接计算1mol有机混合物中各元素原子的物质的量―→分子中各原子个数―→平均分子式
混合物各组分的分子式。
例1
用元素分析仪分析6.4mg某有机化合物，测得生成8.8mgCO2和7.2mgH2O，无其他物质生成。
下列说法中正确的是（ ）
A.该化合物的分子式为C2H8O2
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有氧元素
D.该化合物中一定含有氧元素
解析 由于只含C、H、O元素的有机物分子中氢原子数最多为碳原子数的2倍再加2，故该有机化合物的分子式不是C2H8O2，A项错误；8.8mgCO2为0.0002mol，含碳元素2.4mg；7.2mgH2O中含氢元素0.8mg，即含氢原子0.0008mol。
因此原6.4mg有机物中一定含氧元素，氧元素质量为6.4mg－2.4mg－0.8mg＝3.2mg，含氧原子0.0002mol，则C项不正确，D项正确；碳、氢原子个数比为0.0002∶0.0008＝1∶4，B项错误。
答案 D
解题反思
根据完全燃烧判断有机物的元素组成时要综合利用燃烧产物和质量守恒来判断。
变式训练1 某有机物在氧气中充分燃烧，生成的二氧化碳和水的物质的量之比为1∶1，由此可得出的正确结论是（ ）
A.该有机物分子中碳、氢、氧原子个数比为1∶2∶3
B.该有机物分子中碳、氢原子个数比为1∶2
C.该有机物中肯定含氧
D.该有机物一定不含氧
答案 B
解析 n（CO2）∶n（H2O）＝1∶1，则n（C）∶n（H）＝1∶2，CO2和H2O中的氧可能来自于氧气中的氧元素，从题中条件无法确定。
故B项正确。
二、有机物结构的确定
确定有机物结构式的方法
1.根据1H核磁共振谱图，分析氢的种类和数目。
2.根据红外光谱图，分析有机物所含的化学键或官能团。
3.根据有机物性质推断官能团：
有机化合物的官能团都具有特征化学性质，故可以通过化学反应对其进行鉴别和确定，从而推断官能团，区分开同分异构体。
因此要熟记常见官能团的特征性质。
4.直接推出：
C2H6、C3H8、CH4O等不具有同分异构体的可直接推出。
例2
有机物A可由葡萄糖发酵得到，也可从酸牛奶中提取。
纯净的A为无色粘稠液体，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A9.0g，升温使其汽化，测其密度是相同条件下H2的45倍
（1）A的相对分子质量为________
（2）将此9.0gA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，发现两者分别增重5.4g和13.2g
（2）A的分子式为____
（3）另取A9.0g，跟足量的NaHCO3粉末反应，生成2.24LCO2（标准状况），若与足量金属钠反应则生成2.24LH2（标准状况）
（3）用结构简式表示A中含有的官能团：
________、________
（4）A的1H核磁共振谱如图
（4）A中含有________种氢原子
（5）综上所述，A的结构简式为________
解析
（1）A的密度是相同条件下H2的45倍，则相对分子质量为45×2＝90。
9.0gA的物质的量为0.1mol。
（2）燃烧产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者分别增重5.4g和13.2g，说明0.1molA燃烧生成0.3molH2O和0.3molCO2。
含O的物质的量为n（O）＝
＝0.3（mol），则1molA中含有6molH、3molC、3molO，故分子式为C3H6O3。
（3）0.1molA跟足量的NaHCO3粉末反应，生成2.24LCO2（标准状况），若与足量金属钠反应则生成2.24LH2，说明分子中含有一个—COOH和一个—OH。
（4）A的1H核磁共振谱中有4个峰，说明分子中含有4种类型的氢原子，且个数比是1∶1∶1∶3。
（5）综上所述，A的结构简式为
。
答案
（1）90
（2）C3H6O3 （3）—COOH —OH
（4）4 （5）
解题反思
由分子式确定有机物结构式的一般步骤
有机物分子式
可能具有的同分异构体
同分异构体中的各种官能团―→
变式训练2 有X、Y、Z三种有机物，按要求回答下列问题。
（1）取3.0g有机物X，完全燃烧后生成3.6g水和3.36LCO2（标准状况），已知该有机物的蒸气对氢气的相对密度为30，则该有机物的分子式为________。
（2）有机物Y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.CH3CH2COOCH3
C.HCOOCH2CH2CH3D.（CH3）2CHCOOH
（3）有机物Z的结构可能有
和
两种，要对其结构进行物理方法鉴定，可用________或________。
答案
（1）C3H8O
（2）AB （3）红外光谱法 核磁共振 氢谱法
解析
（1）m（C）＝
×12g·mol－1＝1.8g，m（H）＝
×2×1g·mol－1＝0.4g，
则m（O）＝3.0g－1.8g－0.4g＝0.8g，
所以n（C）∶n（H）∶n（O）＝
∶
∶
＝3∶8∶1，又因为该有机物对氢气的相对密度为30，所以X的分子式为C3H8O。
（2）A、B项都有两个—CH3，且不对称，都含有C==O、C—O—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C—O—C键，且—CH3为对称结构。
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.给CH3COOH、C2H
OH与浓硫酸的混合物加热，一段时间后，下列有关说法正确的是（ ）
A.18O存在乙酸分子中
B.18O存在于乙酸乙酯和乙醇中
C.18O只存在于乙醇分子中
D.18O存在于水分子中
答案 B
4.下列化合物分子的核磁共振氢谱图，能给出三种信号峰的是（ ）
A.CH3CH2CH3B.CH3—O—CH3
C.
D.
答案 C
解析 有机物中含有几种不同类型的氢原子，在核磁共振氢谱上就能出现几种信号峰，现题给有机物在核磁共振氢谱图中有三种信号峰，这表明有机物分子中含有三种不同类型的氢原子。
5.燃烧0.1mol某有机物得0.2molCO2和0.3molH2O，由此得出的结论不正确的是（ ）
A.该有机物分子的结构简式为CH3—CH3
B.该有机物中碳、氢原子数目之比为1∶3
C.该有机物分子中不可能含有碳碳双键
D.该有机物分子中可能含有氧原子
答案 A
解析 n（有机物）∶n（CO2）∶n（H2O）＝0.1mol∶0.2mol∶0.3mol＝1∶2∶3，所以n（有机物）∶n（C）∶n（H）＝1∶2∶6，故有机物的分子式为C2H6Ox。
[基础过关]
一、有机物元素分析和分子式的确定
1.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。
下列说法正确的是（ ）
A.分子中C、H、O个数之比为1∶2∶3
B.分子中C、H个数之比为1∶4
C.分子中不含有氧原子
D.此有机物的最简式为CH4
答案 B
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.测定该有机物的质量及完全燃烧后生成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。
3.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。
二、有机物结构式的确定
4.二甲醚和乙醇是同分异构体，其鉴别可采用化学方法或物理方法，下列鉴别方法中不可行的是（ ）
A.利用金属钠或者金属钾
B.利用质谱法
C.利用红外光谱法
D.利用核磁共振氢谱法
答案 B
解析 质谱法是用于测定相对分子质量的，二者的相对分子质量相等。
5.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图中有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74，则该有机物的结构简式是（ ）
A.CH3CH2OCH3B.CH3CH（OH）CH3
C.CH3CH2CH2CH2OHD.CH3CH2CHO
答案 C
解析 A项中无O—H键，故错误；B项的相对分子质量为60，故错误；D项中无C—O键和O—H键，故错误。
6.下列分子中指定的碳原子（用*标记）不属于手性碳原子的是（ ）
A.苹果酸HOOC—
H2—CHOH—COOH
B.
C.
D.
答案 A
解析 手性碳原子的特点是其所连接的四个原子或原子团各个不同，而A项中的碳原子连接两个氢原子，故不是手性碳原子。
7.某一元醇C2H6O中氧为18O，它与乙酸反应生成的酯的相对分子质量为（ ）
A.86B.88C.90D.92
答案 C
解析 酯化反应的机理为酸脱羟基、醇脱氢，故醇中的18O应在乙酸乙酯中，化学式为CH3CO18OCH2CH3，其中两个氧原子的相对原子质量不同，一个为16，一个为18。
三、核磁共振氢谱的应用
8.核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同。
现有某物质的核磁共振氢谱如图所示：
则该物质可能是下列中的（ ）
A.CH3CH2CH3B.CH3CH2CH2OH
C.CH3CH2CH2CH3D.CH3CH2CHO
答案 B
9.在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子个数之比为3∶2的化合物为（ ）
答案 D
解析 因为在核磁共振氢谱中出现两组峰，说明该有机物分子中处于不同化学环境中的氢原子有两种，且根据题意这两种氢原子个数之比为3∶2，分析四个选项：
A项中处在不同化学环境中的氢原子有2种，其个数比为3∶1，不合题意；B项如图所示：
，氢原子有3种，其个数比为3∶1∶1，不合题意；C项如图所示：
，氢原子有3种，其个数比为3∶1∶4，不合题意；D项如图所示：
，氢原子有2种，其个数比为3∶2，符合题意。
10.下列化合物的1HNMR谱图中吸收峰的数目不正确的是（ ）
答案 A
解析 A有两个对称轴，有3种等效氢原子，有3组峰；B有一个对称轴，有5种等效氢原子，有5组峰；C中要注意单键可以转动，因此左边两个甲基是相同的，右边3个甲基也是相同的，因此有3种等效氢原子，有3组峰；D中有一个对称中心，因此有4种等效氢原子，有4组峰。
[能力提升]
11.化学上常用燃烧法确定有机物的组成。
此法是在电炉加热时用纯氧气氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成。
下图所示装置是用燃烧法确定有机物分子式常用的装置。
回答下列问题：
（1）产生的氧气按从左到右流向，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，则该有机物的最简式为________________________。
（6）要确定该有机物的分子式，还要_______________________________________________。
答案
（1）g、f、e、h、i、c（或d）、d（或c）、a（或b）、b（或a）
（2）除去氧气中的水蒸气
（3）催化剂，加快产生氧气的速率
（4）确保有机物充分氧化，最终生成CO2和H2O
（5）CH2O
（6）测出该有机物的相对分子质量
解析 该实验的目的是用燃烧法确定有机物的组成，观察实验装置就能明确实验原理：
D是氧气发生装置，C是氧气干燥装置，E是氧气与样品充分反应装置，B是水蒸气吸收装置，A是CO2吸收装置。
用守恒法求最简式：
n（C）＝
＝0.03mol，n（H）＝
×2＝0.06mol，n（O）＝
＝0.03mol，故该有机物的最简式为CH2O。
12.为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：
（1）将一定量的有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：
生成5.4gH2O和8.8gCO2，消耗氧气6.72L（标准状况下），则该物质的实验式是___________________________________。
（2）用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量，得到如下图所示的质谱图，则其相对分子质量为________，该物质的分子式是______________。
（3）根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式：
________________________________________________________________________。
（4）核磁共振氢谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的峰值（信号），根据峰值（信号）可以确定分子中氢原子的种类和数目。
例如甲基氯甲基醚（Cl—CH2—O—CH3，有2种氢原子）的核磁共振氢谱如图1所示：
经测定，有机物A的核磁共振氢谱图如图2所示，则A的结构简式为________________________。
答案
（1）C2H6O
（2）46 C2H6O （3）CH3CH2OH、CH3—O—CH3 （4）CH3CH2OH
解析
（1）根据题意有n（H2O）＝0.3mol，则有n（H）＝0.6mol；n（CO2）＝0.2mol，则有n（C）＝0.2mol。
根据氧原子守恒有n（O）＝n（H2O）＋2n（CO2）－2n（O2）＝0.3mol＋2×0.2mol－2×
＝0.1mol，则N（C）∶N（H）∶N（O）＝n（C）∶n（H）∶n（O）＝2∶6∶1，其实验式为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C2H6O可知A为饱和化合物，推测其结构简式为CH3CH2OH或CH3OCH3。
（4）分析A的核磁共振氢谱图可知：
A有3种不同类型的H原子，而CH3OCH3只有1种类型的H原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。
[拓展探究]
13.三聚氰胺最早被李比希于1834年合成，它有毒，不可用于食
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