学年苏教版选修5 专题1第二单元 科学家怎样研究有机物疑难拓展 学案.docx
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学年苏教版选修5专题1第二单元科学家怎样研究有机物疑难拓展学案
专题1认识有机化合物
第二单元 科学家怎样研究有机物
疑难拓展
拓展点一 元素分析与相对分子质量的测定
要确定有机化合物的分子式，必须在确定了有机物的元素组成和相对分子质量的基础上进行。
1.元素分析
组成有机化合物的元素种类最常见的是C、H、O、N、X等元素。
各元素的质量分数通常需要借助有机化合物的可燃性等化学性质进行定量测定。
通过分解为无机物（CO2、H2O、N2等）得知C、H、N、X等元素的质量分数后，其总和若小于100%，其差值一般就是氧元素的质量分数。
（1）碳、氢元素质量分数的测定：
最常用的是燃烧分析法，也可以利用仪器分析方法测定。
（2）氮元素质量分数的测定：
在氧化铜的催化下燃烧生成氮气，测气体的体积，即可计算出样品中氮元素的质量分数。
（3）卤素质量分数的测定：
将样品与AgNO3溶液及浓硝酸混合加热，产生卤化银沉淀。
根据沉淀的量，即可计算出样品中卤素的质量分数。
2.相对分子质量的测定
（1）测定有机化合物相对分子质量的方法很多，可以依据理想气体状态方程并采用特定的装置（见下图）进行测定，也可以使用质谱仪进行测定。
依据pV＝nRT测定有机化合物相对分子质量的装置示意图
（2）质谱法测定有机化合物的相对分子质量
用高能电子流轰击样品，使分子失去电子变成带正电荷的碎片，在磁场的作用下，由于碎片的相对质量不同，它们到达检测器的时间也先后不同，其结果被记录为质谱图。
质谱仪原理示意图：
质谱图：
戊烷的质谱图
横坐标表示碎片的质荷比，纵坐标表示碎片的相对丰度，峰上的数据表示碎片的相对质量。
分子离子的相对质量越大，质荷比就越大，到达检测器需要的时间就越长，因此质谱图中最右边的峰表示的就是有机化合物的相对分子质量。
3.确定有机物分子式的基本方法
常见确定有机物分子式的基本方法可归纳为下图：
拓展点二 有机合成概述
自1828年德国化学家维勒人工合成尿素以来，人类运用有机化学手段合成出许许多多自然界里存在的物质，也创造性地合成出了许许多多自然界里没有的物质。
从染料、炸药、农药和医药的合成，到塑料、合成橡胶和合成纤维等高分子化合物的合成，再到具有生物活性的一系列天然产物的合成，无一不在改变着物质世界的面貌。
1.有机合成是有机化学中最令人关注的领域
设计与合成新的分子是有机化学家们的首要任务。
近100年来，有机化学家们设计和合成了大量的有机化合物。
在合成有机化合物的同时，有机化学家们发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论。
2.有机合成的科学方法和工作程序
（1）若合成自然界里已经存在的有机化合物时：
→
（也可以修改它们的结构、改良它们的性能）
（2）若合成某种自然界里不存在的、并具有特殊性质或功能的有机化合物时：
→
3.有机合成流程
首先设计合成路线（其核心在于构建目标化合物分子的碳骨架，引入所必需的官能团）；然后根据可行的合成路线和步骤合成样品，并对其进行分离纯化；最后对纯化了的样品进行结构测定，试验其性质或功能。
如果制得了所需的有机化合物，就可进行大量合成；否则，需审查原来的合成路线并予以改进或重新设计。
有机合成流程示意图
拓展点三 有机化学反应基本类型
结合官能团结构，要把学过的化学反应按反应类型归类，以有利于揭示结构和性质的关系，从而掌握有机反应规律。
常见的有机化学反应类型有：
1．取代反应
有机分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应。
烷烃的卤化；苯及其同系物的卤化、硝化、磺化；苯酚的卤化、硝化；醇跟卤化氢反应；醇与酸的反应；醇脱水成醚的反应等都是重要的取代反应。
2．加成反应
有机分子里的不饱和碳原子跟其他原子或原子团直接结合成一种新的有机物的反应叫加成反应。
发生加成反应的物质主要有烯烃、炔烃、二烯烃、芳香族化合物、醛、酮、油脂等物质。
其中烯烃、炔烃、二烯烃常见的加成物质是氢气、卤素单质、卤化氢和水。
3．加聚反应
含有碳碳双键的不饱和有机物，以加成的方式相互结合，生成高分子化合物的反应叫加聚反应。
发生加聚反应的有烯烃、二烯烃以及它们的衍生物，如乙烯、氯乙烯等。
如：
nCH2＝CH2
nCH2＝CHCl
4．缩聚反应
有机物单体间通过失去水分子等小分子形成高分子化合物的反应叫缩聚反应。
如：
对于加聚反应、缩聚反应，要熟练掌握单体、聚合物以及高聚物中的链节。
5．消去反应
有机化合物在适当条件下，从一个分子中脱去一个或几个小分子（如水、卤化氢），而生成不饱和（含双键或叁键）化合物的反应称为消去反应。
如醇的分子内脱水，卤代烃在NaOH的醇溶液里的反应：
CH3CH2OH
CH2＝CH2↑+H2O
从结构上看，发生消去反应的有机物分子中与官能团（—OH）相连碳原子的相邻碳原子上必须要有氢原子，否则不能发生消去反应，如：
（CH3）3CCH2OH不能发生消去反应。
6．氧化反应
氧化反应就是有机物分子里“加氧”或“去氢”的反应。
大部分有机物在空气中都可燃烧，这是属于剧烈的完全的氧化反应，这样的氧化反应最终产物为CO2和H2O。
此外烯烃、炔烃、苯的同系物的侧链、醇、醛等可被某些氧化剂所氧化。
它包括两类氧化反应。
（1）在有催化剂存在时被氧气氧化。
如：
2CH3CHOHCH3＋O2
2
＋2H2O
醇
醛或酮
从结构上看，能够发生催化氧化反应的醇一定是连有—OH的碳原子上必须有氢原子，否则不能发生催化氧化反应，如：
（CH3）3COH不能发生催化氧化反应。
（2）有机物被除O2外的某些氧化剂[如KMnO4、Cu（OH）2、Ag（NH3）2OH等]氧化。
如：
CH3CHO＋2Cu（OH）2+NaOH
CH3COONa＋Cu2O↓＋3H2O
醛
羧酸
7．还原反应
还原反应是有机物分子里“加氢”或“去氧”的反应，其中加氢反应又属加成反应。
不饱和烃、芳香族化合物、醛、酮等都可进行加氢还原反应。
如：
CH3CH2CHO＋H2
CH3CH2CH2OH
＋3Fe＋6HCl―→
＋3FeCl2＋2H2O
8．酯化反应
酸与醇起作用生成酯和水的反应称酯化反应。
发生反应的酸可以是羧酸也可以是无机含氧酸，醇包括一元醇、二元醇、多元醇或葡萄糖、纤维素等多羟基化合物。
酯化反应实质上是取代反应。
9．水解反应
有机物跟水在一定条件下发生的反应叫水解反应。
其实质是在有机分子中引入羟基的反应，主要有卤代烃、酯、油脂、二糖、多糖、蛋白质的水解，在不同酸碱条件下，水解的程度不同，产物也不同。
从本质上看，水解反应属于取代反应。
要注意有机物的断键部位，如乙酸乙酯水解时是与羰基相连的C—O键断裂（即成键位置）：
CH3COOC2H5＋HOH
CH3COOH＋C2H5OH
考题分类与总结
题型一有机物中是否含有氧元素的求算方法
例1有0.2mol的有机物和0.4mol氧气在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O（g），产物通过浓H2SO4后，质量增加10.8g，再通过灼热的CuO，充分反应后，氧化铜的质量减轻了3.2g，最后再通过足量的碱石灰被完全吸收，质量增加17.6g。
试推断该有机物的分子式。
方法点拨：
若题设中告诉了有机物的质量，可以用m（O）＝m（有机物）－m（C）－m（H），进而求得n（O）。
若未告诉有机物的质量，可用原子守恒确定有机物中是否含氧以及氧的物质的量。
解析：
本题给出了反应产物的名称，可由题意求出各元素原子的物质的量。
燃烧产物中：
n（H2O）＝
＝0.6mol
由化学方程式：
CO＋CuO
Cu＋CO2 Δm（固体减轻）
1mol 16g
n（CO） 3.2g
得n（CO）＝0.2mol
则燃烧产物中n（CO2）＝
－n（CO）＝0.2mol
故0.2mol有机物中含有：
n（C）＝n（CO）＋n（CO2）＝0.4mol
n（H）＝2n（H2O）＝1.2mol
n（O）＝2n（CO2）＋n（CO）＋n（H2O）－2n（O2）
＝2×0.2mol＋0.2mol＋0.6mol－2×0.4mol
＝0.4mol
则n（有机物）∶n（C）∶n（H）∶n（O）＝0.2mol∶0.4mol∶1.2mol∶0.4mol＝1∶2∶6∶2
即该有机物分子式为C2H6O2。
答案：
C2H6O2
变式训练1充分燃烧2.8g某有机物A生成8.8gCO2和3.6gH2O，用质谱法测定有机物A的相对分子质量为56，求该有机物的分子式。
解析：
2.8g有机物A的物质的量为：
n（A）＝
＝0.05mol，
A分子中碳原子个数＝
＝
＝4，
A分子中氢原子个数＝
＝
＝8，
2.8g有机物A中，m（C）＝n（C）×M（C）＝
×12g·mol－1＝2.4g，
m（H）＝n（H2O）×2×M（H）＝
×2×1g·mol－1＝0.4g，
由于m（C）＋m（H）＝2.4g＋0.4g＝2.8g＝有机物A的质量，所以，该有机物属于烃类，故A的分子式为C4H8。
答案：
C4H8
题型二有机物分子式和结构式的确定方法
例2某有机物的蒸气密度是相同状况下甲烷密度的3.625倍，把1.16g该有机物在氧气中充分燃烧，将生成的气体混合物通过足量的碱石灰，碱石灰增重3.72g。
又知生成H2O和CO2物质的量之比为1∶1，试求此有机物的分子式。
该有机物能使溴水褪色，能和酸发生酯化反应，试确定它的结构简式。
方法点拨：
根据燃烧只生成CO2和H2O，利用有机物燃烧反应中有关物质的量的关系，可求出分子中碳、氢、氧原子个数，确定它的分子式。
然后，结合物质的分子式及性质，从可能的同分异构体中选出符合题意的结构。
解析：
M（有机物）＝3.625×16g·mol－1＝58g·mol－1，
则1.16g该有机物的物质的量为
＝0.02mol
设该有机物的分子式为CxHyOz，则有：
CxHyOz＋
O2
xCO2＋
H2O
1mol xmol
mol
0.02mol 0.02xmol 0.01ymol
依题意：
解此方程组，得：
x＝3，y＝6。
Mr（C3H6Oz）＝58，3×12＋6＋16z＝58，z＝1
所以分子式为C3H6O。
该有机物能使溴水褪色，能和酸发生酯化反应，且符合CnH2nO通式，应为烯醇（醛、酮不能和酸发生酯化反应），结构简式为CH2＝CHCH2OH。
答案：
分子式为C3H6O，结构简式为CH2＝CHCH2OH。
变式训练2某含氧有机化合物可以作为无铅汽油的抗震剂，它的相对分子质量为88，含碳质量分数为68.2%，含氢质量分数为13.6%，红外光谱和核磁共振氢谱显示该分子中有4个甲基。
请写出其结构简式：
。
解析：
首先计算该含氧有机化合物分子中C原子个数：
＝5；同理H原子个数为12；再计算分子中氧原子个数：
＝1，所以该含氧有机化合物的分子式为C5H12O。
因为分子中有4个−CH3，故分子中还有一个C上没有氢原子，只能与3个—CH3和一个氧原子相连。
因此，该物质的结构简式为CH3—O—C（CH3）3。
答案：
CH3—O—C（CH3）3
题型三有机物组成的测定方法
例3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流向，所选装置导管的连接顺序是
。
（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）要确定该有机物的分子式，还需要 。
解析：
本题利用H2O2在MnO2催化下分解产生氧气，用浓硫酸除去其中的水蒸气后氧化有机物生成CO2和H2O，利用装置B测定H2O的质量，利用装置A测定CO2的质量，从而可求出有机物中含有的C、H（或O）的质量，进而求出有机物的实验式。
电炉中CuO的作用是为了尽可能保证有机物全部氧化生成CO2和H2O。
（5）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
n（C）∶n（H）∶n（O）＝0.03mol∶（0.03mol×2）∶0.03mol＝1∶2∶1，故该有机物的实验式为CH2O。
（6）要确定有机物的分子式，还需要测出有机物的相对分子质量。
答案：
（1）g→f，e→h，i→c（或d），d（或c）→a（或b）
（2）吸收水分，保持氧气干燥纯净
（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）测出有机物的相对分子质量
变式训练3实验室用燃烧法测定某种氨基酸（CxHyOzNm）的分子组成。
取Wg该种氨基酸放在纯氧中充分燃烧，生成二氧化碳、水和氮气。
按下图所示装置进行实验。
回答下列问题：
（1）实验开始时，首先通入一段时间的氧气，其理由是。
（2）以上装置中需要加热的仪器有（填写字母），操作时应先点燃处的酒精灯。
（3）A装置中发生反应的化学方程式是。
（4）D装置的作用是。
（5）读取氮气的体积时，应注意①；
②。
（6）实验中测得氮气的体积为VmL（标准状况），为确定此氨基酸的分子式，还需要
的有关数据有。
A．生成二氧化碳气体的质量B．生成水的质量
C．通入氧气的体积D．氨基酸的相对分子质量
解析：
首先本实验的目的是测定氨基酸的分子式，所以要测定生成二氧化碳气体的质量、生成水的质量和氮气的体积，如果先测二氧化碳气体的质量，碱石灰就会同时将水吸收，因此应利用浓硫酸吸收水，先测水的质量；E、F联合的目的是测量氮气的体积，如果不除掉氧气，就构成对测量氮气的干扰，因此测量氮气的体积之前应先除掉剩余的氧气。
答案：
（1）排除体系中的N2
（2）A、DD
（3）CxHyOzNm＋（
）O2
xCO2＋
H2O＋
N2
（4）吸收未反应的O2，保证最终收集的气体是N2
（5）量筒内液面与广口瓶中的液面相持平视线与凹液面最低处相切
（6）ABD
题型四研究有机物结构的方法
例4为了测定某有机物A的结构，做如下实验：
①将2.3g该有机物完全燃烧，生成0.1molCO2和2.7gH2O。
②用质谱仪测得其相对分子质量为46。
③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图所示的图谱，图中三个峰的面积之比是1∶2∶3。
试回答下列问题：
（1）有机物A的实验式是 。
（2）能否根据A的实验式确定A的分子式？
（填“能”或“不能”）。
若能，则A的分子式是 ；若不能，则此空不填。
（3）写出有机物A可能的结构简式：
。
方法点拨：
利用质谱仪确定有机物的相对分子质量，利用红外光谱测知有机物中含有键的种类，利用核磁共振氢谱测知有机物中氢原子种类，三者结合可推测有机物的结构。
解析：
（1）在2.3g有机物中：
n（C）＝0.1mol，m（C）＝0.1mol×12g·mol－1＝1.2g；
n（H）＝
×2＝0.3mol，m（H）＝0.3mol×1g·mol－1＝0.3g；
m（O）＝2.3g－1.2g－0.3g＝0.8g，n（O）＝
＝0.05mol。
n（C）∶n（H）∶n（O）＝0.1mol∶0.3mol∶0.05mol＝2∶6∶1，所以A的实验式是C2H6O。
（2）实验式是C2H6O的有机物中，氢原子数已经达到饱和，所以其实验式C2H6O即为分子式。
（3）A有如下两种可能的结构：
CH3OCH3或CH3CH2OH。
若为前者，则在核磁共振氢谱中只有一个峰；若为后者，则在核磁共振氢谱中应有3个峰，且3个峰的面积之比是1∶2∶3。
显然后者符合，所以A的结构简式为CH3CH2OH。
答案：
（1）C2H6O
（2）能 C2H6O （3）CH3CH2OH
变式训练4分子式为C2H4O2的结构可能有CH3COOH和HCOOCH3两种，为对其结构进行物理方法鉴定，可用 或 。
（1）若为CH3COOH，则红外光谱中应该有 个振动吸收；核磁共振氢谱中应有 个峰。
（2）若为HCOOCH3，则红外光谱中有 个振动吸收；核磁共振氢谱中应有 个峰。
解析：
有机物结构的鉴定方法：
答案：
红外光谱法、核磁共振氢谱法
（1）42
（2）32
题型五有机化学反应的研究
例5乙醇在浓硫酸存在并加热的条件下可发生脱水反应（反应A），而产物在加热、加压和有硫酸存在的条件下可发生水化反应（反应B），反应可能经历了生成中间体（Ⅰ）这一步，如图所示：
（1）如果将反应按取代、加成、消去分类，则A～F反应中属于取代反应的是 （填字母，下同），属于加成反应的是 ，属于消去反应的是 。
（2）按系统命名法，中间体（Ⅰ）的名称是 。
（3）如果将原料C2H5OH中的羟基H用D标记成C2H5OD，则反应后的浓硫酸中是否可能含有D？
为什么？
。
解析：
本题是将有机反应类型情境化，要求学生运用所学概念分析反应并理解所学概念，同时对信息进行加工整理。
分析中间体（Ⅰ），结合无机酸酯的结构发现，（Ⅰ）为无机含氧酸酯。
答案：
（1）CD BE AF
（2）硫酸氢乙酯
（3）反应后的浓H2SO4中不含D，生成物水中含有D。
因为C2H5OD与浓H2SO4反应生成中间体C2H5OSO2OH跟HDO，中间体C2H5OSO2OH发生消去反应生成CH2=CH2和H2SO4，故浓H2SO4中无D。
变式训练5科学家用同位素示踪法进行反应机理研究，下列反应式或转化中同位素示踪正确的是（ ）
A.2Na
O2＋2H2O＝4Na18OH＋O2↑
B.2KMnO4＋5H
O2＋3H2SO4＝K2SO4＋2MnSO4＋518O2↑＋8H2O
C.CH3COOH＋C2H
OH
CH3COOC2H5＋H
O
D.515NH4NO3
4N2↑＋2H15NO3＋9H2O
解析：
同位素示踪法同样可以研究无机反应机理。
Na
O2与H2O反应，产物18O2中的氧均来自Na
O2；KMnO4与H
O2反应，H
O2作为还原剂，氧化产物中18O2中的氧均来自H
O2；
CH3COOH与C2H
OH反应，18O应出现在产物CH3CO18OC2H5中，产物水中不会有18O；15NH4NO3受热分解，15N应出现在氮气中且占5/8，产物硝酸中不会有15N。
答案：
B
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