人教版高中化学选修5课件 第1章 第4节 研究有机化合物的1般步骤和方法 第2课时 有机物化学式的测定和结构的确定 26页

第 2 课时 有机物化学式的测定和结构的确定 一、元素分析与相对分子质量的测定 1．元素分析 实验式 (1)元素定量分析的原理：是将一定量的有机物________， 分解为简单的__________，并作________测定，通过无机物的 质量推算出组成该有机物元素原子的________________，然后 计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定其 __________。 C2H6O 46如：乙醇的实验式是________，相对分子质量是______。 燃烧 无机物 定量 质量分数 (2)有机物的元素定量分析最早是由德国人李比希提出的。 他用 CuO 作氧化剂将仅含 C、H、O 元素的有机物氧化，产生 的 H2O 用________________吸收，CO2 用________浓溶液吸收。 分别称出吸收前后吸收剂的质量，即可算出______________在 分子中的含量，剩余的就是__________的含量。 无水 CaCl2 (3)元素分析只能确定组成分子的各原子______________， 即确定__________，若想确定分子式，还需知道或测定未知物 的________________。 KOH 碳、氢原子 实验式 相对分子质量 氧原子 最简单的整数比 2．相对分子质量的测定——质谱法 质谱是近代发展起来的快速、微量、精确测定____________ 的方法。它用高能的电子流等轰击样品分子，使该分子 __________变成带正电荷的___________和_____________。 相对分子质量 失去电子 分子离子 碎片离子 二、分子结构的确定 1．红外光谱 振动频率 红外光的振动频率 在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断 ______的状态，其_______________与______________________ 相当。所以，当用__________照射有机物分子时，分子中的化 学键或官能团可发生______________，不同的化学键或官能团 ______________不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。 振动 振动吸收 吸收频率 红外线 2．核磁共振氢谱 处在不同化学环境中的__________因产生共振时吸收电磁 波的________不同，在谱图上出现的位置也不同，各类氢原子 的这种差异被称为化学位移 δ ；而且 __________________ 与 ________________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。 氢原子 频率 吸收峰的面积 氢原子数 元素分析与相对分子质量的测定 1．元素分析(燃烧法) (1)元素定量分析的原理 将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，并作定量 测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量 分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比， 即确定其实验式，以便于进一步确定其分子式。 (2)常见元素的分析法 ①碳、氢元素质量分数的测定 最常用的是燃烧分析法。将样品置于氧气流中燃烧，燃烧 后生成二氧化碳和水分别用碱液或吸水剂吸收，称重后即可分 别计算出样品中碳、氢元素的质量分数。当然，碳、氢元素的 含量也可以利用仪器分析方法测定。 ②卤素质量分数的测定 将样品与 AgNO3 溶液及浓硝酸混合加热，此时卤素原子转 变为卤素离子，并与 AgNO3 溶液作用产生卤化银沉淀。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 测定有机物的相对分子质量的方法很多，质谱法是最精确、 快捷的方法。 质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子 质量的方法。它用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去 电子变成带电荷的分子离子和碎片离子。分子离子、碎片离子 各自具有不同的相对质量，它们在磁场作用下到达检测器的时 间因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱图，在质谱 图中最大的分子离子的质荷比就是有机物的相对分子质量。 分子结构的确定 1．红外光谱 (1)原理 组成化学键或官能团的原子振动频率和红外光的振动频率 相当。当用红外线照射有机物分子时，不同化学键或官能团吸 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。 (2)用途 通过红外光谱可以推知有机物分子中含有哪些化学键、官 能团。例如：C2H6O，从未知物 A 的红外光谱图上发现有 O—H 键、C—H 键和 C—O 键的振动吸收，可以判断 A 是乙醇而并 非二甲醚，因为二甲醚没有 O—H 键。 2．核磁共振氢谱 (1)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电磁 波的频率不同，在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。 (2)用途 从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子中有几种不同 类型的氢原子及它们的数目。 有机物分子式的确定 【例 1】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。求： (1)吗啡的相对分子质量。 (2)吗啡的分子式。 ＝17 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，故可得吗啡的相对分子质量为 285。 (2)因此，吗啡分子中 C、H、O 原子的个数： C 原子个数为：285×71.58% 12 H 原子个数为：285×6.67% 1 ＝19 O 原子个数为：285×16.84% 16 ＝3 则吗啡的分子式为 C17H19NO3。 【答案】(1)假设吗啡分子中只有 1 个氮原子，则吗啡的相 对分子质量为 14/4.91%＝285。由于已知吗啡的相对分子质量不 确定分子式的方法 (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 1 mol 分子中所含各元素原子的物质的量→求分子式。(气体标 准状况下 M＝d g/cm3×103 cm3/L×22.4 L/mol) (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。 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。 1．(2009 年海南化学改编)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%，求 A 的分子式。 解：碳元素的相对分子质量总和＝92.3%×104＝96，因 104 －96＝8，不可能含其他原子，氢元素的相对原子质量总和为 8。 分子中含碳原子的数目为：96÷12＝8，所以分子式为 C8H8。 答：A 的分子式为 C8H8。 有机物结构的确定 【例 2】利用核磁共振技术测定有机物分子的三维结构的 研究获得了 2002 年诺贝尔化学奖。在有机物分子中，不同位置 的氢原子的核磁共振谱中给出的峰值(信号)也不同，根据峰值 的信号可以确定有机物分子中氢原子的种类和数目。例如：乙 ，其核磁共振氢谱醚的结构式为： 中信号峰(如图 1－4－1)： 图 1－4－1 图 1－4－2 (1)下列分子中，其核磁共振氢谱中只有一种峰(信号)的物 质是________(填序号)。 A．CH3—CH3 C．CH3COOCH3 B．CH3COOH D．CH3COCH3 (2)化合物 A 和 B 的分子式都是 C2H4Br2，A 的核磁共振氢 谱如图 1－4－2 所示，则 A 的结构简式为_____________，请 预测 B 的核磁共振氢谱上有____种峰(信号)。 (3)用核磁共振氢谱的方法来研究 C2H6O 的结构，请简要说 明根据核磁共振氢谱的结果来确定 C2H6O 分子结构的方法是 ______________________________________________________ ______________________________________________________ ________________________________。 【解析】核磁共振氢谱中信号峰有几种取决于有机物分子 结构有几类化学环境相同的氢原子。(1)氢谱只有一种峰表示分 子中所有氢原子化学性质相同，可以理解为其一氯代物只有一 种，AD 满足条件。(2)由图可知，信号峰只有一种，说明在两 个碳原子上都有一个溴原子，A 为 CH2BrCH2Br；A、B 互为同 分异构体即 B 为 CH3CHBr2，有两种信号峰。 (2)BrCH2CH2Br 两 (3) 若 谱 图 中 给 出 3 种 信 号 峰 ， 则 C2H6O 的 结 构 为 CH3CH2OH ；若谱图中给出 1 种信号峰，则 C2H6O 的结构为 CH3OCH3 【答案】(1)AD 2．在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为 3∶ 2 )。的化合物是( A． C． B． D． 解析：“出现两组峰”说明该化合物有两种氢原子(两种等 效氢)。A 选项有 2 种氢原子，个数分别为 2 和 6；B 选项有 3 种氢原子，个数分别为 2、2 和 6；C 选项有 2 种氢原子，个数 分别为 6 和 8；D 选项有 2 种氢原子，个数分别为 4 和 6。 答案：D 3．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 B A．CH3CH2COOH C．HCOOCH2CH3 B．CH3COOCH3 D．CH3COCH2OH )。4．下列鉴别方法可行的是( 答案：C