2020高中化学专题1认识有机化合物第二单元科学家怎样研究有机物教案苏教版选修5 10页

第二单元　科学家怎样研究有机物 ‎[明确学习目标]　1.知道有机化合物组成的研究方法，学会如何确定最简式。2.知道有机化合物结构的研究方法及李比希提出的“基团理论”。3.知道研究有机反应机理的基本方法和有机化学反应的研究内容。‎ 一、有机化合物元素组成的研究 ‎1．常见方法 ‎(1)李比希燃烧法 ‎①将某有机物在O2中充分燃烧后，各元素对应的燃烧产物：‎ C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。‎ ‎②若将有机物完全燃烧，生成物只有H2O(使无水CuSO4变蓝)和CO2(使澄清石灰水变浑浊)，则该有机物中一定含有的元素是C、H，可能含有的元素是O。‎ ‎③判断是否含氧元素，可先求出产物CO2和H2O中C、H两种元素的质量和，再与有机物的质量比较，若二者相等，则说明原有机物中不含氧元素，否则有机物中含有氧元素。‎ ‎(2)钠融法：确定有机物中是否存在氮、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。用红热的铜丝蘸上试样灼烧时，若含卤素则火焰为绿色。‎ ‎2．元素分析仪 ‎(1)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)特点 二、有机化合物结构的研究 ‎1．有机化合物的结构 ‎(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)1831年，德国化学家李比希提出了“基团理论”。‎ 常见的基团有：羟基(—OH)，醛基(—CHO)，羧基(—COOH)，氨基(—NH2)，烃基( - 10 -‎ ‎—R)等，它们有不同的结构和性质特点。‎ ‎2．测定有机化合物结构的分析方法 ‎(1)核磁共振法 在1H核磁共振谱中：‎ ‎①特征峰的个数就是有机物中不同化学环境的氢原子的种类；‎ ‎②特征峰的面积之比就是不同化学环境的氢原子的个数比。‎ 如乙醚(CH3CH2OCH2CH3)分子中有10个氢原子，在1H核磁共振谱中会出现2个峰，峰的面积之比为3∶2。‎ ‎(2)红外光谱法 ‎①原理：不同基团的特征吸收频率不同，对红外光吸收的波长不同。‎ ‎②应用：初步判定有机物中基团的种类。‎ ‎(3)质谱法 用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，分析带电“碎片”的特征谱，从而分析有机物的结构。其最大值表示有机物的相对分子质量。‎ 三、手性碳原子和手性分子 当有机物分子中的一个碳原子所连四个原子或原子团均不相同时，此碳原子就是“手性碳原子”。含有手性碳原子的分子为手性分子。属于互为镜像且不能重叠的异构体，称为对映异构体。手性分子具有特殊的光学性质，光通过时会发生旋转，产生旋光性。‎ 四、有机化学反应的研究 ‎1．甲烷与氯气取代反应的反应机理 ‎(1)反应机理 Cl2Cl＋Cl；‎ Cl＋CH4―→CH3＋HCl；‎ CH3＋Cl2―→Cl＋CH3Cl；‎ 其中Cl2、CH4为反应物，Cl、CH3为自由基，HCl、CH3Cl为生成物。‎ ‎(2)反应产物：共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。‎ ‎2．同位素示踪法研究酯的水解反应 ‎(1)方法：将乙酸乙酯与HO在H2SO4催化下加热水解，检测18O的分布情况，判断酯水解时的断键情况。‎ ‎(2)反应机理 - 10 -‎ 由此可以判断，酯在水解过程中断开的是酯中的①键，水中的—18OH连接在①键上形成羧酸。‎ ‎1．有机物的最简式(实验式)与分子式有哪些区别与联系？‎ 提示：(1)最简式是表示化合物分子中所含各元素原子个数的最简整数比的式子。‎ ‎(2)分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。‎ ‎(3)二者中各元素的质量分数相等，可能不同的是原子个数。‎ ‎2．如何判断有机物分子中不同化学环境的氢原子种类？‎ 提示：(1)依据1H核磁共振谱。‎ ‎(2)可利用等效氢法确定不同化学环境的氢原子。‎ ‎①在同一个C上的氢等效。‎ ‎②对称C上的氢等效。‎ ‎③在同一个C上相同取代基上的氢等效。‎ 若为等效氢，则属于同种化学环境的氢。‎ 如：①CH3CHCH3②CH2CH3，共有4种不同化学环境的氢原子，其中①、②C上的氢等效，并且其1H核磁共振谱有4种波峰，其波峰的面积比为6∶1∶2∶3。‎ 一、有机物分子式的确定 确定有机物分子式的方法 ‎1．直接求算法 如果给出一定条件下的密度(或相对密度)及各元素的质量比(或质量分数)，可直接求算出1 mol气体中各元素原子的物质的量，从而得出其分子式。‎ 密度(或相对密度)→摩尔质量→1 mol气体中各元素原子的物质的量→分子式 例如，相同条件下，某有机物蒸气对H2的相对密度为23，其中C、H、O的质量分数分别为52.17%、13.05%、34.78%，则该有机物的相对分子质量为2×23＝46，则该有机物分子中所含C原子数为≈2，所含H原子数为≈6，所含O原子数为 - 10 -‎ ‎≈1，则该有机物的分子式为C2H6O。‎ ‎2．最简式法 分子式为最简式(也叫实验式)的整数倍，因此利用相对分子质量及求得的最简式可确定其分子式。利用最简式求烃的分子式的方法如下：‎ n(C)∶n(H)＝∶＝a∶b(最简整数比)。所以最简式为CaHb，则分子式为(CaHb)n，n＝(M为烃的相对分子质量，12a＋b为最简式的式量)。‎ ‎3．商余法 若已知某烃的相对分子质量为M，可用商余法来求其分子式。用M除以12(C的相对原子质量)，看商和余数。‎ ＝x……y 其中商x为整数，也为烃分子中的最大碳原子数；y为余数，也为烃分子中的最小氢原子数，即分子式为CxHy。‎ 若y＝0或x≥6时，则x每减小1，y增大12，但y最大不能超过2x＋2，由此可求出烃的分子式。‎ ‎4．化学方程式法 利用有机化学反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。在有机化学中，常利用有机物燃烧的化学方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有：‎ CxHy＋O2xCO2＋H2O CxHyOz＋O2xCO2＋H2O 用此法进行求算时，要抓住以下关键点：①气体体积变化(注意水的状态)；②气体压强变化；③气体密度变化；④混合物的平均相对分子质量等。同时可结合差量法、平均值法、十字交叉法、讨论法等技巧来求有机物的分子式。‎ ‎[对点练习]‎ ‎1．某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是(　　)‎ A．该化合物仅含碳、氢两种元素 B．该化合物中碳、氢原子个数比为1∶8‎ 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 答案　D 解析　根据元素守恒知：m(C)＋m(H)＝8.8 g×＋7.2 g×＝3.2 g<化合物的质量(6.4 g)，故化合物中含有氧元素。‎ ‎2．(1)气态烃A是一种基本的有机化工原料，目前石油裂解已成为生产A的主要方法。A在标准状况下的密度为1.25 g/L，D的分子式为C4H8O2‎ - 10 -‎ ‎，D在酸性条件下水解得到B和C，C的相对分子质量比B大14。四种有机物之间存在如图所示的转化关系。‎ 写出D的结构简式：________________。‎ ‎(2)E是芳香化合物，相对分子质量为180，其碳的质量分数为60.0%，氢的质量分数为4.4%，其余为氧，则E的分子式是________。‎ 答案　(1)CH3COOCH2CH3　(2)C9H8O4‎ 解析　(1)由A在标准状况下的密度为1.25 g/L，可求得A的相对分子质量是28，结合题给生产A的主要方法可推知，A是乙烯。D的分子式为C4H8O2，D在酸性条件下水解得到B和C，可知D是酯，B是乙醇，又由C的相对分子质量比B大14，可知C是乙酸。‎ ‎(2)E中碳原子数目为＝9，氢原子数目为≈8，氧原子数目为≈4，故其分子式为C9H8O4。‎ 二、有机物结构的确定 确定有机化合物结构的分析思路为：‎ ‎1．根据价键理论规律确定有机物的同分异构体 在有机物中C(四键)、O(二键)、N(三键)、H(一键)、X(一键)，利用价键理论书写有机物的结构，如C2H6O，只能写成CH3—CH2—OH或CH3—O—CH3。‎ ‎2．通过定性实验确定 实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。‎ 如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。‎ ‎3．通过定量实验确定 通过定量实验确定有机物的官能团，如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体，则可说明醇分子含2个—OH。‎ ‎4．可用红外光谱、1H核磁共振谱确定有机物中的官能团和各类氢原子数目，确定结构式 利用红外光谱可确定有机物分子中不同基团。‎ - 10 -‎ ‎1H核磁共振谱可确定有机物中不同化学环境的H原子种类及个数比。‎ ‎[对点练习]‎ ‎3．为了测定某有机物A的结构，做如下实验：‎ ‎①将2.3 g该有机物完全燃烧，生成0.1 mol CO2和2.7 g H2O；‎ ‎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，得到如图所示图谱。‎ 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：_____________________________________________________________________。‎ 答案　(1)C2H6O　(2)能　C2H6O　(3)CH3CH2OH 解析　(1)在2.3 g有机物中：‎ n(C)＝0.1 mol，m(C)＝0.1 mol×12 g·mol－1＝1.2 g；‎ n(H)＝×2＝0.3 mol，m(H)＝0.3 mol×1 g·mol－1＝0.3 g；‎ m(O)＝2.3 g－1.2 g－0.3 g＝0.8 g，n(O)＝＝0.05 mol。‎ n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.1 mol∶0.3 mol∶0.05 mol＝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应只有一个峰；若为后者，则在核磁共振氢谱中应有三个峰，而且三个峰的面积之比是1∶2∶3。显然后者符合，所以A的结构简式为CH3CH2OH。‎ ‎4．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0.125 mol CO2和0.15 mol H2O。据此得出的结论是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。‎ ‎(2)另一实验中，取3.4 g蜡状有机物A在3.36 L(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2.8 L CO2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________。‎ - 10 -‎ ‎(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________。‎ 答案　Ⅰ.(1)分子中n(C)∶n(H)＝5∶12，分子式为C5H12Ox(x＝0,1,2……)　(2)C5H12O4‎ Ⅱ.(3)羟基　(4)C(CH2OH)4‎ 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0.125 mol CO2和0.15 mol H2O，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元素的物质的量之比为n(C)∶n(H)＝0.125 mol∶(2×0.15) mol＝5∶12，分子式为C5H12Ox(x＝0,1,2……)。‎ ‎(2)生成CO2的物质的量为＝0.125 mol，则生成水的物质的量为0.15 mol,3.4 g有机物中氧元素的质量为3.4 g－0.125 mol×12 g·mol－1－0.15 mol×2×1 g·mol－1＝1.6 g，则氧元素的物质的量为0.1 mol，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。‎ 本课归纳总结 ‎1．两种气态烃的混合物共1 mol，在空气中燃烧得到1.5 mol CO2和2 mol H2O。下列关于该混合物的说法，合理的是(　　)‎ A．一定含甲烷，不含乙烷 B．一定含乙烷，不含甲烷 C．一定是甲烷和乙烯的混合物 D．一定含甲烷，但不含乙烯 - 10 -‎ 答案　A 解析　由题意可判断该混合物的平均组成为C1.5H4，因为碳原子数小于1.5的烃只有CH4，故一定含甲烷，而甲烷分子中含有4个H，则另一气态烃分子中也应含有4个H，可能为C2H4、C3H4或C4H4。‎ ‎2．在核磁共振氢谱中出现3组峰，且氢原子个数比为3∶1∶4的化合物是(　　)‎ 答案　C 解析　A项中的有机物有2种氢原子，个数比为3∶1；B项中的有机物有3种氢原子，个数比为1∶1∶3；C项中的有机物有3种氢原子，个数比为3∶1∶4；D项中的有机物有2种氢原子，个数比为3∶2，故选C。‎ ‎3．已知CH4与Cl2反应的产物中除CH3Cl外，还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4。下列关于生成CH2Cl2的过程中，可能出现的是(　　)‎ A．2Cl＋CH42HCl＋CH2‎ B.CH2Cl＋Cl2CH2Cl2＋Cl C.CH2Cl＋ClCH2Cl2‎ D．CH3Cl＋HClCH2Cl2＋H2‎ 答案　B 解析　CH4与Cl2反应为自由基反应，生成CH2Cl2的反应机理包括三个阶段：‎ 链引发阶段：Cl2Cl＋Cl，Cl＋CH3ClCH2Cl＋HCl 链传递阶段：Cl2＋CH2ClCH2Cl2＋Cl 链终止阶段：Cl＋ClClCl，Cl＋CH2ClCH2Cl2‎ 综合上述反应历程，可知符合题意的为B。‎ ‎4．在有机物分子中，若碳原子连接四个不同的原子或原子团，该碳原子称为不对称碳原子(或手性碳原子)，含有手性碳原子的有机物具有光学活性。下列分子中，没有光学活性的是(　　)‎ - 10 -‎ A．乳酸CH3CHOHCOOH B．甘油CH2OH—CHOH—CH2OH C．脱氧核糖核酸CH2OH—CHOH—CHOH—CH2CHO D．核酸CH2OH—CHOH—CHOH—CHOHCHO 答案　B 解析　分析碳原子所连接的四个原子或原子团即可得到答案。A中的手性碳(用“*”表示)CH3—*CHOHCOOH，C中CH2OH—*CHOH—*CHOH—CH2CHO，D中 CH2OH—*CHOH—*CHOH—*CHOHCHO。‎ ‎5．根据研究有机物的步骤和方法，填满下列空格：‎ - 10 -‎ 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等于16×4.375＝70。‎ ‎(2)由A的燃烧反应知，5.6 g A含m(C)＝17.6 g×＝4.8 g，m(H)＝7.2 g×＝0.8 g，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)读取该核磁共振氢谱共有4个吸收峰，吸收峰面积之比为1∶1∶2∶6，则符合题意。‎ - 10 -‎