2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第一章認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物4-2元素分析和相對分子質(zhì)量的測定學(xué)案新人教版選修5

PAGE16-第2課時(shí)元素分析和相對分子質(zhì)量的測定一、元素分析與相對分子質(zhì)量的測定1．元素分析(1)定性分析：用化學(xué)方法鑒定有機(jī)物分子的元素組成。如燃燒后，C生成CO2、H生成H2O、Cl生成HCl。(2)定量分析：將肯定量的有機(jī)物燃燒并測定各產(chǎn)物的質(zhì)量，從而推算出各組成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后計(jì)算有機(jī)物分子中所含元素原子最簡潔的整數(shù)比，確定試驗(yàn)式。2．相對分子質(zhì)量的測定——質(zhì)譜法質(zhì)荷比：指分子離子或碎片離子的相對質(zhì)量與其電荷的比值。如圖所示：質(zhì)荷比最大的數(shù)據(jù)是CH3CH2eq\o(O,\s\up6(＋))H(46)，這就表示了未知物質(zhì)A的相對分子質(zhì)量為46。二、分子結(jié)構(gòu)的鑒定1．結(jié)構(gòu)鑒定的常用方法(1)物理方法：紅外光譜、紫外光譜、核磁共振氫譜等。(2)化學(xué)方法：利用特征反應(yīng)鑒定出官能團(tuán)，再制備它的衍生物進(jìn)一步確認(rèn)。2．紅外光譜法(1)作用：初步推斷某有機(jī)物中含有的基團(tuán)。(2)原理：不同的官能團(tuán)或化學(xué)鍵汲取頻率不同，在紅外光譜圖中處于不同的位置。3．核磁共振氫譜(1)作用：測定有機(jī)物分子中等效氫原子的類型和數(shù)目。(2)原理：處于不同化學(xué)環(huán)境的氫原子在譜圖上出現(xiàn)的位置不同，而且汲取峰的面積與氫原子數(shù)成正比。探究點(diǎn)一有機(jī)物分子式的確定1．圖解確定有機(jī)物分子式的一般思路2．有機(jī)物組成元素的推斷一般來說，某有機(jī)物完全燃燒后，若生成物中只有CO2和H2O，則其組成元素可能為C、H或C、H、O。推斷該有機(jī)物中是否含氧元素，首先應(yīng)求誕生成物CO2中碳元素的質(zhì)量及H2O中氫元素的質(zhì)量，然后將兩種元素的質(zhì)量之和與原有機(jī)物的質(zhì)量相比較，若二者相等，則原有機(jī)物中不含氧元素；若二者不相等，則原有機(jī)物中含有氧元素。3．確定分子式的方法(1)干脆法干脆求出1mol有機(jī)物中各元素原子的物質(zhì)的量，即可推出分子式。例如，給出肯定條件下的密度(或相對密度)及各元素的質(zhì)量比，求算分子式的途徑：密度(或相對密度)→摩爾質(zhì)量→1mol氣體中各元素原子的物質(zhì)的量→分子式。(2)試驗(yàn)式法依據(jù)有機(jī)物中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)求出分子組成中各元素的原子個(gè)數(shù)之比(試驗(yàn)式)，分子式為試驗(yàn)式的整數(shù)倍，利用物質(zhì)的相對分子質(zhì)量可確定其分子式。N(C)∶N(H)∶N(O)＝eq\f(wC,12)∶eq\f(wH,1)∶eq\f(wO,16)＝a∶b∶c(最簡整數(shù)比)，最簡式為CaHbOc，則分子式為(CaHbOc)n，得n＝eq\f(Mr,12a＋b＋16c)(Mr為有機(jī)物的相對分子質(zhì)量)。說明：有時(shí)沒有運(yùn)用技巧造成錯(cuò)解或無解，如某烴0.025mol，質(zhì)量為1.7g，含碳88.24%，氫11.76%，求分子式。運(yùn)用上法得：N(C)∶N(H)＝(88.24%÷12)∶(11.76%÷1)＝7.35∶11.76≈7∶12。相對分子質(zhì)量為：1.7÷0.025＝68，由于在求最簡比時(shí)近似處理，誤差太大，造成無解。正確解法為：7.35∶11.76＝eq\f(7.35,7.35)∶eq\f(11.76,7.35)＝1∶1.6＝5∶8，試驗(yàn)式為C5H8，試驗(yàn)式式量為68，與相對分子質(zhì)量相同，故該烴為C5H8。由此可以看出，求試驗(yàn)式的技巧為：若不能簡潔處理成最簡整數(shù)比時(shí)，應(yīng)用較小數(shù)作為除數(shù)(如上例中的7.35)，將一項(xiàng)變?yōu)?，若另一項(xiàng)還不是整數(shù)時(shí)，再同時(shí)擴(kuò)大肯定的倍數(shù)，即可找出試驗(yàn)式。(3)平均值法當(dāng)幾種烴混合時(shí)，往往能求出其平均分子式：把混合物當(dāng)成一種烴分子計(jì)算時(shí)，可以得出平均摩爾質(zhì)量，進(jìn)而推出平均分子式。若平均摩爾質(zhì)量為eq\x\to(M)，兩成分摩爾質(zhì)量為M1、M2(M1<M2)，肯定有M1<eq\x\to(M)<M2。平均分子式中C、H個(gè)數(shù)介于兩成分之間，故可確定烴的范圍。(4)商余通式法(適用于烴類分子式的求法)依據(jù)烷烴(CnH2n＋2)、烯烴和環(huán)烷烴(CnH2n)、炔烴和二烯烴(CnH2n－2)、苯的同系物(CnH2n－6)的通式可以看出，這些烴類物質(zhì)的分子中都有一個(gè)共同的部分CnH2n，這一部分的式量為14n，因此用烴的相對分子質(zhì)量除以14就可以確定分子所含碳原子數(shù)即n值，再依據(jù)余數(shù)就可以求出烴的分子式。一般規(guī)律如下：eq\f(MrCxHy,MrCH2)＝eq\f(Mr,14)＝商……余數(shù)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(余數(shù)為2為烷烴,余數(shù)為0為烯烴或環(huán)烷烴,余數(shù)為12為炔烴或二烯烴,余數(shù)為8為苯的同系物))其中對烷烴、烯烴或環(huán)烷烴而言，商為烴分子中碳原子數(shù)，而對炔烴、二烯烴、和苯的同系物而言，碳原子數(shù)為商加1。(5)化學(xué)方程式法利用有機(jī)反應(yīng)中反應(yīng)物、生成物之間“量”的關(guān)系求分子式的方法。在有機(jī)化學(xué)中，常利用有機(jī)物燃燒的化學(xué)方程式對分子式進(jìn)行求解。常用的化學(xué)方程式：確定有機(jī)物分子式的幾條閱歷規(guī)律：①當(dāng)條件不足時(shí)，可利用已知條件列方程，進(jìn)而解不定方程，結(jié)合烴CxHy中的x、y為正整數(shù)，烴的三態(tài)與碳原子數(shù)相關(guān)規(guī)律特殊是烴為氣態(tài)時(shí)，x≤4及烴的通式和性質(zhì)，運(yùn)用化學(xué)—數(shù)學(xué)分析法，即探討法，可簡捷地確定氣態(tài)烴的分子式。②當(dāng)烴為混合物時(shí)，一般是設(shè)平均分子式，結(jié)合反應(yīng)式和體積求出平均組成，利用平均值的含義確定各種可能混合烴的分子式。有時(shí)也利用平均相對分子質(zhì)量來確定可能的組成，此時(shí)，采納十字交叉法計(jì)算較為簡捷。③兩混合烴，若其平均相對分子質(zhì)量小于26，則該烴中必含甲烷。④兩混合氣態(tài)烴，充分燃燒后，生成CO2氣體的體積小于原混合烴體積的2倍，則原混合烴中必含CH4，若生成水的物質(zhì)的量小于原混合烴的量的2倍，則必含C2H2。⑤氣體混合烴與足量的氧氣充分燃燒后，若總體積保持不變，則原混合烴中的氫原子平均數(shù)為4；若體積擴(kuò)大，則氫原子平均數(shù)大于4；若體積縮小，則氫原子平均數(shù)小于4，則必含C2H2溫度在100℃以上。有機(jī)物的試驗(yàn)式和分子式肯定不相同嗎？提示：不肯定。有機(jī)物分子式中所含元素原子最簡的整數(shù)比，即為試驗(yàn)式，也可稱為最簡式。試驗(yàn)式只說明白物質(zhì)中元素原子物質(zhì)的量之比，分子式說明白物質(zhì)分子的詳細(xì)組成。二者中各元素的百分比相同?？赡懿煌氖墙M成物質(zhì)的原子的個(gè)數(shù)，有時(shí)試驗(yàn)式和分子式是相同的，如CH4、C2H6O等?！纠?】將3.24g某有機(jī)物裝入元素分析裝置，然后通入足量氧氣使之充分燃燒，將生成的氣體依次通過CaCl2管(A)和堿石灰管(B)，測得A管增重2.16g，B管增重9.24g。已知該有機(jī)物的相對分子質(zhì)量小于200，求其試驗(yàn)式并推想其分子式?！舅悸贩治觥恳罁?jù)燃燒產(chǎn)物確定有機(jī)物分子中原子個(gè)數(shù)比，從而可得其試驗(yàn)式，再結(jié)合其相對分子質(zhì)量的范圍確定其分子式?！窘馕觥縩(C)＝eq\f(9.24g,44g·mol－1)＝0.21moln(H)＝eq\f(2.16g,18g·mol－1)×2＝0.12mol×2＝0.24moln(O)＝eq\f(3.24g－0.21mol×12g·mol－1－0.24mol×1g·mol－1,16g·mol－1)＝0.03moln(C)∶n(H)∶n(O)＝7∶8∶1試驗(yàn)式為C7H8O，式量是108。由于該有機(jī)物的相對分子質(zhì)量小于200，所以該有機(jī)物的分子式為C7H8O?！敬鸢浮吭囼?yàn)式：C7H8O，分子式：C7H8O0．2mol有機(jī)物A和0.4molO2在密閉容器中燃燒后的產(chǎn)物為CO2、CO和H2O(g)，產(chǎn)物經(jīng)過濃H2SO4，質(zhì)量增加10.8g；再通過灼熱的CuO，充分反應(yīng)后，固體質(zhì)量減輕3.2g；最終氣體再通過堿石灰被完全汲取，質(zhì)量增加17.6g。試推斷該有機(jī)物A的分子式和相對分子質(zhì)量。若0.2mol的A恰好與9.2g金屬鈉完全反應(yīng)，試確定該有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式并命名。答案：C2H6O2；62；；乙二醇解析：首先可求生成CO2、CO、H2O(g)的物質(zhì)的量，依據(jù)反應(yīng)物消耗量，生成物生成的量，通過燃燒反應(yīng)方程式確定有機(jī)物的分子式，再依據(jù)醇與鈉反應(yīng)的通式，求羥基的個(gè)數(shù)，即確定有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式。由題意知：被濃H2SO4汲取的水蒸氣則0.2molA與0.4molO2反應(yīng)生成0.6molH2O、0.2molCO和0.2molCO2。即1molA消耗2molO2生成3molH2O、1molCO和1molCO2。依據(jù)質(zhì)量守恒定律得A的分子式為C2H6O2。相對分子質(zhì)量為62。確定A的結(jié)構(gòu)簡式：n(Na)＝eq\f(9.2g,23g·mol－1)＝0.4mol。由1molA可以與2molNa反應(yīng)，則說明1個(gè)A分子中含有2個(gè)羥基，由A的分子式為C2H6O2可知，A的結(jié)構(gòu)簡式為CH2OHCH2OH，名稱為乙二醇。探究點(diǎn)二有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)式的確定1．依據(jù)價(jià)鍵規(guī)律確定某些有機(jī)物依據(jù)價(jià)鍵規(guī)律只存在一種結(jié)構(gòu)，則干脆依據(jù)分子式確定其結(jié)構(gòu)簡式。例如C2H6，只能是CH3CH3。2．通過定性試驗(yàn)確定試驗(yàn)→有機(jī)物表現(xiàn)的性質(zhì)及相關(guān)結(jié)論→官能團(tuán)→確定結(jié)構(gòu)簡式。如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有機(jī)物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色卻能使高錳酸鉀酸性溶液褪色的可能是苯的同系物等。一些常見官能團(tuán)的化學(xué)檢驗(yàn)方法3.通過定量試驗(yàn)確定(1)通過定量試驗(yàn)確定有機(jī)物的官能團(tuán)，如乙醇結(jié)構(gòu)簡式的確定。(2)通過定量試驗(yàn)確定官能團(tuán)的數(shù)目，如測得1mol某醇與足量鈉反應(yīng)可得到1mol氣體，則可說明1個(gè)該醇分子中含2個(gè)—OH。4．依據(jù)試驗(yàn)測定的有機(jī)物的結(jié)構(gòu)片段“組裝”有機(jī)物試驗(yàn)測得的往往不是完整的有機(jī)物，這就須要我們依據(jù)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)規(guī)律如價(jià)鍵規(guī)律、性質(zhì)和量的規(guī)律等來對其進(jìn)行“組裝”和“拼湊”。5．確定有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)式的物理方法1．某有機(jī)物的最簡式為CH4O，則該有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式如何表示？提示：依據(jù)價(jià)鍵規(guī)律確定，該有機(jī)物的最簡式就是它的分子式，結(jié)構(gòu)簡式為CH3OH。2．分子式為C3H6O2的有機(jī)物，假如在核磁共振氫譜圖上視察到的氫原子給出的峰有兩種強(qiáng)度。一種強(qiáng)度比為3∶3，另一種強(qiáng)度比為3∶2∶1。請寫出該有機(jī)物可能的結(jié)構(gòu)簡式?！纠?】通常將肯定量的有機(jī)物充分燃燒轉(zhuǎn)化為簡潔的無機(jī)物，依據(jù)產(chǎn)物的質(zhì)量確定有機(jī)物的組成。如圖所示是用燃燒法確定有機(jī)物分子式的常用裝置。(1)使產(chǎn)生的O2按從左到右的方向流淌，則所選裝置中各導(dǎo)管的正確連接依次是________________________________________。(2)裝置C中濃硫酸的作用是_______________________。(3)燃燒管中CuO的作用是_______________________。(4)若精確稱取0.69g樣品(只含C、H、O三種元素中的兩種或三種)，充分燃燒后，A管質(zhì)量增加1.32g，B管質(zhì)量增加0.81g，則該有機(jī)物的試驗(yàn)式為____________。(5)要確定該有機(jī)物的分子式，還要知道該有機(jī)物的________，經(jīng)測定其蒸氣密度為2.054g/L(已換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況)，則其分子式為________。(6)該物質(zhì)的核磁共振氫譜如圖所示，則其結(jié)構(gòu)簡式為________?！舅悸贩治觥客ㄟ^計(jì)算確定有機(jī)物的分子式→由有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和題給信息確定有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式?！窘馕觥恳罁?jù)反應(yīng)原理可知，該試驗(yàn)要?jiǎng)倮匦铦M意：①快速制備O2供燃燒運(yùn)用；②O2要純凈干燥；③保證碳元素全部轉(zhuǎn)化為CO2，氫元素全部轉(zhuǎn)化為H2O，并在后面裝置中被完全汲取。由此可知裝置的連接依次。(4)n(CO2)＝eq\f(1.32g,44g·mol－1)＝0.03mol，n(H2O)＝eq\f(0.81g,18g·mol－1)＝0.045mol，m(O)＝0.69g－m(C)－m(H)＝0.69g－0.03mol×12g·mol－1－0.045mol×2×1g·mol－1＝0.24g，n(O)＝eq\f(0.24g,16g·mol－1)＝0.015mol，故其試驗(yàn)式為C2H6O。(5)M＝Vmρ＝22.4L/mol×2.054g/L≈46g/mol，即該有機(jī)物的相對分子質(zhì)量與試驗(yàn)式C2H6O的式量相等，故樣品的分子式為C2H6O。(6)由核磁共振氫譜圖可知該有機(jī)物分子中有三種類型的氫原子，故該有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式不是CH3—O—CH3而是CH3CH2OH?！敬鸢浮?1)g→f→e→h→i→c(或d)→d(或c)→a(或b)→b(或a)(2)干燥O2(3)確保有機(jī)物中的碳元素全部轉(zhuǎn)化為CO2(4)C2H6O(5)相對分子質(zhì)量C2H6O(6)CH3CH2OH為了測定某有機(jī)物A的結(jié)構(gòu)，做如下試驗(yàn)：①將2.3g該有機(jī)物完全燃燒，生成0.1molCO2和2.7g水；②用質(zhì)譜儀測定其相對分子質(zhì)量，得如圖一所示的質(zhì)譜圖；③用核磁共振儀處理該化合物，得到如圖二所示譜圖，圖中三個(gè)峰的面積之比是1∶2∶3。試回答下列問題：(1)有機(jī)物A的相對分子質(zhì)量是46。(2)有機(jī)物A的試驗(yàn)式是C2H6O。(3)能否依據(jù)有機(jī)物A的試驗(yàn)式確定有機(jī)物A的分子式能(填“能”或“不能”)，若能，則有機(jī)物A的分子式是C2H6O(若不能，則此空不填)。(4)寫出有機(jī)物A可能的結(jié)構(gòu)簡式CH3CH2OH。解析：(1)在A的質(zhì)譜圖中，最大質(zhì)荷比為46，所以其相對分子質(zhì)量也是46。(2)在2.3g該有機(jī)物中，n(C)＝0.1mol，m(C)＝0.1mol×12g·mol－1＝1.2g；n(H)＝eq\f(2.7g,18g·mol－1)×2＝0.3mol，m(H)＝0.3mol×1g·mol－1＝0.3g；m(O)＝2.3g－1.2g－0.3g＝0.8g，n(O)＝eq\f(0.8g,16g·mol－1)＝0.05mol；所以n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.1mol∶0.3mol∶0.05mol＝2∶6∶1，A的試驗(yàn)式是C2H6O。(3)因?yàn)樵囼?yàn)式是C2H6O的有機(jī)物中，氫原子數(shù)已經(jīng)達(dá)到飽和，所以其試驗(yàn)式即為分子式。(4)A有如下兩種可能的結(jié)構(gòu)：CH3CH2OH或CH3OCH3；若為后者，則在核磁共振氫譜中應(yīng)只有一個(gè)峰；若為前者，則在核磁共振氫譜中應(yīng)有三個(gè)峰，而且三個(gè)峰的面積之比是1∶2∶3，明顯前者符合，所以A為乙醇。1．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用許多先進(jìn)的方法和手段來測定有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)。下列說法正確的是(D)A．李比希元素分析儀可以測定有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式B．質(zhì)譜儀能依據(jù)最小的碎片離子確定有機(jī)物的相對分子質(zhì)量C．X-射線衍射試驗(yàn)分析能測出各種化學(xué)鍵和官能團(tuán)D．對有機(jī)物CH3CH(OH)CH3進(jìn)行核磁共振分析，能得到3個(gè)峰，且峰面積之比為1∶1∶62．某化合物由碳、氫、氧三種元素組成，其紅外光譜圖表明有C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵的紅外汲取峰，該有機(jī)物的相對分子質(zhì)量是60，其核磁共振氫譜只有3組峰，則該有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡式是(B)A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH(OH)CH3C．CH3CH2CH2OH D．CH3CH2CHO解析：由該有機(jī)物的紅外光譜圖可知，分子中含C—H鍵、O—H鍵、C—O鍵，A項(xiàng)中無O—H鍵，D項(xiàng)中無O—H鍵、C—O鍵，B、C項(xiàng)均含有4種化學(xué)鍵且相對分子質(zhì)量都是60，但B項(xiàng)的核磁共振氫譜有3組峰，C項(xiàng)卻有4組峰，故B項(xiàng)正確。3．在核磁共振氫譜中出現(xiàn)兩個(gè)峰，其氫原子個(gè)數(shù)之比為3∶2的化合物是(D)解析：核磁共振氫譜中出現(xiàn)兩個(gè)峰說明該物質(zhì)中有兩種環(huán)境的氫原子。A選項(xiàng)有甲基上的氫原子和CH2上的氫原子兩種，氫原子個(gè)數(shù)之比為3∶1；B選項(xiàng)中有三種環(huán)境的氫原子，氫原子個(gè)數(shù)之比為3∶1∶1；C選項(xiàng)中有三種環(huán)境的氫原子，氫原子個(gè)數(shù)之比為3∶4∶1；D選項(xiàng)有兩種環(huán)境的氫原子，氫原子個(gè)數(shù)之比為3∶2，所以D選項(xiàng)正確。4．某有機(jī)化合物A的相對分子質(zhì)量為136，分子式為C8H8O2。A分子中只含一個(gè)苯環(huán)且苯環(huán)上只有一個(gè)取代基，其紅外光譜和核譜共振氫譜如圖所示。下列關(guān)于有機(jī)化合物A的說法中不正確的是(D)A．有機(jī)化合物A屬于酯類化合物，在肯定條件下能發(fā)生水解反應(yīng)B．有機(jī)化合物A在肯定條件下可與3molH2發(fā)生加成反應(yīng)C．符合題中有機(jī)化合物A分子結(jié)構(gòu)特征的有機(jī)物有1種D．A的同分異構(gòu)體中與其屬于同類化合物的只有2種解析：苯環(huán)上只有一個(gè)取代基，則苯環(huán)上有三種氫原子，苯基(C6H5—)的相對分子質(zhì)量是77，則取代基的相對分子質(zhì)量是59，比照核磁共振氫譜可知，取代基上的氫原子是等效的，比照紅外光譜可推斷，A的結(jié)構(gòu)簡式是，故A、B、C項(xiàng)均正確。與A同類的同分異構(gòu)體有5種，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。5．某有機(jī)物完全燃燒，生成CO2和H2O。將12g該有機(jī)物完全燃燒的產(chǎn)物通過濃硫酸，濃硫酸增重14.4g，再通過堿石灰，堿石灰增重26.4g。則該有機(jī)物的分子式為(C)A．C4H10 B．C2H6OC．C3H8O D．C2H4O2解析：由題意知，該有機(jī)物完全燃燒生成14.4gH2O，26.4gCO2，則n(H2O)＝eq\f(14.4g,18g/mol)＝0.8mol，n(H)＝2n(H2O)＝2×0.8mol＝1.6mol，n(C)＝n(CO2)＝eq\f(26.4