1、第2课时元素分析和相对分子质量的测定一、元素分析与相对分子质量的测定1元素分析(1)定性分析：用化学方法鉴定有机物分子的元素组成。如燃烧后，C生成CO2、H生成H2O、Cl生成HCl。(2)定量分析：将一定量的有机物燃烧并测定各产物的质量，从而推算出各组成元素的质量分数，然后计算有机物分子中所含元素原子最简单的整数比，确定实验式。2相对分子质量的测定质谱法质荷比：指分子离子或碎片离子的相对质量与其电荷的比值。如图所示：质荷比最大的数据是CH3CH2H(46)，这就表示了未知物质A的相对分子质量为46。二、分子结构的鉴定1结构鉴定的常用方法(1)物理方法：红外光谱、紫外光谱、核磁共振氢谱等。(2
2、)化学方法：利用特征反应鉴定出官能团，再制备它的衍生物进一步确认。2红外光谱法(1)作用：初步判断某有机物中含有的基团。(2)原理：不同的官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置。3核磁共振氢谱(1)作用：测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目。(2)原理：处于不同化学环境的氢原子在谱图上出现的位置不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。探究点一有机物分子式的确定1图解确定有机物分子式的一般思路2有机物组成元素的推断一般来说，某有机物完全燃烧后，若生成物中只有CO2和H2O，则其组成元素可能为C、H或C、H、O。判断该有机物中是否含氧元素，首先应求出生成物CO2中碳元素的质量及
3、H2O中氢元素的质量，然后将两种元素的质量之和与原有机物的质量相比较，若二者相等，则原有机物中不含氧元素；若二者不相等，则原有机物中含有氧元素。3确定分子式的方法(1)直接法直接求出1 mol有机物中各元素原子的物质的量，即可推出分子式。例如，给出一定条件下的密度(或相对密度)及各元素的质量比，求算分子式的途径：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。(2)实验式法根据有机物中各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数之比(实验式)，分子式为实验式的整数倍，利用物质的相对分子质量可确定其分子式。N(C)N(H)N(O)abc(最简整数比)，最简式为CaHbOc
4、，则分子式为(CaHbOc)n，得n(Mr为有机物的相对分子质量)。说明：有时没有运用技巧造成错解或无解，如某烃0.025 mol，质量为1.7 g，含碳88.24%，氢11.76%，求分子式。运用上法得：N(C)N(H)(88.24%12)(11.76%1)7.3511.76712。相对分子质量为：1.70.02568，由于在求最简比时近似处理，误差太大，造成无解。正确解法为：7.3511.7611.658，实验式为C5H8，实验式式量为68，与相对分子质量相同，故该烃为C5H8。由此可以看出，求实验式的技巧为：若不能简单处理成最简整数比时，应用较小数作为除数(如上例中的7.35)，将一项变
5、为1，若另一项还不是整数时，再同时扩大一定的倍数，即可找出实验式。(3)平均值法当几种烃混合时，往往能求出其平均分子式：把混合物当成一种烃分子计算时，可以得出平均摩尔质量，进而推出平均分子式。若平均摩尔质量为，两成分摩尔质量为M1、M2(M1M2)，一定有M1M2。平均分子式中C、H个数介于两成分之间，故可确定烃的范围。(4)商余通式法(适用于烃类分子式的求法)根据烷烃(CnH2n2)、烯烃和环烷烃(CnH2n)、炔烃和二烯烃(CnH2n2)、苯的同系物(CnH2n6)的通式可以看出，这些烃类物质的分子中都有一个共同的部分CnH2n，这一部分的式量为14n，因此用烃的相对分子质量除以14就可以
6、确定分子所含碳原子数即n值，再根据余数就可以求出烃的分子式。一般规律如下：商余数其中对烷烃、烯烃或环烷烃而言，商为烃分子中碳原子数，而对炔烃、二烯烃、和苯的同系物而言，碳原子数为商加1。(5)化学方程式法利用有机反应中反应物、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：确定有机物分子式的几条经验规律：当条件不足时，可利用已知条件列方程，进而解不定方程，结合烃CxHy中的x、y为正整数，烃的三态与碳原子数相关规律(特别是烃为气态时，x4)及烃的通式和性质，运用化学数学分析法，即讨论法，可简捷地确定气态烃的分子式。当烃为混合物
7、时，一般是设平均分子式，结合反应式和体积求出平均组成，利用平均值的含义确定各种可能混合烃的分子式。有时也利用平均相对分子质量来确定可能的组成，此时，采用十字交叉法计算较为简捷。两混合烃，若其平均相对分子质量小于26，则该烃中必含甲烷。两混合气态烃，充分燃烧后，生成CO2气体的体积小于原混合烃体积的2倍，则原混合烃中必含CH4，若生成水的物质的量小于原混合烃的量的2倍，则必含C2H2。气体混合烃与足量的氧气充分燃烧后，若总体积保持不变，则原混合烃中的氢原子平均数为4；若体积扩大，则氢原子平均数大于4；若体积缩小，则氢原子平均数小于4，则必含C2H2(温度在100以上)。有机物的实验式和分子式一定
8、不相同吗？提示：不一定。有机物分子式中所含元素原子最简的整数比，即为实验式，也可称为最简式。实验式只说明了物质中元素原子物质的量之比，分子式说明了物质分子的具体组成。二者中各元素的百分比相同。可能不同的是组成物质的原子的个数，有时实验式和分子式是相同的，如CH4、C2H6O等。【例1】将3.24 g某有机物装入元素分析装置，然后通入足量氧气使之充分燃烧，将生成的气体依次通过CaCl2管(A)和碱石灰管(B)，测得A管增重2.16 g，B管增重9.24 g。已知该有机物的相对分子质量小于200，求其实验式并推测其分子式。【思路分析】根据燃烧产物确定有机物分子中原子个数比，从而可得其实验式，再结合
9、其相对分子质量的范围确定其分子式。【解析】n(C)0.21 moln(H)20.12 mol20.24 moln(O)0.03 moln(C)n(H)n(O)781实验式为C7H8O，式量是108。由于该有机物的相对分子质量小于200，所以该有机物的分子式为C7H8O。【答案】实验式：C7H8O，分子式：C7H8O02 mol有机物A和0.4 mol O2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(g)，产物经过浓H2SO4，质量增加10.8 g；再通过灼热的CuO，充分反应后，固体质量减轻3.2 g；最后气体再通过碱石灰被完全吸收，质量增加17.6 g。试推断该有机物A的分子式和相对分子
10、质量。若0.2 mol的A恰好与9.2 g金属钠完全反应，试确定该有机物的结构简式并命名。答案：C2H6O2；62；乙二醇解析：首先可求生成CO2、CO、H2O(g)的物质的量，根据反应物消耗量，生成物生成的量，通过燃烧反应方程式确定有机物的分子式，再依据醇与钠反应的通式，求羟基的个数，即确定有机物的结构简式。由题意知：被浓H2SO4吸收的水蒸气则0.2 mol A与0.4 mol O2反应生成0.6 mol H2O、0.2 mol CO和0.2 mol CO2。即1 mol A消耗2 mol O2生成3 mol H2O、1 mol CO和1 mol CO2。根据质量守恒定律得A的分子式为C2
11、H6O2。相对分子质量为62。确定A的结构简式：n(Na)0.4 mol。由1 mol A可以与2 mol Na反应，则说明1个A分子中含有2个羟基，由A的分子式为C2H6O2可知，A的结构简式为CH2OHCH2OH，名称为乙二醇。探究点二有机物分子结构式的确定1根据价键规律确定某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构简式。例如C2H6，只能是CH3CH3。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简式。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高锰酸钾酸性溶液褪色的可能是苯的同系物等。一些常见官能团的化学检验
12、方法3.通过定量实验确定(1)通过定量实验确定有机物的官能团，如乙醇结构简式的确定。(2)通过定量实验确定官能团的数目，如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体，则可说明1个该醇分子中含2个OH。4根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼凑”。5确定有机物分子结构式的物理方法1某有机物的最简式为CH4O，则该有机物的结构简式如何表示？提示：根据价键规律确定，该有机物的最简式就是它的分子式，结构简式为CH3OH。2分子式为C3H6O2的有机物，如果在核磁共振氢谱图上
13、观察到的氢原子给出的峰有两种强度。一种强度比为33，另一种强度比为321。请写出该有机物可能的结构简式。【例2】通常将一定量的有机物充分燃烧转化为简单的无机物，根据产物的质量确定有机物的组成。如图所示是用燃烧法确定有机物分子式的常用装置。(1)使产生的O2按从左到右的方向流动，则所选装置中各导管的正确连接顺序是_。(2)装置C中浓硫酸的作用是_。(3)燃烧管中CuO的作用是_。(4)若准确称取0.69 g样品(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)，充分燃烧后，A管质量增加1.32 g，B管质量增加0.81 g，则该有机物的实验式为_。(5)要确定该有机物的分子式，还要知道该有机物的_，经测定
14、其蒸气密度为2.054 g/L(已换算为标准状况)，则其分子式为_。(6)该物质的核磁共振氢谱如图所示，则其结构简式为_。【思路分析】通过计算确定有机物的分子式由有机物的结构特点和题给信息确定有机物的结构简式。【解析】根据反应原理可知，该实验要成功必须满足：快速制备O2供燃烧使用；O2要纯净干燥；保证碳元素全部转化为CO2，氢元素全部转化为H2O，并在后面装置中被完全吸收。由此可知装置的连接顺序。(4)n(CO2)0.03 mol，n(H2O)0.045 mol，m(O)0.69 gm(C)m(H)0.69 g0.03 mol12 gmol10.045 mol21 gmol10.24 g，n(
15、O)0.015 mol，故其实验式为C2H6O。(5)MVm22.4 L/mol2.054 g/L46 g/mol，即该有机物的相对分子质量与实验式C2H6O的式量相等，故样品的分子式为C2H6O。(6)由核磁共振氢谱图可知该有机物分子中有三种类型的氢原子，故该有机物的结构简式不是CH3OCH3而是CH3CH2OH。【答案】(1)gfehic(或d)d(或c)a(或b)b(或a)(2)干燥O2(3)确保有机物中的碳元素全部转化为CO2(4)C2H6O(5)相对分子质量C2H6O(6)CH3CH2OH为了测定某有机物A的结构，做如下实验：将2.3 g该有机物完全燃烧，生成0.1 mol CO2和
16、2.7 g水；用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；用核磁共振仪处理该化合物，得到如图二所示谱图，图中三个峰的面积之比是123。试回答下列问题：(1)有机物A的相对分子质量是46。(2)有机物A的实验式是C2H6O。(3)能否根据有机物A的实验式确定有机物A的分子式能(填“能”或“不能”)，若能，则有机物A的分子式是C2H6O(若不能，则此空不填)。(4)写出有机物A可能的结构简式CH3CH2OH。解析：(1)在A的质谱图中，最大质荷比为46，所以其相对分子质量也是46。(2)在2.3 g该有机物中，n(C)0.1 mol，m(C)0.1 mol12 gmol11.2 g；n(H)
17、20.3 mol，m(H)0.3 mol1 gmol10.3 g；m(O)2.3 g1.2 g0.3 g0.8 g，n(O)0.05 mol；所以n(C)n(H)n(O)0.1 mol0.3 mol0.05 mol261，A的实验式是C2H6O。(3)因为实验式是C2H6O的有机物中，氢原子数已经达到饱和，所以其实验式即为分子式。(4)A有如下两种可能的结构：CH3CH2OH或CH3OCH3；若为后者，则在核磁共振氢谱中应只有一个峰；若为前者，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123，显然前者符合，所以A为乙醇。1随着科学技术的发展，人们可以利用很多先进的方法和手段来测定有机
18、物的组成和结构。下列说法正确的是(D)A李比希元素分析仪可以测定有机物的结构简式B质谱仪能根据最小的碎片离子确定有机物的相对分子质量CX射线衍射实验分析能测出各种化学键和官能团D对有机物CH3CH(OH)CH3进行核磁共振分析，能得到3个峰，且峰面积之比为1162某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图表明有CH键、OH键、CO键的红外吸收峰，该有机物的相对分子质量是60，其核磁共振氢谱只有3组峰，则该有机物的结构简式是(B)ACH3CH2OCH3 BCH3CH(OH)CH3CCH3CH2CH2OH DCH3CH2CHO解析：由该有机物的红外光谱图可知，分子中含CH键、OH键、CO键，A
19、项中无OH键，D项中无OH键、CO键，B、C项均含有4种化学键且相对分子质量都是60，但B项的核磁共振氢谱有3组峰，C项却有4组峰，故B项正确。3在核磁共振氢谱中出现两个峰，其氢原子个数之比为32的化合物是(D)解析：核磁共振氢谱中出现两个峰说明该物质中有两种环境的氢原子。A选项有甲基上的氢原子和CH2上的氢原子两种，氢原子个数之比为31；B选项中有三种环境的氢原子，氢原子个数之比为311；C选项中有三种环境的氢原子，氢原子个数之比为341；D选项有两种环境的氢原子，氢原子个数之比为32，所以D选项正确。4某有机化合物A的相对分子质量为136，分子式为C8H8O2。A分子中只含一个苯环且苯环上
20、只有一个取代基，其红外光谱和核谱共振氢谱如图所示。下列关于有机化合物A的说法中不正确的是(D)A有机化合物A属于酯类化合物，在一定条件下能发生水解反应B有机化合物A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应C符合题中有机化合物A分子结构特征的有机物有1种DA的同分异构体中与其属于同类化合物的只有2种解析：苯环上只有一个取代基，则苯环上有三种氢原子，苯基(C6H5)的相对分子质量是77，则取代基的相对分子质量是59，对照核磁共振氢谱可知，取代基上的氢原子是等效的，对照红外光谱可判断，A的结构简式是，故A、B、C项均正确。与A同类的同分异构体有5种，故D项错误。5某有机物完全燃烧，生成CO2和H
21、2O。将12 g该有机物完全燃烧的产物通过浓硫酸，浓硫酸增重14.4 g，再通过碱石灰，碱石灰增重26.4 g。则该有机物的分子式为(C)AC4H10 BC2H6OCC3H8O DC2H4O2解析：由题意知，该有机物完全燃烧生成14.4 g H2O，26.4 g CO2，则n(H2O)0.8 mol，n(H)2n(H2O)20.8 mol1.6 mol，n(C)n(CO2)0.6 mol，则该有机物中n(O)0.2 mol。故n(C)n(H)n(O)0.6 mol1.6 mol0.2 mol381，只有C项符合题意。6有A、B、C三种有机物，按要求回答下列问题：(1)取有机物A 3.0 g，完
22、全燃烧后生成3.6 g水和3.36 L CO2(标准状况)，已知该有机物的蒸气对氢气的相对密度为30，求该有机物的分子式C3H8O。(2)有机物B的分子式为C4H8O2，其红外光谱图如下，试推测该有机物的可能结构：CH3COCH2OCH3、CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3。解析： (3)7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为无色黏稠液体，易溶于水。为研究A的组成与结构，进行了如下实验：解析：(1)Mr(A)D(H2)Mr(H2)45290。(2)由m(H2O)5.4 g，m(CO2)13.2 g，知A中m(H)0.6 g，m(C)3.6 g，故A中还应有O，m(O)9.0 g0.6 g3.6 g4.8 g。则A中n(C)n(H)n(O)0.30.60.3121，故A的实验式应为CH2O。又因A的相对分子质量为90，故A的分子式为C3H6O3。(3)A能与NaHCO3反应放出0.1 mol CO2，与Na反应放出0.1 mol H2，故0.1 mol A中有0.1 molCOOH和0.1 molOH。(4)由核磁共振氢谱可知，A有4种氢原子。(5)A的结构简式应为。