《科學家怎樣研究有機物》參考教案

1/18第二單元科學家怎樣研究有機物智能定位1.了解有機化合物組成的研究方法，知道如何確定最簡式。2.了解有機化合物結構的研究方法，了解李比希提出的“基團理論”。3.認識反應機理在化學反應中的重要性，能用同位素示蹤法解釋簡單的化學反應。情景切入“沒有什么分子像DNA分子結構那樣動人。它讓科學家著迷，給藝術家靈感，向社會發(fā)出挑戰(zhàn)。從任何意義說，它都是一種現(xiàn)代的標志?！薄蹲匀弧冯s志。你能理解結構的測定在科學研究中的重要作用嗎？自主研習m(CO2)m(H2O)一、有機化合物組成的研究1.研究方法氧化法：有機物→碳、氫質量分數(shù)碳、氫原子最簡整數(shù)比最簡式→→鈉融法：定性確定有機物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。銅絲燃燒法：可定性確定有機物中是否存在鹵素2.儀器——元素分析儀（1）工作原理：使有機化合物充分燃燒，再對燃燒產物進行自動分析。（2）特點①自動化程度高。②所需樣品量小。③分析速度快。④可同時對碳、氫、氧、硫等多種元素進行分析。二、有機化合物結構的研究1.有機化合物的結構（1）在有機化合物分子中，原子主要通過共價鍵結合在一起。原子之間結合方式或連接順序的不同導致了所形成物質在性質上的差異。（2）1831年，德國化學家李比希提出了“基團理論”。常見的基團有：羥基（—OH），醛基（—CHO），羧基（—COOH），氨基（—NH2），烴基（—R）等，它們有不同的結構和性質特點。2.測定有機化合物結構的分析方法（1）核磁共振法在1H核磁共振譜中：①特征峰的個數(shù)就是有機物中不同化學環(huán)境的氫原子的種類；②特征峰的面積之比就是不同化學環(huán)境的氫原子的個數(shù)比。如乙醚（CH3CH2OCH2CH3）分子中有10個氫原子，在1H核磁共振譜中會出現(xiàn)2個峰，峰的面積之比為3:2。（2）紅外光譜法①原理：不同基團的特征吸收頻率不同，對紅外光吸收的波長不同。②應用：初步判定有機物中基團的種類。（3）質譜法用高能電子束轟擊有機物分子，使之分離成帶電的“碎片”，分析帶電“碎片”的特征譜，從而分析有機物的結構。三、有機化學反應的研究1.甲烷和氯氣取代反應的反應機理（1）反應機理：自由基型鏈反應Cl2·Cl+·ClCl2、CH4為反應物·Cl+CH4·CH3+HCl·Cl、·CH3為自由基·CH3+Cl2·Cl+CH3ClHCl、CH3Cl為生成物(2)反應產物：共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五種。2.同位素示蹤法研究酯的水解反應（1）方法：將乙酸乙酯與H218O在H2SO4催化下加熱水解，檢測18O的分布情況，判斷酯水解時的斷鍵情況。(2)反應機理由此可以判斷，酯在水解過程中斷開的是酯中的①鍵，水中的—18OH連接在①鍵上。思考討論1.某有機物燃燒產物只有CO2和H2O，能否推測該有機物一定為烴類？提示：不能確定一定為烴類，因為含氧衍生物（如乙醇）的燃燒產物也只有CO2和H2O2.CH3CH2OH和在濃硫酸作用下反應一段時間后，能夠檢測出含的物質有哪些？提示：根據(jù)酯的水解反應可知，酸和醇的酯化反應的機理是酸脫羥基、醇脫氫，所以能夠檢測出含18O的物質有和H218O。課堂師生互動知識點1確定有機物的方法有機物分子式的確定1.有機物組成元素的推斷一般來說，某有機物完全燃燒后，若產物只有CO2和H2O，其組成元素可能為C、H或C、H、O。欲判斷該有機物是否含氧元素，首先應求出產物CO2中碳元素的質量及H2O中氫元素的質量，然后將C、H的質量之和與原來有機物質量比較，若兩者相等，則原有機物的組成中不含氧元素；否則，原有機物的組成中含氧元素。2.確定分子式的方法（1）直接法有機物的密度（或相對密度）→摩爾質量→1mol有機物中各原子的物質的量→分子式。（2）最簡式法各元素的質量分數(shù)→最簡式分子式。（3）余數(shù)法用烴的相對分子質量除以14，看商數(shù)和余數(shù)。余2為烷烴＝=A……除盡：為烯烴或環(huán)烷烴差2為炔烴或二烯烴差6為苯或苯的同系物其中商數(shù)A為烴中的碳原子數(shù)，此法適用于具有特定通式的烴(如烷烴、烯烴、炔烴、苯、苯的同系物等)。(4)化學方程式法利用有機反應中反應物、生成物之間“量”的關系求分子式的方法。在有機化學中，常利用有機物燃燒等方程式對分子式進行求解。常用的化學方程式有：CxHy+(x+)O2xＣO2+H2OCxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O特別提醒（1）某些特殊組成的實驗式，可根據(jù)其組成特點直接確定其分子式，如實驗式為CH3的有機物，其分子式為C2H6時，氫原子已達到飽和；實驗式為CH3O的有機物，其分子式為C2H6O2(乙二醇)。(2)求算有機化合物相對分子質量的方法①根據(jù)標準狀況下氣體密度的ρ0，求算該氣體的摩爾質量，即該氣體的相對分子質量Mr=ρ0×22.4（限于標準狀況下使用）。②根據(jù)氣體的相對密度D，求氣體的相對分子質量：Mr(A)=D·Mr(B)。③求混合氣體的平均相對分子質量：=Mr(A)×A%+Mr（B）×B%+Mr(C)×C%……（A%、B%、C%……為A、B、C……氣體在混合氣體中的體積分數(shù)）。④運用質譜法測定相對分子質量?？祭?為了測定一種氣態(tài)烴A的分子式，取標準狀況下A氣體置于密閉容器內燃燒，實驗表明產物是CO2、CO和H2O,學生甲、乙設計如下兩個方案，均認為根據(jù)自己的方案能求出A的最簡式，他們測定的數(shù)據(jù)如圖所示（假設每次處理均反應完全）（1）根據(jù)兩方案，你認為能否測得A的最簡式（填“能”或“不能”）。甲方案，乙方案。根據(jù)能測出A的最簡式方案，回答下列問題：（2）A的最簡式為。（3）若要確定A的化學式是否需要測定其他數(shù)據(jù)（填“是”或“否”），如果需要，測定數(shù)據(jù)是。［解析］（1）甲方案堿石灰增加的質量為CO2和H2O的質量之和，再通過灼熱的CuO減少的質量或石灰水增加的質量，可求出烴不完全燃燒生成CO的質量，但不能求出CO2及水各自的質量，故無法確定有機物的最簡式；而乙方案濃H2SO4增加的質量為水的質量，再通過灼熱的CuO減少的質量可求出CO的質量，最后通過堿石灰可求出CO2的總質量，結合上述三個數(shù)據(jù)可求出烴中C、H的質量比，即得最簡式。(2)根據(jù)乙方案可知，n(H2O)==0.3mol,則n(H)=0.6mol;再由最后堿石灰增加的質量，可求出CO2的總物質的量為n(CO2)==0.3mol，據(jù)此可求出該烴的最簡式為CH2。（3）因為題目已知烴在標準狀況下為氣體，故只要知道了氣體的體積，即可求出烴的物質的量，進而可求出1mol烴中所含C、H原子的物質的量，即可求出烴A的分子式。［答案］（1）不能能（2）CH2(3)是烴A的體積變式探究1某有機物蒸氣對H2的相對密度為23，其中C、H、O的質量分數(shù)分別為52.17%、13.04%、34.78%。(1)該有機物實驗式為，分子式為，可能的結構簡式為和。（2）實驗測得4.6g該有機物和足量鈉反應，標準狀況下放出氣體1.12L，則該有機物的結構簡式為。［答案］（1）C2H6OC2H6OCH3CH2OHCH3OCH3（2）CH3CH2OH［解析］(1)n(C)：n(H)：n(O)=：：=2：6：1,故實驗式為C2H6O，Mr=23×2=46，分子式亦為C2H6O，可能的結構簡式有CH3CH2OH和CH3OCH3。(2)該有機物能和鈉反應放出氫氣，故結構簡式為CH3CH2OH。知識點2推導有機物的結構式1.由分子式確定有機物結構式的一般步驟其結構式的確定過程可表示如下：2.有機物結構式的確定方法(1)根據(jù)價鍵規(guī)律確定某些有機物根據(jù)價鍵規(guī)律只存在一種結構，則直接根據(jù)分子式確定結構式。例如C2H6，只能是CH3CH3。(2)通過定性實驗確定實驗→有機物表現(xiàn)的性質及相關結論→官能團→確定結構式。如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有機物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色卻能使酸性高錳酸鉀溶液褪色的可能是苯的同系物等。（3）通過定量實驗確定①通過定量實驗確定有機物的官能團，如乙醇結構式的確定；②通過定量實驗確定官能團的數(shù)目，如測得1mol某醇與足量鈉反應可得到1mol氣體，則可說明醇分子中含2個—OH。（4）根據(jù)實驗測定的有機物的結構片段“組裝”有機物實驗測得的往往不是完整的有機物，這就需要我們根據(jù)有機物的結構規(guī)律，如價鍵規(guī)律、性質和量的規(guī)律等來對其進行“組裝”和“拼湊”。（5）可用紅外光譜、1H核磁共振譜確定有機物中的官能團和各類氫原子數(shù)目，確定有機物的結構式。考例2下圖中的1H核磁共振譜圖表示的可能是下列哪種有機物的核磁共振譜()A.CH3CH2CH3B.CH3CH2OHC.CH3CH2CH2ClD.CH2===CHCH2CH3［解析］由圖分析可知，該圖表示的有機物應有3種不同化學環(huán)境下的氫原子，且3種氫原子的個數(shù)比大約是1:2:3,再分析選項中各有機物中不同化學環(huán)境下的氫原子（注意分子的對稱性）：A中有兩種氫原子；B中有3種氫原子，其個數(shù)比恰為1:2:3;C中也有3種氫原子，但其個數(shù)比為3:2:2；D中有4種氫原子，其個數(shù)比為3：2:2:1。［答案］B變式探究2某含氧有機化合物可以作為無鉛汽油的抗爆震劑，其相對分子質量為88.0，含C的質量分數(shù)為0.682，含H的質量分數(shù)為0.136，其余為O。（1）試確定該化合物的分子式。（2）經紅外光譜和1H核磁共振譜顯示該分子中有4個甲基。請寫出其結構簡式。［答案］（1）C5H12O(2)［解析］（1）（實驗式法）該化合物中ω（O）=1.000-0.682-0.136=0.182N（C）：N(H)：N（O）=：：≈5：12：1設該化合物的分子式為（C5H12O）n,則（12×5+1×12+16）×n=88.0，解得n=1該有機物的分子式為C5H12O。(2)由于該有機物分子中有4個甲基，除去這4個甲基外，還有，所以，C和O應被4個甲基包圍在中間?？祭?僅由碳、氫、氧三種元素組成的有機化合物，經測定其相對分子質量為46。取該有機化合物樣品4.6g，在純氧中完全燃燒，將產物先后通過濃硫酸和堿石灰，兩者分別增重5.4g和8.8g。（1）試求該有機化合物的分子式。（2）若該有機化合物的1H核磁共振譜圖如下圖所示，請寫出該有機化合物的結構簡式。［解析］（1）該有機物的物質的量為：4.6g÷46g·mol-1=0.1mol其中：n(C)=n(CO2)=8.8g÷44g·mol-1=0.2moln(H)=2n(H2O)=2×（5.4g÷18g·mol-1）=0.6mol則該有機物一個分子中含有2個C原子和6個H原子，由此推知其中含O的個數(shù)為：（46-12×2-6×1）÷16=1所以，其分子式為C2H6O（2）從該有機化合物的1H核磁共振譜圖可以看出，其中只有1個“峰”，即只有一種“H”。因此，其結構簡式為CH3OCH3。［答案］（1）C2H6O(2)CH3OCH3變式探究3現(xiàn)有分子式均為C3H6O2的四種有機物A、B、C、D，且分子中均含甲基，將它們分別進行下列實驗加以鑒別，實驗記錄如下：NaOH溶液銀氨溶液新制Cu（OH）2懸濁液金屬鈉A中和反應-溶解產生氫氣B-有銀鏡加熱后有磚紅色沉淀產生氫氣C水解反應有銀鏡加熱后有磚紅色沉淀-D水解反應則A、B、C、D的結構簡式分別為：A，B，C，D［答案］CH3CH2COOHCH3COOCH3課后強化作業(yè)基礎鞏固1.一種有機物燃燒后，產生二氧化碳、水和二氧化硫。據(jù)此可以推測該化合物中一定含有()A.C、S、OB.C、H、O、SC.C、H、SD.C、H、O［答案］C2.2002年諾貝爾化學獎獲得者的貢獻之一是發(fā)明了對有機物分子進行結構分析的質譜法。其方法是讓極少量的（10-9g）化合物通過質譜儀的離子化室使樣品分子大量離子化，少量分子碎成更小的離子。如C2H6離子化后可得到C2H+6、C2H+5、C2H+4……然后測定其質荷比。設H+的質荷比為β，某有機物樣品的質荷比如下圖所示（假設離子均帶一個單位正電荷，信號強度與該離子的多少有關），則該有機物可能是()A.甲醇B.甲烷C.丙烷D.乙烯［答案］B［解析］根據(jù)質譜法的原理，質荷比最大的為分子離子峰，其對應的數(shù)值即為未知物的相對分子質量。通過該有機物的質譜圖，可以發(fā)現(xiàn)最右邊的分子離子峰為16，即該有機物的相對分子質量為16。3.核磁共振氫譜是指有機物分子中的氫原子核所處的化學環(huán)境（即其附近的基團）不同，表現(xiàn)出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振圖譜中坐標的位置（化學位移，符號為δ）也就不同。則下列物質的氫譜圖中有三個峰的是()A.CH3CH2CH3B.CH3CH2CH2OHC.(CH3)2CHCH3D.CH3CH2CHO［答案］D［解析］解題時要注意碳原子的實際構型及空間的對稱性。選項A中兩個甲基相同，所以其氫譜圖的峰數(shù)是2；選項B中兩個亞甲基因連有的基團不同而使其中的氫原子環(huán)境不同，所以其氫譜圖的峰數(shù)是4；選項C中三個甲基完全相同，所以其氫譜圖的峰數(shù)是2；選項D中氫譜圖的峰數(shù)是3。4.下列化合物分子，在核磁共振氫譜圖中能給出三種信號峰的是()A.CH3CH2CH3B.C.CH3—O—CH3D.［答案］B［解析］有機物中含有幾種不同類型的氫原子，在核磁共振氫譜上就能出現(xiàn)幾種信號峰，現(xiàn)題給有機物在核磁共振氫譜中有三種信號峰，這表明有機物分子中含有3種不同類型的氫原子。5.某烴的衍生物的分子式可寫成（CH2）m（CO2）n（H2O）p，當它完全燃燒時生成的CO2與消耗的O2在同溫同壓下體積比為1：1，則m、n的比值為()A.1:1B.2:3C.1:2D.2:1［答案］D［解析］在（CH2）m(CO2)n（H2O）p中，耗氧量由（CH2）m決定。由題意得：(m+=1:1所以m:n=2:16.M1和M2分子中X、Y元素的質量分數(shù)如下所示，若已知M1的實驗式為XY3，則M2的實驗式為()w(X)w(Y)M180%20%M275%25%A.XY4B.X3YC.X2Y2D.XY2［答案］A［解析］設X、Y的相對原子質量為別為x、y，則x:3y=80%:20%，所以x=12y。再設M2的實驗式為XaYb，則ax:by=75%:25%，代入x=12y得：a:b=1:4，故選A。7.在同溫同壓下，2體積的氣態(tài)碳氫化合物完全燃燒生成4體積的CO2和4體積的水蒸氣，則該碳氫化合物為()A.CH4B.C2H2C.C2H4D.C2H6［答案］C［解析］由CxHy+(x+)O2xCO2+H2O知：x=2，y=4，故選C。8.芳香族化合物M的分子式為C8H8O2,其與NaHCO3溶液反應放出氣體。其1H核磁共振譜有4個峰。則M的結構簡式為()A.B.C.D.［答案］A［解析］與NaHCO3反應放出氣體的有機物一定含有—COOH，則M的可能結構簡式分別為它們的1H核磁共振譜分別有4、6、6、5種峰，故選A項。9.某同學為測定維生素C中碳、氫的質量分數(shù)，取維生素C樣品研碎，稱取該試樣0.352g，置于鉑舟并放入燃燒管中，不斷通入氧氣流。用酒精燈持續(xù)加熱樣品，將生成物先后通過濃硫酸和堿石灰，兩者分別增重0.144g和0.528g，生成物完全被吸收。試回答以下問題：（1）維生素C中碳的質量分數(shù)是，氫的質量分數(shù)是。（2）維生素中是否含有氧元素？為什么？（試通過計算說明）（3）如果需要你確定維生素C的分子式，你還需要哪些信息？［答案］（1）40.91%4.55%（2）已知,m(H)=0.144g÷18g/mol×2=0.016g，m(C)=0.528g÷44g/mol×12g/mol=0.144g，m(H)+m(C)=0.016g+0.144g=0.160g<0.352g，又因產物只有H2O和CO2，故維生素C中必含有氧元素。(3)若要確定其分子式，還要知其相對分子質量。能力提升1.某有機物在氧氣中充分燃燒，生成的水蒸氣和二氧化碳的物質的量之比為1:1，由此可以得出的結論是()A.該有機物中碳、氫、氧原子個數(shù)比為1:2:3B.分子中碳、氫原子個數(shù)比為1:2C.該有機物中一定含氧元素D.該有機物中一定不含氧元素［答案］B［解析］根據(jù)有機物燃燒的產物可以推斷原有機物的元素組成。有機物+O2CO2+H2O，從該反應可以看出，該有機物中必定含有C、H兩種元素。又因為生成的CO2和H2O的物質的量之比為1:1，可以推出原有機物中C、H兩種元素的原子個數(shù)比為1:2。只有產物是CO2和H2O，不能確定原有機物中是否含有氧元素，因為不管其中是否含有氧元素，其充分燃燒產物都為CO2和H2O。若知道原有機物、O2以及生成物CO2、H2O的物質的量，則可以通過計算確定原有機物中是否含氧元素。故選B。2.下列化合物的核磁共振氫譜中出現(xiàn)三組峰的是()A.2，2，3，3-四甲基丁烷B.2，3，4-三甲基戊烷C.3，4-二甲基己烷D.2，5-二甲基己烷［答案］D［解析］分析題中各項分子中有幾種不同的氫，則就有幾組峰。A中只有一種氫，B中有四種，C中有四種，D中有三種。3.若乙酸分子中的氧原子都是18O，乙醇分子中的氧原子都是16O，二者在濃H2SO4作用下發(fā)生酯化反應，一段時間后，分子中含有18O的物質有()A.1種B.2種C.3種D.4種［答案］C［解析］本題主要考查了用同位素示蹤法分析有機反應機理。乙酸和乙醇的酯化反應規(guī)律是乙酸脫羥基、乙醇脫氫，所以產物乙酸乙酯和H2O中都含有18O。由于酯化反應是可逆反應，所以乙酸中也含有18O，因此含有18O的物質有3種。故正確答案為C。4.在核酸共振氫譜中出現(xiàn)兩組峰，其氫原子數(shù)之比為3：2的化合物是()A.B.C.D.［答案］D［解析］根據(jù)核磁共振氫譜中出現(xiàn)兩組峰的情況分析，A中有兩種處于不同化學環(huán)境的氫原子，個數(shù)之比為3：1，B的核磁共振氫譜中出現(xiàn)的是三組峰，C中有兩種處于不同化學環(huán)境的氫原子，個數(shù)之比為3：4，故選D。5.兩種氣態(tài)烴組成的混合氣體0.1mol，完全燃燒可得0.16molCO2和3.6gH2O。下列說法正確的是()A.一定有甲烷B.一定是甲烷和乙烯C.一定有乙烷D.一定有乙炔［答案］A［解析］混合烴的平均組成為C1.6H4，則混合烴中必有一種烴分子中碳原子數(shù)少于1.6，故必有CH4，又因CH4中含4個H原子，而平均分子式中也含4個H原子，所以另一種烴分子中必含4個H原子，可能是C2H4或C3H4。6.amL三種氣態(tài)烴的混合物與足量的氧氣混合點燃爆炸后，恢復到原來的狀態(tài)(常溫、常壓)，體積共縮小2amL，則三種烴可能是()A.CH4、C2H4、C3H4B.C2H6、C3H6、C4H6C.CH4、C2H6、C3H8D.C2H4、C2H2、CH4［答案］A［解析］設混合烴的平均分子式為CxHyCxHy+(x+)O2xCO2+H2OΔV1x+x1+a2a1+=2,y=4。7.某有機物CxHyOz完全燃燒時需O2的物質的量是該有機物的x倍，生成CO2和H2O的物質的量之比為1：1。該有機物分子式中x,y,z的關系是()A.x=2y=zＢ.x=y=zC.x=y=2zD.x=y=z［答案］B［解析］由題意可知，（x+-）=x和x：y=1：2，所以x=y=z。8.在一定溫度下，向一個容積不變的密閉容器中，加入一定量的SO2和18O2及催化劑，發(fā)生反應：2SO2（g）+O2(g)2SO3（g），反應一段時間后18O存在于()A.SO2B.O2C.SO3D.全部氣體中［答案］D［解析］此反應是可逆反應，因此只要是含氧元素的物質就有18O。9.某氣態(tài)化合物X含C、H、O三種元素，現(xiàn)已知下列條件：①X中C的質量分數(shù)；②X中H的質量分數(shù)；③X在標準狀況下的體積；④X對氫氣的相對密度；⑤X的質量。欲確定化合物X的分子式，所需的最少條件是()A.①②④B.②③④C.①③⑤D.①②［答案］A［解析］C、H的質量分數(shù)已知，則O的質量分數(shù)可以求出，從而可推出該有機物的最簡式，結合相對分子質量即可求出它的分子式。10.如圖所示，分別是A、B兩種物質的核磁共振氫譜。已知A、B兩種物質都是烴類，都含有6個氫原子。請根據(jù)這兩種物質的核磁共振氫譜圖選擇出可能屬于A、B的兩種物質()A.A是C3H6;B是C6H6B.A是C2H6;B是C3H6C.A是C2H6;B是C6H6D.A是C3H6;B是C2H6［答案］B［解析］核磁共振氫譜是通過記錄不同氫原子核對電磁波的吸收情況來推知氫原子種類的譜圖。根據(jù)題中所給譜圖，A中