PAGE10-其次單元科學家怎樣探討有機物[明確學習目標]1.知道有機化合物組成的探討方法，學會如何確定最簡式。2.知道有機化合物結構的探討方法及李比希提出的“基團理論”。3.知道探討有機反應機理的基本方法和有機化學反應的探討內容。一、有機化合物元素組成的探討1．常見方法(1)李比希燃燒法①將某有機物在O2中充分燃燒后，各元素對應的燃燒產物：C→eq\o(□,\s\up4(01))CO2；H→eq\o(□,\s\up4(02))H2O；N→N2；S→eq\o(□,\s\up4(03))SO2。②若將有機物完全燃燒，生成物只有eq\o(□,\s\up4(04))H2O(使無水CuSO4變藍)和CO2(使澄清石灰水變渾濁)，則該有機物中肯定含有的元素是eq\o(□,\s\up4(05))C、H，可能含有的元素是eq\o(□,\s\up4(06))O。③推斷是否含氧元素，可先求出產物CO2和H2O中C、H兩種元素的質量和，再與有機物的質量比較，若二者相等，則說明原有機物中不含氧元素，否則有機物中含有氧元素。(2)鈉融法：確定有機物中是否存在eq\o(□,\s\up4(07))氮、eq\o(□,\s\up4(08))氯、eq\o(□,\s\up4(09))溴、eq\o(□,\s\up4(10))硫等元素。(3)銅絲燃燒法：定性確定有機物中是否存在eq\o(□,\s\up4(11))鹵素。用紅熱的銅絲蘸上試樣灼燒時，若含鹵素則火焰為eq\o(□,\s\up4(12))綠色。2．元素分析儀(1)工作原理：使有機化合物充分燃燒，再對eq\o(□,\s\up4(13))燃燒產物進行自動分析。(2)特點二、有機化合物結構的探討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eq\o(□,\s\up4(01))共價鍵結合在一起。原子之間eq\o(□,\s\up4(02))結合方式或eq\o(□,\s\up4(03))連接依次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eq\o(□,\s\up4(04))李比希提出了“基團理論”。常見的基團有：羥基(eq\o(□,\s\up4(05))—OH)，醛基(eq\o(□,\s\up4(06))—CHO)，羧基(eq\o(□,\s\up4(07))—COOH)，氨基(eq\o(□,\s\up4(08))—NH2)，烴基(eq\o(□,\s\up4(09))—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特征峰的個數就是有機物中不同化學環境的氫原子的eq\o(□,\s\up4(10))種類；②特征峰的面積之比就是不同化學環境的氫原子的eq\o(□,\s\up4(11))個數比。如乙醚(CH3CH2OCH2CH3)分子中有10個氫原子，在1H核磁共振譜中會出現eq\o(□,\s\up4(12))2個峰，峰的面積之比為eq\o(□,\s\up4(13))3∶2。(2)紅外光譜法①原理：不同基團的特征汲取頻率不同，對紅外光汲取的波長不同。②應用：初步判定有機物中eq\o(□,\s\up4(14))基團的種類。(3)質譜法用高能電子束轟擊有機物分子，使之分別成帶電的“碎片”，分析帶電“碎片”的特征譜，從而分析有機物的結構。其最大值表示有機物的相對分子質量。三、手性碳原子和手性分子當有機物分子中的一個碳原子所連四個原子或原子團均不相同時，此碳原子就是“eq\o(□,\s\up4(01))手性碳原子”。含有手性碳原子的分子為eq\o(□,\s\up4(02))手性分子。屬于互為鏡像且不能重疊的異構體，稱為eq\o(□,\s\up4(03))對映異構體。手性分子具有特別的光學性質，光通過時會發生eq\o(□,\s\up4(04))旋轉，產生eq\o(□,\s\up4(05))旋光性。四、有機化學反應的探討1．甲烷與氯氣取代反應的反應機理(1)反應機理Cl2eq\o(→,\s\up17(光照))eq\a\vs4\al\co1(·)Cl＋eq\a\vs4\al\co1(·)Cl；eq\a\vs4\al\co1(·)Cl＋CH4→eq\a\vs4\al\co1(·)CH3＋HCl；eq\a\vs4\al\co1(·)CH3＋Cl2→eq\a\vs4\al\co1(·)Cl＋CH3Cl；其中Cl2、CH4為反應物，eq\a\vs4\al\co1(·)Cl、eq\a\vs4\al\co1(·)CH3為自由基，HCl、CH3Cl為生成物。(2)反應產物：共有eq\o(□,\s\up4(01))CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五種。2．同位素示蹤法探討酯的水解反應(1)方法：將乙酸乙酯與eq\o(□,\s\up4(02))Heq\o\al(18,2)O在H2SO4催化下加熱水解，檢測eq\o(□,\s\up4(03))18O的分布狀況，推斷酯水解時的斷鍵狀況。(2)反應機理由此可以推斷，酯在水解過程中斷開的是酯中的eq\o(□,\s\up4(04))①鍵，水中的—18OH連接在eq\o(□,\s\up4(05))①鍵上形成羧酸。1．有機物的最簡式(試驗式)與分子式有哪些區分與聯系？提示：(1)最簡式是表示化合物分子中所含各元素原子個數的最簡整數比的式子。(2)分子式是表示化合物分子所含元素的原子種類及數目的式子。(3)二者中各元素的質量分數相等，可能不同的是原子個數。2．如何推斷有機物分子中不同化學環境的氫原子種類？提示：(1)依據1H核磁共振譜。(2)可利用等效氫法確定不同化學環境的氫原子。①在同一個C上的氫等效。②對稱C上的氫等效。③在同一個C上相同取代基上的氫等效。若為等效氫，則屬于同種化學環境的氫。如：①CH3CHCH3②CH2CH3，共有4種不同化學環境的氫原子，其中①、②C上的氫等效，并且其1H核磁共振譜有4種波峰，其波峰的面積比為6∶1∶2∶3。一、有機物分子式的確定確定有機物分子式的方法1．干脆求算法假如給出肯定條件下的密度(或相對密度)及各元素的質量比(或質量分數)，可干脆求算出1mol氣體中各元素原子的物質的量，從而得出其分子式。密度(或相對密度)→摩爾質量→1mol氣體中各元素原子的物質的量→分子式例如，相同條件下，某有機物蒸氣對H2的相對密度為23，其中C、H、O的質量分數分別為52.17%、13.05%、34.78%，則該有機物的相對分子質量為2×23＝46，則該有機物分子中所含C原子數為eq\f(46×52.17%,12)≈2，所含H原子數為eq\f(46×13.05%,1)≈6，所含O原子數為eq\f(46×34.78%,16)≈1，則該有機物的分子式為C2H6O。2．最簡式法分子式為最簡式(也叫試驗式)的整數倍，因此利用相對分子質量及求得的最簡式可確定其分子式。利用最簡式求烴的分子式的方法如下：n(C)∶n(H)＝eq\f(碳的質量分數,12)∶eq\f(氫的質量分數,1)＝a∶b(最簡整數比)。所以最簡式為CaHb，則分子式為(CaHb)n，n＝eq\f(M,12a＋b)(M為烴的相對分子質量，12a＋b為最簡式的式量)。3．商余法若已知某烴的相對分子質量為M，可用商余法來求其分子式。用M除以12(C的相對原子質量)，看商和余數。eq\f(M,12)＝x……y其中商x為整數，也為烴分子中的最大碳原子數；y為余數，也為烴分子中的最小氫原子數，即分子式為CxHy。若y＝0或x≥6時，則x每減小1，y增大12，但y最大不能超過2x＋2，由此可求出烴的分子式。4．化學方程式法利用有機化學反應中反應物、生成物之間“量”的關系求分子式的方法。在有機化學中，常利用有機物燃燒的化學方程式對分子式進行求解。常用的化學方程式有：CxHy＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x＋\f(y,4)))O2eq\o(→,\s\up17(點燃))xCO2＋eq\f(y,2)H2OCxHyOz＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x＋\f(y,4)－\f(z,2)))O2eq\o(→,\s\up17(點燃))xCO2＋eq\f(y,2)H2O用此法進行求算時，要抓住以下關鍵點：①氣體體積改變(留意水的狀態)；②氣體壓強改變；③氣體密度改變；④混合物的平均相對分子質量等。同時可結合差量法、平均值法、十字交叉法、探討法等技巧來求有機物的分子式。[對點練習]1．某化合物6.4g在氧氣中完全燃燒，只生成8.8gCO2和7.2gH2O。下列說法正確的是()A．該化合物僅含碳、氫兩種元素B．該化合物中碳、氫原子個數比為1∶8C．無法確定該化合物中是否含有氧元素D．該化合物中肯定含有氧元素答案D解析依據元素守恒知：m(C)＋m(H)＝8.8g×eq\f(12,44)＋7.2g×eq\f(2,18)＝3.2g<化合物的質量(6.4g)，故化合物中含有氧元素。2．(1)氣態烴A是一種基本的有機化工原料，目前石油裂解已成為生產A的主要方法。A在標準狀況下的密度為1.25g/L，D的分子式為C4H8O2，D在酸性條件下水解得到B和C，C的相對分子質量比B大14。四種有機物之間存在如圖所示的轉化關系。寫出D的結構簡式：________________。(2)E是芳香化合物，相對分子質量為180，其碳的質量分數為60.0%，氫的質量分數為4.4%，其余為氧，則E的分子式是________。答案(1)CH3COOCH2CH3(2)C9H8O4解析(1)由A在標準狀況下的密度為1.25g/L，可求得A的相對分子質量是28，結合題給生產A的主要方法可推知，A是乙烯。D的分子式為C4H8O2，D在酸性條件下水解得到B和C，可知D是酯，B是乙醇，又由C的相對分子質量比B大14，可知C是乙酸。(2)E中碳原子數目為eq\f(180×60.0%,12)＝9，氫原子數目為eq\f(180×4.4%,1)≈8，氧原子數目為eq\f(180×1－60%－4.4%,16)≈4，故其分子式為C9H8O4。二、有機物結構的確定確定有機化合物結構的分析思路為：1．依據價鍵理論規律確定有機物的同分異構體在有機物中C(四鍵)、O(二鍵)、N(三鍵)、H(一鍵)、X(一鍵)，利用價鍵理論書寫有機物的結構，如C2H6O，只能寫成CH3—CH2—OH或CH3—O—CH3。2．通過定性試驗確定試驗→有機物表現的性質及相關結論→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．通過定量試驗確定通過定量試驗確定有機物的官能團，如測得1mol某醇與足量鈉反應可得到1mol氣體，則可說明醇分子含2個—OH。4．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目，確定結構式利用紅外光譜可確定有機物分子中不同基團。1H核磁共振譜可確定有機物中不同化學環境的H原子種類及個數比。[對點練習]3．為了測定某有機物A的結構，做如下試驗：①將2.3g該有機物完全燃燒，生成0.1molCO2和2.7gH2O；②用質譜儀測得其相對分子質量為46；③用核磁共振儀處理該化合物，得到如圖所示圖譜。試回答下列問題：(1)有機物A的試驗式是________。(2)能否依據A的試驗式確定A的分子式？________(填“能”或“不能”)。若能，則A的分子式是________；若不能，則此空不填。(3)寫出有機物A可能的結構簡式：_____________________________________________________________________。答案(1)C2H6O(2)能C2H6O(3)CH3CH2OH解析(1)在2.3g有機物中：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。n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.1mol∶0.3mol∶0.05mol＝2∶6∶1，所以A的試驗式是C2H6O。(2)試驗式是C2H6O的有機物中，氫原子數已經達到飽和，所以其試驗式C2H6O即為分子式。(3)A有如下兩種可能的結構：CH3OCH3或CH3CH2OH。若為前者，則在核磁共振氫譜中應只有一個峰；若為后者，則在核磁共振氫譜中應有三個峰，而且三個峰的面積之比是1∶2∶3。明顯后者符合，所以A的結構簡式為CH3CH2OH。4．某探討性學習小組為確定某蠟狀有機物A的結構和性質，他們擬用傳統試驗的手段與現代技術相結合的方法進行探究。請你參加過程探究。Ⅰ.試驗式的確定(1)取樣品A進行燃燒法測定，發覺燃燒后只生成CO2和H2O，某次燃燒后，經換算得到了0.125molCO2和0.15molH2O。據此得出的結論是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)另一試驗中，取3.4g蠟狀有機物A在3.36L(標準狀況下，下同)氧氣中完全燃燒，兩者均恰好完全反應，生成2.8LCO2和液態水。由此得出A的試驗式是________。Ⅱ.結構式的確定(經測定A的相對分子質量為136)(3)取少量樣品熔化，加入鈉有氫氣放出，說明A分子中含有________。(4)進行核磁共振，發覺只有兩組特征峰，且峰面積比為2∶1，再做紅外光譜，發覺與乙醇一樣透過率在同一處波數被汲取。圖譜如下：則A的結構簡式為________。答案Ⅰ.(1)分子中n(C)∶n(H)＝5∶12，分子式為C5H12Ox(x＝0,1,2……)(2)C5H12O4Ⅱ.(3)羥基(4)C(CH2OH)4解析(1)取樣品A進行燃燒法測定，發覺燃燒后只生成CO2和H2O，某次燃燒后，經換算得到了0.125molCO2和0.15molH2O，說明該有機物中含有C、H元素，可能含有O元素，分子中C、H元素的物質的量之比為n(C)∶n(H)＝0.125mol∶(2×0.15)mol＝5∶12，分子式為C5H12Ox(x＝0,1,2……)。(2)生成CO2的物質的量為eq\f(2.8L,22.4L·mol－1)＝0.125mol，則生成水的物質的量為0.15mol,3.4g有機物中氧元素的質量為3.4g－0.125mol×12g·mol－1－0.15mol×2×1g·mol－1＝1.6g，則氧元素的物質的量為0.1mol，分子中n(C)∶n(H)∶n(O)＝5∶12∶4，故最簡式為C5H12O4。(3)取少量樣品熔化，加入鈉有氫氣放出，A分子中不含有不飽和鍵，說明A分子中含有羥基。(4)進行核磁共振，發覺只有兩組特征峰，且面積比為2∶1，說明結構中含有兩種氫原子，數目分別為4和8，再做紅外光譜，發覺與乙醇一樣透過率在同一處波數被汲取，說明結構中含有醇羥基，從紅外光譜圖可以看出分子中含有O—H、C—O、C—H鍵，該有機物的結構簡式為C(CH2OH)4。本課歸納總結1．兩種氣態烴的混合物共1mol，在空氣中燃燒得到1.5molCO2和2molH2O。下列關于該混合物的說法，合理的是()A．肯定含甲烷，不含乙烷B．肯定含乙烷，不含甲烷C．肯定是甲烷和乙烯的混合物D．肯定含甲烷，但不含乙烯答案A解析由題意可推斷該混合物的平均組成為C1.5H4，因為碳原子數小于1.5的烴只有CH4，故肯定含甲烷，而甲烷分子中含有4個H，則另一氣態烴分子中也應含有4個H，可能為C2H4、C3H4或C4H4。2．在核磁共振氫譜中出現3組峰，且氫原子個數比為3∶1∶4的化合物是()答案C解析A項中的有機物有2種氫原子，個數比為3∶1；B項中的有機物有3種氫原子，個數比為1∶1∶3；C項中的有機物有3種氫原子，個數比為3∶1∶4；D項中的有機物有2種氫原子，個數比為3∶2，故選C。3．已知CH4與Cl2反應的產物中除CH3Cl外，還有CH2Cl2、CHCl3、CCl4。下列關于生成CH2Cl2的過程中，可能出現的是()A．2Cleq\a\vs4\al\co1(·)＋CH4eq\o(→,\s\up17(光照))2HCl＋eq\a\vs4\al\co1(·)CH2B.eq\a\vs4\al\co1(·)CH2Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up17(光照))CH2Cl2＋Cleq\a\vs4\al\co1(·)C.eq\a\vs4\al\co1(·)CH2Cl＋Cleq\o(→,\s\up17(光照))CH2Cl2D．CH3Cl＋HCleq\o(→,\s\up17(光照))CH2Cl2＋H2答案B解析CH4與Cl2反應為自由基反應，生成CH2Cl2的反應機理包括三個階段：鏈引發階段：Cl2eq\o(→,\s\up17(光照))Cleq\a\vs4\al\co1(·)＋Cleq\a\vs4\al\co1(·)，Cleq\a\vs4\al\co1(·)＋CH3Cleq\o(→,\s\up17(光照))eq\a\vs4\al\co1(·)CH2Cl＋HCl鏈傳遞階段：Cl2＋eq\a\vs4\al\co1(·)CH2Cleq\o(→,\s\up17(光照))