第一章有機化合物的結構特點與研究方法

第二節研究有機化合物的一般方法

1.2.2有機化合物實驗式、分子式、分子結構的確定

本節通過解決實際問題的形式，讓學生初步了解怎樣研究有機化合物，應該采取什么步驟和常

用方法等，從中體驗研究一個有機化合物的過程和科學方法。由于中學條件所限，對現代物理方法

只要求初步改變的了解，不涉及過多的名詞術語，通過多種教學媒體了解質譜、紅外光譜、核磁共

振氫譜的用途。

課程目標學科素養

了解現代儀器分析在有機化合物組成和結

1.a.證據推理：通過提取和分析譜圖中的有效信

構分析中的應用。

息推測分析結構

2.能依據元素分析和質譜數據推斷有機化合

b.宏觀辨識：初步了解質譜、紅外光譜、核磁

物的分子式。

共振氫譜的原理及用途

3.能依據波譜分析數據推斷簡單有機化合物

的分子結構。c.科學探究：通過化學實驗和某些物理方法可

以確定有機化合物的分子結構

教學重點：有機化合物的實驗式、分子式和分子結構的確定方法

教學難點：有機化合物的實驗式、分子式和分子結構的確定方法

講義教具

【新課導入】

有機化合物的元素定量分析最早是德國化學家李比希于1831年提出。

準確稱量的樣品置于一燃燒管中，經紅熱的氧化銅氧化后，再將其徹底燃燒成二氧化碳和水，

用純的氧氣流把它們分別趕入燒堿石棉劑(附在石棉上粉碎的氫氧化鈉)及高氯酸鎂的吸收管內，前者

將排出的二氧化碳變為碳酸鈉，后者吸收水變為含有結晶水的高氯酸鎂，這兩個吸收管增加的重量

分別表示生成的二氧化碳和水的重量，由此即可計算樣品中的碳和氫的含量，如果碳與氫的百分含

量相加達不到100，而又檢測不出其他元素，則差數就是氧的百分含量。本法的特點是碳氫分析在

同一樣品中進行，且對儀器裝置稍加改裝后，即能連續檢測其他元素。

【新課講授】

元素的定性、定量分析是用化學方法測定有機化合物的元素組成，以及各元素的質量分數。

元素定性分析一般是將一定量的有機物燃燒，轉化為簡單的無機物，以確定有機物的元素組成。

元素定量分析通過無機物的質量推算出該有機物所含各元素的質量分數，然后計算出該有機物

分子內各元素原子的最簡整數比，確定其實驗式（也稱最簡式）。

李比希后經多次實驗，總結出測定僅含C、H、O的有機物組成的方法，被稱為李比希法。

他用CuO作氧化劑，將僅含C、H、O元素的有機化合物氧化，生成的CO2用KOH濃溶液吸

收，H2O用無水CaCl2吸收。根據吸收劑在吸收前后的質量差，計算出有機化合物中碳、氫元素的

質量分數，剩余的就是氧元素的質量分數，據此計算可以得到有機化合物的實驗式。

【學生活動1】

含C、H、O三元素的未知物A，經燃燒分析實驗測定該未知物中碳的質量分數為52.2%，氫的

質量分數為13.1%。試求該未知物A的實驗式。

【學生展示】

未知物A的實驗式的確定

1氧的質量分數為34.7%；

2C、H、O的原子個數比：N（C）：N（H）：N(O)=2:6:1；

3該未知物的實驗式為C2H6O。

【講解】

李比希還建立了含氮、硫、鹵素等有機化合物的元素定量分析法方法，這些方法為現代元素定

量分析奠定了基礎。現在，元素定量分析使用現代化的元素分析儀，分析的精確度和分析速度都達

到了很高的要求。

【過渡】

元素定量分析只能確定有機化合物分子中各組成原子的最簡整數比，得到實驗式。要確定它的

分子式，還必須知道其相對分子質量。日前有許多測定相對分子質量的方法，質譜法是其中最精確、

快捷的方法。

【講解】

質譜法是快速、精確測定相對分子質量的重要方法，測定時只需要很少量的樣品。

質譜儀用高能電子流等轟擊樣品，使有機分子失去電子形成帶正電荷的分子離子和碎片離子等。

這些離子因質量不同、電荷不同，在電場和磁場中的運動行為不同。計算機對其進行分析后，得到

它們的相對質量與電荷數的比值，即質荷比。以質荷比為橫坐標，以各類離子的相對豐度為縱坐標

記錄測試結果，就得到有機化合物的質譜圖。

【展示】

未知物A的質譜圖

【講解】

由上題可知未知物A的實驗式為C2H6O，觀察質譜圖，發現最右側的分子離子（CH3CH2OH）的

質荷比為46，因此A的相對分子質量為46。由此可以推算出A的分子式也是C2H6O。

目前的高分辨率質譜儀還可以根據高精度的相對分子質量數據直接計算出分子式。

【展示】

質譜儀

【設疑】

質譜圖中的碎片峰對我們確定有機化合物的分子結構有一定幫助，但未知物A究竟是二甲醚還

是乙醇？

【過渡】

確定比較復雜的有機化合物的分子結構，僅靠質譜法是很難完成的，需要借助其他現代分析儀

器，進行紅外光譜、核磁共振氫譜、Ⅹ射線衍射譜等波譜分析。

【講解】

紅外光譜利用有機化合物受到紅外線照射時，能吸收與它的某些化學鍵或官能團的振動頻率相

同的紅外線，通過紅外光譜儀的記錄形成該有機化合物的紅外光譜圖。

譜圖中不同化學鍵或官能團的吸收頻率不同，因此分析有機化合物的紅外光譜圖，可獲得

分子中所含有化學鍵或官能團的信息。

【展示】

紅外光譜儀、未知物A的紅外光譜

【學生活動2】

觀察未知物A的紅外光譜，分析未知物A的官能團。

【講解】

從圖中可以找到C—O，C—H，O—H的吸收峰，因此可以初步推測該未知物A是含有羥基官

能團的化合物，結構可表示為C2H5OH。

【講解】

氫原子核具有磁性，如果用電磁波照射含氫元素的化合物，其中的氫核會吸收特定頻率電磁波

的能量而產生核磁共振現象，用核磁共振儀可以記錄有關信號。

處于不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同，相應的信號在譜圖中出現

的位置也不同，具有不同的化學位移（用δ表示），而且吸收峰的面積與氫原子數成正比。

核磁共振氫譜圖可以獲得該有機化合物分子中有幾種不同類型的氫原子及他們都相對數目等信

息。吸收峰的數目等于氫原子的種類，吸收峰面積比等于氫原子數目之比。

【學生活動3】

觀察乙醇和乙醚的核磁共振氫譜圖，結合未知物A的核磁共振氫譜圖，分析未知物A的結構。

【講解】

未知物A的核磁共振氫譜圖可以判斷A中含有3種處于不同化學環境的氫原子，其個數比為3：

2：1，與乙醇的核磁共振氫譜圖相同，故A的結構簡式為CH3CH2OH。

【講解】

X射線是一種波長很短（約10m）的電磁波，它和晶體中的原子相互作用可以產生衍射譜圖。

經過計算可以從中獲得分子結構的有關數據，包括鍵長、鍵角等分子結構信息。

將X射線衍射技術用于有機化合物（特別是復雜的生物大分子）晶體結構的測定，可以獲得更

為直接而詳盡的結構信息。

目前，X射線衍射已成為物質結構測定的一種重要技術

【展示】我國科學家通過X射線衍射獲得的青蒿素的分子結構。

【課堂小結】

回顧本節課的內容，有機物結構的確定方法：利用化學方法確定實驗式，再利用質譜確定相對

分子質量，由實驗式和相對分子質量可得出分子式，可利用紅外光譜法、核磁共振氫譜、特征反應

判斷官能團的性質、空間排列、基團的位置，最終確定結構式。

1.有機物的天然提取和人工合成往往得到的是混合物，假設給你一種這樣的有機混合物讓你研究，

一般要采取的幾個步驟是

A.分離、提純確定化學式確定實驗式確定結構式

B.分離、提純確定實驗式確定化學式確定結構式

C.分離、提純確定結構式確定實驗式確定化學式

D.確定化學式確定實驗式確定結構式分離、提純

【答案】B

【解析】

從天然資源提取的有機物，首先得到的是含有有機物的粗品，需經過分離、提純才能得到純品，再

進行鑒定和研究未知有機物的結構與性質，一般先利用元素定量分析確定實驗式，再測定相對分子

質量確定分子式，因為有機物存在同分異構現象，所以最后利用波譜分析確定結構式，故對其進行

研究一般采取的研究步驟是：分離、提純確定實驗式確定分子式化學式確定結構式。

故選B。

2.某有機物A的分子式為，紅外光譜圖如圖所示，則A的結構簡式為

A.B.

C.D.

【答案】A

【解析】

紅外光譜圖中顯示存在對稱的甲基、對稱的亞甲基和醚鍵，可得分子的結構簡式為

。

3.二甲醚和乙醇是同分異構體，其鑒別可采用化學方法及物理方法，下列鑒別方法中不能鑒別這

兩種有機物的是

A.利用質譜法B.利用紅外光譜法

C.利用金屬鈉D.利用核磁共振氫譜

【答案】A

【解析】

A.二者屬于同分異構體，相對分子質量相同，用質譜法不能鑒別，故A錯誤；

B.二甲醚和乙醇中分別含有醚鍵和羥基，官能團不同，可用紅外光譜法鑒別，故B正確；

C.乙醇中含有，可與金屬鈉反應生成氫氣，二甲醚不能反應，可鑒別，故C正確；

D.二者含有的H原子的種類和性質不同，可用核磁共振氫譜鑒別，故D正確。

4.下列化合物分子，在核磁共振氫譜圖中能給出三種吸收峰的是

A.B.

C.D.

【答案】B

【解析】

A.中有2種H原子，核磁共振氫譜有2個吸收峰，故A錯誤；

B.2個甲基中H原子不同、亞甲基H原子與甲基不同，中有3種H原子，核磁

共振氫譜有3個吸收峰，故B正確；

C.中有1種H原子，核磁共振氫譜有1個吸收峰，故C錯誤；

D.只有2個甲基，則核磁共振氫譜有2個吸收峰，故D錯誤。

故選B。

5.下列四幅譜圖是結構簡式為、、和

的核磁共振氫譜，其中屬于