专题05 元素分析和相对分子质量的测定 分子结构的鉴定

一. 元素分析

用化学方法鉴定有机物分子的元素组成。以及分子风各元素原子的质量分数，这就是元素的定性、定量分析。元素定量分析的原理是将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定其实验式。

有机物的元素定量分析最早是由德国人李比希提出的。他用CuO作氧化剂将仅含C、H、O的有机物氧化，产生的H2O 用无水CaCl2吸收，CO2用KOH吸收，分别称出吸收前后吸收剂的质量。计算出碳、氢原子在分子中的含量。剩余的就是氧原子的含量。

欲判定该有机物中是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将碳、氢元素的质量之和与原有机物质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧；否则，原有机物的组成含氧。

典例1. （1）某实验小组尝试用燃烧法确定有机物M的分子式，所用装置如下：

①产生的氧气按从左到右方向流动，所选装置各导管的连接顺序是(以上装置不能重复使用)：g→fe→hi→ __________ → ___________ →jk。

②F装置作用是________________。

③若准确称取有机物M(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)3.24g，经充分燃烧后，A管质量增加9.24g，B管质量增加2.16 g，则该有机物的实验式为________。

④已知在相同条件下该M蒸气相对氢气的密度为54，且能与Na反应但不与NaOH溶液反应，写出该物质在灼热的铜丝条件下与氧气的反应方程式 _________________________________。

（2）在常温下测得的某烃C8H10(不能与溴水反应)的核磁共振谱上，观察到两种类型的H原子给出的信号，其强度之比为2∶3，试确定该烃的结构简式为________；该烃在光照下生成的一氯代物在核磁共振谱中产生的吸收峰强度比为________。

【答案】cd(dc) ab(ba) 防止空气中水和二氧化碳进入装置，干扰实验结果 C7H8O 2+O2 2 +2H2O 2：2：2：3

【解析】（1）①D中生成的氧气中含有水蒸气，应先通过C中的浓硫酸干燥，在E中电炉加热时用纯氧氧化管内样品，生成二氧化碳和水，如有一氧化碳生成，则E中CuO可与CO进一步反应生成二氧化碳，然后分别通入B（吸收水）、A（吸收二氧化碳）中，根据产物的质量推断有机物的组成，则产生的氧气按从左到右流向，所选择装置各导管的连接顺序是g→f→e→h→i→c（或d）→d（或c）→a（或b）→b（或a）→jk．

②F装置作用是防止空气中水和二氧化碳进入装置，干扰实验结果。

③水的物质的量=2.16g/18g·mol－1=0.12mol、二氧化碳的物质的量=9.24g/44g·mol－1=0.21mol，则m（C）+m（H）=0.21mol×12g+0.12mol×2×1g·mol－1=2.76g＜3.24g，故有机物含有O元素，m（O）=3.24g-2.76g=0.48g，则n（O）=0.48g/16g·mol－1=0.03mol，n（C）：n（H）：n（O）=0.21：0.24：0.03=7：8：1，该有机物的实验式是C7H8O。

④确定该物质的分子式，还要知道该物质的相对分子质量，则M=DM（H2）=54×2g·mol－1=108g·mol－1，所以分子式为：C7H8O，且能与Na反应但不与NaOH溶液反应，该物质，不是酚，是苯甲醇，写出该物质在灼热的铜丝条件下与氧气的反应方程式， 2+O2 2 +2H2O ；

（2）某烃C8H10（不能与溴水反应）的核磁共振谱上，观察到两种类型的H原子给出的信号，其强度之比为2：3，则存在两种位置的H原子，且H原子数目之比为2：3，数目分别为4、6，可知该烃为对二甲苯，其结构简式为，该烃在光照下生成的一氯代物，其含有的H有4种，如图，则在核磁共振谱中可产生4种信息，强度为3：2：2：2。

二. 相对分子质量的测定

① 密度法

标况下: M(气体) = 22.4ρ (g/mol)

同温同压: D ＝M1 / M2＝ρ1/ ρ2

② 质谱仪

相对分子质量=质荷比最大(横坐标最右)的数值

三. 有机物分子式的确定

1. 实验式(最简式)和分子式的区别与联系
(1) 最简式是表示化合物分子所含各元素的原子数目最简单整数比的式子。不能确切表明分子中的原子个数。
注意：
① 最简式是一种表示物质组成的化学用语；
② 无机物的最简式一般就是化学式；
③ 有机物的元素组成简单，种类繁多，具有同一最简式的物质往往不止一种；
④ 最简式相同的物质，所含各元素的质量分数是相同的，若相对分子质量不同，其分子式就不同。例如，苯(C6H6)和乙炔(C2H2)的最简式相同，均为CH，故它们所含C、H元素的质量分数是相同的。
(2) 分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。
注意：
① 分子式是表示物质组成的化学用语；
② 无机物的分子式一般就是化学式；
③ 由于有机物中存在同分异构现象，故分子式相同的有机物，其代表的物质可能有多种；
④ 分子式＝(最简式)n。即分子式是在实验式基础上扩大n倍， 。
2．确定分子式的方法
(1) 实验式法　 由各元素的质量分数→求各元素的原子个数之比(实验式)→相对分子质量→求分子式。
(2) 物质的量关系法　由密度或其他条件→求摩尔质量→求1mol分子中所含各元素原子的物质的量→求分子式。（标况下M=dg/cm3×103·22.4L/mol）
(3) 化学方程式法　 利用化学方程式求分子式。
(4) 燃烧通式法　 利用通式和相对分子质量求分子式。
　　
由于x、y、z相对独立，借助通式进行计算，解出x、y、z，最后求出分子式。

典例2．将0.1 mol某有机物与0.3 mol O2混合，于密闭反应器中用电火花点燃，将燃烧产物通入过量的澄清石灰水中，可得到沉淀20g，溶液质量减少5.8g；剩余气体继续通过灼热的CuO，可以使CuO质量减少1.6g，由此可知该有机物的分子式为

A.C3H6O2 B.C3H6O C.C2H6O D.C4H8O2

【答案】A

【解析】本题考查有机物分子式的确定。有机物燃烧产物通入过量的澄清石灰水中，可得到沉淀20g，反应生成碳酸钙20g÷100g/mol = 0.2mol 烧生成二氧化碳0.2mol；溶液质量减少5.8g，生成水蒸气质量为10=5.4g；0.1mol有机物含氢原子；剩余气体继续通过灼热的CuO，可以使CuO质量减少1.6g，则燃烧生成0.1molCO；0.1 mol有机物与0.3 mol O2反应生成0.2mol二氧化碳、0.1molCO和0.3mol水，0.1 mol有机物含氧0.4mol+0.1mol+0.3mol-0.6mol=0.2mol，该有机物的分子式为C3H6O2，故选A。

典例3. (1)C　B　A　(2)吸收样品反应后生成的CO2　(3)H2O2　(4)减小　(5)在A后接一个装碱石灰的干燥管　(6)C2H4O　(7)②

【解析】本题是利用元素分析法测定有机物的分子式，根据A和B装置中增加的质量可以确定生成的CO2和H2O的质量，同时要保证通入的O2是干燥的，故装置连接顺序为D→C→F→B→A。图中利用装置D制备O2，则E中装的是H2O2，H2O2在MnO2的催化下制备O2；CuO网能将不充分燃烧的产物CO转化成CO2，所以没有CuO网会导致A中收集到的CO2减少。为了保证准确测定CO2的质量，需在A后接一个装碱石灰的干燥管，防止空气中的CO2进入系统。根据A和B中增加的质量可以求出有机物中含有C、H、O的质量分别为0.24 g、0.04 g和0.16 g，其物质的量之比为2:4:1，则该有机物的实验式为C2H4O。若要确定该有机物的分子式还应知道其摩尔质量等数据。

典例3. 我国科学家屠呦呦因青蒿素研究获得诺贝尔奖，某实验小组拟提取靑蒿素并测定其化学式。

【査阅资料】青蒿素为无色针状晶体，熔点156～157℃，易溶于丙酮、氯仿和乙醚，在水几乎不溶。

I.实验室用乙醚提取靑萵素的工艺流程如下图：

(1)在操作I前要对青蒿进行粉碎，其目的是____________。

(2)操作II的名称是_______________。

(3)操作III进行的是重结晶，其操作步骤为加热溶解→______→_______→过滤、洗涤、干燥。

II.己知青蒿素是一种烃的含氧衍生物，为确定其化学式，又进行了如下实验:

实验步骤

①连接装置，检査装置的气密性。

②称量E、F中仪器及药品的质量

③取14.10g青蒿素放入硬质试管C中，点燃C、D处酒精灯加热，充分燃烧

④实验结束后冷却至室温，称量反应后E、F中仪器及药品的质量

(4)装置E、F应分别装入的药品为______、_________。

(5)实验测得：

通过质谱法测得靑蒿素的相对分子质量为282，结合上述数据，得出青蒿素的分子式为_______。

(6)有同学认为使用上述方法会产生较大实验误差，你的改进方法是_______________。

【答案】 增大靑蒿与乙醚的接触面积，提高浸出效率 蒸馏 趁热过滤 冷却结晶 无水氯化钙（五氧化二磷、硅胶） 碱石灰 C15H22O5 在左侧增加除去空气中二氧化碳、水蒸气的除杂装罝，冋时在右侧增加防止空气中二氧化碳、水蒸气进入装罝F的装罝

【解析】（1）根据乙醚浸取法的流程可知，操作I前对青蒿进行干燥破碎，可以增大青蒿与乙醚的接触面积，提高青蒿素的浸取率；

（2）提取液经过蒸馏后可得青蒿素的粗品；
（3）重结晶的步骤为加热溶解、趁热过滤、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；

（4）E和F一个吸收生成的H2O，一个吸收生成的CO2，应先吸水后再吸收CO2，所以E内装的无水CaCl2或硅胶或P2O5，而F中为碱石灰；

（5）由数据可知  m（H2o）=33.9g-24g=9.9g，所以n（H2o）=0.55mol
m（co2）=133g-100g=33g，所以 n（co2）=0.75mol，所以青蒿素中氧原子的质量为m（o）=14.1g-（1.1×1）-（0.75×12）=4g，所以n（o）=0.25mol，N（C）：N（H）：N（o）=0.75：1.1：0.25=15：22：5，所以为C15H22O5；

（6）需准确测量青蒿素燃烧生成的CO2和H2O，实验前应排除装置内的空气，防止干扰实验，故应在左侧增加除去空气中二氧化碳、水蒸气的除杂装，同时在右侧增加防止空气中二氧化碳、水蒸气进入装置F的装置。

四.分子结构确定

1. 红外光谱

由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。因此，我们就可以根据红外光谱图，推知有机物含有哪些化学键、官能团，以确定有机物的结构。

典例1. 下图是为C3H6O2的有机物的红外光谱谱图， 则该有机物的结构简式可能是___ ___、 、 。

【答案】CH3COOCH3、HCOOCH2CH3、HCOCH2OCH3。

2. 核磁共振氢谱

不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率不同，被核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同。所以，可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类型及数目。

典例2. C4H6O的红外光谱表明分子中含有C=C和C=O， 其核磁共振氢谱如下图，其可能的结构简式为 ______________。

【答案】CH3CH=CHCHO

【解析】有四组峰，峰的面积之比是1:1:1:3，因此其结构为CH3CH=CHCHO。

课后练习：

1．某有机物分子，仅由C、H、O三种元素的13个原子组成，其分子中的电子总数为42。充分燃烧该有机物，所生成的CO2和水蒸气在相同状况下的体积之比为3∶4，则该有机物的分子式为

A.C3H8O2 B.C3H6O3 C.C4H8O D.C6H6O

【答案】A

【解析】该有机物分子中的电子总数为42，充分燃烧产生的CO2和水蒸气在相同状况下的体积比为3∶4，分子中碳氢原子个数之比为3∶8，即可推出其分子式为C3H8O2

2. 某有机物样品的质荷比如下图所示(假设离子均带一个单位正电荷,相对丰度与该离子的质量有关),则该有机物是(　　)

A.甲醇 B.甲烷 C.丙烷 D.乙烯

【答案】B

【解析】其最大质荷比为16,说明该有机物的相对分子质量为16,则该有机物为甲烷。

3．1mol有机物充分燃烧后，只生成88gCO2和54g水，下列结论正确的是：

A.该有机物分子式为CH3

B.该有机物分子式为C2H6

C.该有机物分子式为C2H6O

D.该有机物中C、H原子个数比为1∶3，可能含有氧原子

【答案】D

【解析】

二氧化碳的物质的量=88/44=2mol；水的物质的量=54/18=3mol，

根据原子守恒知，n(C)=n(CO2)=2mol，n(H)=2n(H2O)=6mol，所以有机物分子中含有2个碳原子、6个氢原子，可能含有氧元素，也可能不含氧元素，该有机物分子式不可能为CH3，故A错误；该有机物分子式可能为C2H6，故B错误；该有机物分子式可能为C2H6O，故C错误；该有机物中C、H原子个数比为1：3，可能含有氧原子，也可能不含氧原子，故D正确；故选D。

4．某有机样品3.0 g完全燃烧,将燃烧后的混合物通入过量的澄清石灰水中,石灰水共增重6.2 g,经过滤得到10 g沉淀。该有机样品的组成可能是(括号内给出的是有机物的分子式)

A. 葡萄糖(C6H12O6)与蔗糖(C12H22O11) B. 醋酸与甲酸甲酯(C2H4O2)

C. 乙醇与甲醛(CH2O) D. 二甲醚(C2H6O)与乳酸(C3H6O3)

【答案】B

【解析】根据题意,3.0 g有机样品燃烧生成CO2和H2O的总质量为6.2 g。10 g碳酸钙的物质的量为0.1 mol,含0.1 mol C,则燃烧生成的CO2为0.1 mol,故燃烧生成水的质量为6.2 g-0.1 mol×44 g/mol=1.8 g,其物质的量为0.1 mol,含0.2 mol H。因此,3.0 g样品中O元素的质量为3.0 g-0.1 mol×12 g/mol-0.2 mol×1 g/mol=1.6 g,其物质的量为0.1 mol。各元素原子个数比为N(C)∶N(H)∶N(O)=0.1∶0.2∶0.1=1∶2∶1,实验式为CH2O,只有B选项符合要求。

5．常温下某气态烷烃10mL与过量O285mL充分混合，点燃后生成液态水，在相同条件下测得气体体积变为70mL，求烃的分子式。

【答案】

【解析】根据方程式

CxHy(g) + (x+word/media/image18_1.png )O2 word/media/image19_1.pngxCO2(g) + word/media/image20_1.pngH2O(l)　　ΔV

1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1+word/media/image18_1.png

10mL 　25mL

解得：y=6 烷烃通式为CnH2n+2，2n＋2＝6，n=2，该烃分子式为C2H6。答案：C2H6。

6．由两种气态烃组成的混合烃20mL，跟过量O2完全燃烧。同温同压条件下当燃烧产物通过浓H2SO4后体积减少了30mL，然后通过碱石灰又减少40mL。这种混合气的组成可能有几种？

【答案】C2H2和C2H6或C2H2和C2H4

【解析】因为V（混烃）：V（CO2）：V（H2O）＝1：2：1.5，所以：V（混烃）：V（C）：V（H）＝1：2：3，平均组成为C2H3，word/media/image21_1.png＝27。

根据平均组成C2H3分析，能满足平均组成的混烃只有两组，即C2H2和C2H6或C2H2和C2H4组成的混烃。

7．已知有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如下图，下列说法错误的是（ ）

A.由红光外谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键

B.由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子

C.仅由其核磁共振氢谱可以得知其分子中的氢原子总数

D.若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3CH2OH

【答案】C

【解析】本题考查有机物的结构的判断。A.由红光外谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键：C－H键、O－H键、C－O键，正确；B.由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有三个吸收峰，有三种不同化学环境的氢原子，正确；C.仅由其核磁共振氢谱只能得知其分子中的氢原子的种类和数目，不能得知氢原子总数，错误；D.若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3CH2OH，正确，故选C。

8．如图为某有机物的核磁共振氢谱,请你观察图谱,分析其可能是下列哪种物质（ ）

A. CH3CH2CH2CH3 B. (CH3)2CHCH3 C. CH3CH2CH2OH D. CH3CH2COOH

【答案】C

【解析】A、B均有2个峰，D有3个峰。

9. 分子式为C4H10O的有机物红外光谱图如下，测该有机物的结构简式为________________。

【答案】CH3CH2OCH2CH3

【解析】由于含有对称的-CH3和-CH2-，还有C-O-C，故其结构简式为CH3CH2OCH2CH3。

10.　化合物A经李比希法和质谱法分析得知其相对分子质量为136，分子式C8H8O2．A分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其核磁共振氢谱与红外光谱如图．关于A的下列说法中，不正确的是（ ）

A．A属于酯类化合物，在一定条件下能发生水解反应

B．A在一定条件下可与3mol H2发生加成反应

C．符合题中A分子结构特征的有机物只有一种

D．与A属于同类化合物的同分异构体只有2种

【答案】D

【解析】解：有机物A的分子式为分子式C8H8O2，不饱和度为=5，A分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其核磁共振氢谱有四个吸收峰，说明分子中含有4种H原子，峰面积之比为1：2：2：3，则四种氢原子个数之比=1：2：2：3，结合红外光谱可知，分子中存在酯基等基团，故有机物A的结构简式为

A．A含有酯基，属于酯类化合物，在一定条件下能发生水解反应，故A正确；

B．1mol有机物A含有1mol苯环，可以与3mol氢气发生加成反应，故B正确；

C．符合题中A分子结构特征的有机物为，只有一种，故C正确；

D．属于同类化合物，应含有酯基、苯环，若为羧酸与醇形成的酯有：甲酸苯甲

酯，若为羧酸与酚形成的酯，可以是乙酸酚酯，可以是甲酸与酚形成的酯，甲基有邻、间、对三种位置，故5种异构体，故D错误．

11.　为了测定某有机物A的结构，做如下实验：

①将2.3 g该有机物完全燃烧，生成0.1 mol CO2和2.7 g水；

②用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；

③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图二所示图谱，图中三个峰的面积之比是1:2:3。

④用红外光谱仪处理该化合物，得到如图三所示图谱。

试回答下列问题：

(1) 有机物A的相对分子质量是__________。

(2) 有机物A的实验式是____________________。

(3) 能否根据A的实验式确定A的分子式______(填“能”或“不能”)，若能，则A的分子式是__________(若不能，则此空不填)。

(4) 写出有机物A的结构简式______________。

【答案】(1)46　(2)C2H6O　(3)能　C2H6O

(4)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是46。

(2)在2.3 g该有机物中，n(C)＝0.1 mol

m(C)＝0.1 mol×12 g·mol－1＝1.2 g

n(H)＝＝0.3 mol

m(H)＝0.3 mol×1 g·mol－1＝0.3 g

m(O)＝2.3 g－1.2 g－0.3 g＝0.8 g

n(O)＝＝0.05 mol

则n(C) :n(H) :n(O)＝0.1 mol:0.3 mol:0.05 mol＝2:6:1，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：CH3OCH3或CH3CH2OH；在核磁共振氢谱中有三个峰，而且三个峰的面积之比是1:2:3，根据图三知，A中含有C—H、C—O、O—H，显然A为乙醇。

2018 - 2019学年高中化学专题1.5元素分析和相对分子质量的测定分子结构的鉴定（含解析）(选修5)