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第二单元科学家怎样研究有机物
知识方法
知识再现
(一)有机物组成的研究
1、李比希燃烧法
(1)作用:测定有机物分子的最简式。
(2)原理
CxHyOzNm+()O2eq\o(\s\up8(点燃),—-→)xCO2+H2O+N2
根据上述燃烧反应方程式,要测定有机物的含碳量或含氢量,就要知道该有机物的质量m、生成二氧化碳的质量m1和生成水的质量m2,含碳质量分数可表示为;含氢质量分数可表示为;这就是李比希法确定碳氢元素质量分数的原理。
从实验的角度分析,有机物的质量m可通过称量得到,生成二氧化碳的质量m1可通过足量的碱石灰增重得到,燃烧产生的水的质量可通过浓硫酸的增重得到(李比希是利用高氯酸镁的增重)。
2、元素分析仪法
工作原理是在不断通氧气的条件下,使样品充分燃烧,然后利用该仪器对燃烧产物进行自动分析。该方法样品用量少,分析样品为易挥发物或难溶物,可同时对碳、氢、氧、氮、硫、氯、溴等多种元素进行分析。
3、钠熔法
(1)作用:定性确定有机物中是否存在氮、硫和卤素。
(2)原理:将有机样品与钠混合熔融,氮元素变成NaCN,硫元素变成Na2S,氯元素变成NaCl,溴元素变成NaBr,再用无机定性分析法测定,即可确定有机物中是否存在氮、硫、氯、溴等元素。比如说有机物如果含硫,就会转化为硫化钠,硫化钠加入水,然后加入硫酸铜,就会产生黑色沉淀,从而证明硫的存在。
4、铜丝燃烧法
(1)作用:定性确定有机物中是否含有卤素。
(2)原理:将一根纯铜丝加热至红热,沾取有机样品,放在火焰上灼烧。如果火焰为绿色,则证明有机物中存在卤素。
5、质谱法(MS)
(1)作用:测定有机物分子的相对分子质量。
(2)原理:用高能电子流轰击样品,使分子失去电子变成带正电荷的碎片,在磁场的作用下,由于碎片的相对质量不同,它们到达检测器的时间也先后不同,其结果被记录为质谱图。
质谱仪原理示意图:
(3)质谱图
横坐标表示碎片的质荷比,纵坐标表示碎片的的相对丰度,峰上的数据表示碎片的相对质量。分子离子的相对质量越大,质荷比就越大,到达检测器需要的时间就越长,因此质谱图中最右边的峰表示的就是样品的相对分子质量。
如下图所示,甲苯相对分子质量为92。
(二)有机物结构的研究
1、基团理论
有机物中的“基团”包含两类,—类是烃基,另一类是官能团。
(1)烃分子失去—个或几个氢原子所剩余的部分叫烃基,一般用—R表示,中学学习的重要的烃基有-CH3(甲基)、-CH2CH3(乙基)等。
(2)官能团决定着有机化合物的主要化学性质,是有机化学重要的分类依据。
2、化学实验法
利用化学实验进行定量定性分析的方法,如酚可以用溴水定量测定。化学性质决定实验现象,实验现象反映的是官能团典型的化学性质。
以前利用化学实验法进行结构的测定程序复杂而且费时,现代物质结构的分析将物理方法应用到化学领域,能快速准确的进行测定,因此为有机化学的长足发展奠定了基础。
3、红外光谱法(IR)
(1)作用:初步判断该有机物中具有哪些基团。
(2)原理:用红外线照射有机物分子时,分子中的基团发生振动吸收,不同的基团吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。
红外光谱仪原理示意图:
(3)红外光谱图
横坐标表示波长(或波数),即吸收峰的位置,纵坐标表示吸收强度。如分子式为C4H8O2的化合物,红外光谱如下图所示:
解析如下:①由于化合物的分子式C3H6O2符合通式CnH2nO2,根据我们所学知识可初步判断此化合物为酸或者酯。
②由于谱带在1730cm-1处有一强吸收峰,此处落于C=O的1850~1600cm-1的振动区间,因此可判断改化合物含有C=O官能团。1730cm-1处的吸收峰表明此物质为饱和酯峰。
③图表在1300~1000cm-1范围内也有一系列特征吸收峰,特别在1200cm-1处有一强吸收峰,符合C-O的振动范围,因此可判断该化合物含有C-O键。
④图谱中在2820,2720cm-1处含有吸收峰,符合-CH3,-CH2对称伸缩范围,因此可判断化合物中含有-CH3基团和-CH2基团。
综上所述,此化合物的结构式应为:CH3-eq\o(\s\up9(??),\s\up16(O),C)-O-CH2CH3
4、氢核磁共振谱法(1H-NMR)
(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:用电磁波照射氢原子核时,不同化学环境(即其附近的基团)的氢原子通过共振吸收电磁波的频率不同,在核磁共振谱图上出现的位置也不同,而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
(3)核磁共振谱图
横坐标表示化学位移,即吸收峰的位置,纵坐标表示吸收强度。其中吸收峰数目=氢原子种类,吸收峰面积比=氢原子数目比。如乙苯的核磁共振谱图如下图所示:
解析如下:首先看图上有三组峰,说明分子中存
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