Question

3．实验室用燃烧法测定某种α-氨基酸X （C_xH_yO_zN_p）的分子组成．取3.34g X放在纯氧中充分燃烧，生成CO₂、H₂O和N₂．现用如图1所示装置进行实验（铁架台、铁夹、酒精灯等未画出），请回答有关问题：

（1）实验开始时，首先打开止水夹a，关闭止水夹b，通一段时间的纯氧气，这样做的目的是将装置中的N₂排尽；之后则需关闭止水夹a，打开止水夹b．
（2）上述装置中A、D处都需要用酒精灯加热，操作时应先点燃D处的酒精灯．
（3）装置D的作用是吸收未反应的O₂，保证最终收集到的气体是反应生成的N₂．
（4）实验结果：
①B中浓硫酸增重1.62g，C中碱石灰增重7.04g，F中收集到224mL气体（标准状况）．
 ②X的相对分子质量为167，它是通过质谱仪测定的（填一种现代化学仪器）
试通过计算确定该有机物X的分子式（写出计算过程）C₈H₉O₃N
（5）另取3.34g X与0.2mol/L 的NaOH溶液反应，最多能中和NaOH溶液200mL，有机物X的¹³C-NMR（即核磁共振碳谱，其作用与核磁共振氢谱类似）如下图所示．试确定有机物X的结构简式为．

Answer 1

分析 该实验原理为：3.34g 该种氨基酸放在纯氧中充分燃烧，生成CO₂、H₂O和N₂．装置B内盛放浓硫酸，吸收生成的水，根据装置B增重，确定3.34g 该种氨基酸中含氢元素质量，根据C中碱石灰的增重可确定C元素的质量，D用于除去氧气，根据F中水的体积确定氮气的体积，并由此确定待测氨基酸中含有的氮元素的质量，在计算氧元素的质量，确定分子中元素原子个数比，由此确定最简式，
（1）利用排水法测定氮气的体积，确定Wg该种氨基酸中含氮元素质量；
（2）加热时应尽量考虑保证最终收集的气体为N₂；
（3）由反应原理可知，铜网吸收未反应的O₂；
（4）B中浓硫酸增重1.62g，C中碱石灰增重7.04g，F中收集到224mL气体，可分别计算H、C、N的质量，结合总质量确定O的质量，可确定实验式，X的相对分子质量为167，可计算分子式；
（5）3.34g X的物质的量为$\frac{3.34g}{167g/mol}$=0.02mol，与0.2mol/L 的NaOH溶液反应，最多能中和NaOH溶液200mL，即消耗0.04molNaOH，说明有机物含有1个羧基、1个酚羟基，由核磁共振碳谱可知苯环有两个取代基，且为对位．

解答 解：该实验原理为：3.34g 该种氨基酸放在纯氧中充分燃烧，生成CO₂、H₂O和N₂．装置B内盛放浓硫酸，吸收生成的水，根据装置B增重，确定3.34g 该种氨基酸中含氢元素质量，根据C中碱石灰的增重可确定C元素的质量，D用于除去氧气，根据F中水的体积确定氮气的体积，并由此确定待测氨基酸中含有的氮元素的质量，在计算氧元素的质量，确定分子中元素原子个数比，由此确定最简式，
（1）装置的空气中含有N₂，影响生成氮气的体积测定，需将装置中的N₂排净，故答案为：将装置中的N₂排尽；
（2）应先点燃D处的酒精灯，吸收未反应的氧气，保证最终收集的气体为N₂，故答案为：D；
（3）由原理可知，气体进入装置E之前应该先将氧气除去，所以铜网的作用是吸收未反应的氧气，以保证最终收集的气体为N₂，
故答案为：吸收未反应的O₂，保证最终收集到的气体是反应生成的N₂；
（4）实验室用质谱仪测定有机物的相对分子质量，
B中浓硫酸增重1.62g，为水的质量，则可知n（H₂O）=$\frac{1.62g}{18g/mol}$=0.09mol，m（H）=0.18g，C中碱石灰增重7.04g，为二氧化碳的质量，n（CO₂）=$\frac{7.04g}{44g/mol}$=0.16mol，m（C）=0.16mol×12g/mol=1.92g，F中收集到224mL气体，为氮气，且n（N₂）=$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol，m（N）=0.01mol×2×14g/mol=0.28g，
所以m（O）=3.34g-0.18g-1.92g-0.28g=0.96g，n（O）=$\frac{0.96g}{16g/mol}$=0.06mol，
则N（C）：N（H）：N（O）：N（N）=0.16：0.18：0.06：0.02=8：9：3：1，实验式为C₈H₉O₃N，相对分子质量为167，则分子式为C₈H₉O₃N，
故答案为：质谱仪；C₈H₉O₃N；
（5）3.34g X的物质的量为$\frac{3.34g}{167g/mol}$=0.02mol，与0.2mol/L 的NaOH溶液反应，最多能中和NaOH溶液200mL，即消耗0.04molNaOH，说明有机物含有1个羧基、1个酚羟基，由核磁共振碳谱可知苯环有两个取代基，且为对位．应为，故答案为：．

点评 本题考查测定有机物分子中元素含量的方法，题目难度中等，明确实验原理为解答关键，注意根据原子守恒法进行分析，试题有利于提高学生的分析、理解能力及化学实验能力．