研究有機(jī)化合物的一般步驟和方法

第四節(jié)研究有機(jī)化合物的一般步驟和方法

第1課時(shí)有機(jī)物的分離與提純

三維目標(biāo)知識(shí)與技能初步了解研究有機(jī)化合物的一般步驟；初步學(xué)會(huì)分離、提純有機(jī)物的常規(guī)方法(蒸餾法、重結(jié)晶法、萃取分液法)過程與方法體驗(yàn)有機(jī)物組成的研究過程，通過實(shí)驗(yàn)操作過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，提高科學(xué)探究能力，逐步形成獨(dú)立思考的能力，善于與人合作，具有團(tuán)隊(duì)精神情感、態(tài)度與價(jià)值觀通過實(shí)驗(yàn)、討論、交流、合作，從實(shí)驗(yàn)探究中體驗(yàn)艱辛和喜悅，培養(yǎng)科學(xué)探究方法

思維激活

發(fā)酵法制乙醇是在釀酒的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，曾是生產(chǎn)乙醇的唯一工業(yè)方法。發(fā)酵液中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6%～10%，工業(yè)酒精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%。你知道工業(yè)上是如何從發(fā)醇液中提純制取95%的工業(yè)酒精嗎？

自學(xué)導(dǎo)引

分離、提純

研究有機(jī)化合物一般要經(jīng)過以下幾個(gè)基本步驟：分離、提純→元素定量分析→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量→波譜分析元素定量分析確定實(shí)驗(yàn)式，測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式，波譜分析確定結(jié)構(gòu)式。1．蒸餾蒸餾是分離、提純液態(tài)有機(jī)物的常用方法。適用條件：

①有機(jī)物的熱穩(wěn)定性較強(qiáng)；

②有機(jī)物與雜質(zhì)的沸點(diǎn)相差較大(一般相差大于30℃)。2．重結(jié)晶重結(jié)晶是提純固態(tài)有機(jī)物的常用方法。適用條件：

①雜質(zhì)在所選溶劑中溶解度很小或溶解度很大，易于除去。

②被提純的有機(jī)物在所選溶劑中的溶解度受溫度的影響較大。該有機(jī)物在熱溶液中的溶解度較大，在冷溶液中的溶解度較小，冷卻后易于結(jié)晶析出。實(shí)驗(yàn)裝置與操作步驟

加熱溶解→趁熱過濾→冷卻結(jié)晶08年廣東卷:原因和方法

3．萃取與分液(1)萃取包括液－液萃取和固－液萃取。液－液萃取的原理是：利用有機(jī)物在兩種互不相溶的溶劑中的溶解性不同，將有機(jī)物從一種溶劑中轉(zhuǎn)移到另一種溶劑中的過程。固－液萃取的原理是：用有機(jī)溶劑從固體物質(zhì)中溶解出有機(jī)物的過程。(2)分液：利用互不相溶的液體的密度不同，用分液漏斗將它們一一分離出來。如下圖所示：(3)操作方法：①混合振蕩；②靜置分層；③分液。4．色譜法原理：利用吸附劑對(duì)不同有機(jī)物吸附作用的不同，分離、提純有機(jī)物，這種方法就是色譜法。常用吸附劑：碳酸鈣、硅膠、氯化鋁、活性炭等。

名師解惑

一、蒸餾

1．實(shí)驗(yàn)裝置圖(如右圖)

2．實(shí)驗(yàn)(含有雜質(zhì)的工業(yè)乙醇的蒸餾)注意事項(xiàng)(1)安裝順序：安裝蒸餾儀器時(shí)要注意先從蒸餾燒瓶裝起，根據(jù)加熱器的高低確定蒸餾燒瓶的位置，然后再接水冷凝管、尾接管、接受器(錐形瓶)，即“自下而上”、“先左后右”。拆卸蒸餾裝置時(shí)順序相反，即“先右后左”。(2)加入幾片碎瓷片，防止液體暴沸。(3)加入工業(yè)乙醇的量應(yīng)占蒸餾燒瓶容積的～，一般為宜。(4)溫度計(jì)的水銀球應(yīng)置于蒸餾燒瓶的支管口處。(5)冷凝管中的冷卻水應(yīng)從下口進(jìn)，上口出。(6)收集到的餾出物叫餾分，它只是某一溫度范圍內(nèi)的蒸餾產(chǎn)物，仍然含有少量雜質(zhì)。

二、重結(jié)晶

1．重結(jié)晶可以使不純凈的物質(zhì)純化，或使混合在一起的物質(zhì)彼此分離。2．重結(jié)晶的效果與溶劑選擇大有關(guān)系，最好選擇對(duì)主要化合物是可溶性的，對(duì)雜質(zhì)是微溶或不溶的溶劑。濾去雜質(zhì)后，將溶液濃縮、冷卻，即得純制的物質(zhì)。3．對(duì)雜質(zhì)的溶解度非常大或非常小，前一種情況雜質(zhì)留于母液內(nèi)，后一種情況趁熱過濾時(shí)雜質(zhì)被濾除。4．溶劑的用量不能太大，如果太大，析出時(shí)留在溶劑中的物質(zhì)會(huì)增加。應(yīng)將不純固體物質(zhì)溶解于適當(dāng)?shù)臒岬娜軇┲兄瞥山咏柡偷娜芤骸?．多次重結(jié)晶得到物質(zhì)的純度更高。

【實(shí)驗(yàn)】苯甲酸的重結(jié)晶步驟：高溫溶解、趁熱過濾、冷卻結(jié)晶。將1g粗苯甲酸加到100mL的燒杯中，再加入50mL蒸餾水，在石棉網(wǎng)上邊攪拌邊加熱，使粗苯甲酸溶解，全溶解后再加入少量蒸餾水。然后使用短頸玻璃漏斗趁熱將溶液過濾到另一個(gè)100mL的燒杯中，將濾液靜置，使其緩慢冷卻結(jié)晶，濾出晶體。

【探究】在苯甲酸重結(jié)晶的實(shí)驗(yàn)中，溫度越低，苯甲酸的溶解度越小，為了得到更多的苯甲酸晶體，結(jié)晶時(shí)的溫度是不是越低越好？

提示：冷卻結(jié)晶時(shí)，并不是溫度越低越好。因?yàn)闇囟冗^低，雜質(zhì)的溶解度也會(huì)降低，部分雜質(zhì)也會(huì)析出，達(dá)不到提純苯甲酸的目的；溫度極低時(shí)，溶劑(水)也會(huì)結(jié)晶，給實(shí)驗(yàn)操作帶來麻煩。

三、萃取

1．液－液萃取是分離、提純有機(jī)物常用的方法，一般是用有機(jī)溶劑從水中萃取有機(jī)物。

①常用的儀器：分液漏斗、燒杯、鐵架臺(tái)。②操作：加萃取劑后充分振蕩，放到鐵架臺(tái)的鐵圈上靜止分層后，先打開分液漏斗上端活塞，再打開下端的旋塞，從下口將下層液體放出，并及時(shí)關(guān)閉旋塞(以防上層液體進(jìn)入下層液體)，上層液體從上口倒出。2．選用萃取劑的原則：①和原溶液中溶劑互不相溶；②溶質(zhì)在萃取劑中的溶解度要大于原溶劑中的溶解度；③萃取劑與被萃取的物質(zhì)要易于分離。

典例導(dǎo)析

知識(shí)點(diǎn)1：混合物的分離、提純的方法

例1

將除去下列括號(hào)內(nèi)的雜質(zhì)通常采用的方法填在橫線上：(1)CH3COONa(NaCl)：__________________。(2)(Br2)：____________________。(3)C2H5OH(CH3COOH)：________________。

解析

蒸餾是根據(jù)液體沸點(diǎn)的不同，重結(jié)晶是根據(jù)固體溶解度的不同，而萃取是根據(jù)液態(tài)物質(zhì)在不同溶劑中溶解度的不同進(jìn)行的分離操作。

答案

(1)重結(jié)晶(2)萃取分液(常選用的是NaOH溶液)(3)加NaOH后蒸餾

跟蹤練習(xí)1

將除去下列括號(hào)內(nèi)的雜質(zhì)通常采用的方法填在橫線上。(1)H2O(NaCl、MgCl2)：__________________。(2)CH3OH(H2O)：______________________。(注：CH3OH為甲醇，沸點(diǎn)為64.7℃)(3)KNO3(NaCl)：________________。

答案

(1)蒸餾(2)蒸餾(可加入生石灰)(3)重結(jié)晶

知識(shí)點(diǎn)2：混合物的分離、提純?cè)噭┑倪x擇

例2

下圖是分離乙酸乙酯、乙酸、乙醇的混合物操作步驟流程圖。請(qǐng)?jiān)趫D中圓括號(hào)內(nèi)填入適當(dāng)?shù)脑噭?，在方括?hào)內(nèi)填入適當(dāng)?shù)姆蛛x方法，在方框內(nèi)填入所分離的有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)式。

解析

三者為互溶的液體，CH3COOCH2CH3不溶于水，CH3COOH、CH3CH2OH均易溶于水，故可先用水溶液分離出CH3COOCH2CH3；乙醇、乙酸的沸點(diǎn)相差不大(78℃，117℃)且極易互溶，故設(shè)法將CH3COOH轉(zhuǎn)化為鹽類，而后利用蒸餾法得到CH3CH2OH，最后將乙酸鹽再轉(zhuǎn)化為CH3COOH，蒸餾得到即可。

答案

a：飽和Na2CO3①分液②蒸餾b：H2SO4③蒸餾A：CH3COOCH2CH3B：CH3CH2OH、CH3COONaC：CH3COONaD：CH3COOHE：CH3CH2OH

跟蹤練習(xí)2

下列實(shí)驗(yàn)方案不合理的是()A．加入飽和Na2CO3溶液除去乙酸乙酯中混有的乙酸等B．可用蒸餾法分離苯和硝基苯的混合物C．可用苯將溴從溴苯中萃取出來D．可用水來鑒別苯、乙醇和四氯化碳

答案

C教學(xué)反思：物質(zhì)的提純也是高考?？嫉膬?nèi)容，如液固分離，液液分離等，在選用提純的方式時(shí)，主要要看分離的物之間相互的關(guān)系。第2課時(shí)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的確定

三維目標(biāo)知識(shí)與技能知道現(xiàn)代物理方法在測(cè)定有機(jī)物的元素組成、相對(duì)分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)中的重要作用過程與方法在探究中嘗試運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)與查閱資料等手段獲取信息，并運(yùn)用比較、歸納等方法對(duì)信息進(jìn)行加工，能對(duì)自己的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行計(jì)劃、反思、評(píng)價(jià)和調(diào)控，提高自主學(xué)習(xí)能力情感、態(tài)度與價(jià)值觀1．感受現(xiàn)代物理學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)有機(jī)化學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用，體驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的有機(jī)化合物研究過程2．體會(huì)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S美、解題的格式美

思維激活

1．怎樣用實(shí)驗(yàn)證明某可燃物分子組成中是否含有碳、氫兩種元素？2．乙醇(CH3CH2OH)和二甲醚(CH3OCH3)的分子式都為C2H6O。你如何確定分子式為C2H6O的物質(zhì)的類別？

提示：乙醇和二甲醚屬于同分異構(gòu)體，通過結(jié)構(gòu)分析能確定二者的類別；借助跟Na反應(yīng)也可以確定二者的類別。

自學(xué)導(dǎo)引

一、元素分析與相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定

1．元素分析定性分析：用化學(xué)方法鑒定有機(jī)物分子的元素組成，如燃燒后C→CO2，H→H2O，Cl→HCl。定量分析：將一定量有機(jī)物燃燒后分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物，并測(cè)定各產(chǎn)物的量，從而推算出各組成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)式：表示有機(jī)物分子所含元素的原子最簡(jiǎn)單的整數(shù)比。(1)實(shí)驗(yàn)方法①李比希氧化產(chǎn)物吸收法

用CuO將僅含C、H、O元素的有機(jī)物氧化，氧化后產(chǎn)物H2O用無水CaCl2吸收，CO2用KOH濃溶液吸收，分別稱出吸收前后吸收劑的質(zhì)量，計(jì)算出碳、氫原子在分子中的含量，其余的為氧原子的含量。

②現(xiàn)代元素分析法(2)數(shù)據(jù)處理碳、氫、氧在某有機(jī)物中的原子個(gè)數(shù)比n(C)∶n(H)∶n(O)＝∶×2∶，元素分析只能確定組成分子的各原子最簡(jiǎn)單的整數(shù)比。2．相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定——質(zhì)譜法(1)原理：用高能電子流等轟擊樣品分子，使該分子失去電子變成帶正電荷的分子離子和碎片離子。分子離子和碎片離子具有不同的相對(duì)質(zhì)量，它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下，到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間將因質(zhì)量的不同而有先后，其結(jié)果被記錄為質(zhì)譜圖。(2)質(zhì)荷比：分子離子與碎片離子的相對(duì)質(zhì)量與其電荷的比值。由上圖可看出，質(zhì)荷比最大的數(shù)據(jù)是46，這就表示了未知物質(zhì)A的相對(duì)分子質(zhì)量。元素質(zhì)量元素質(zhì)量比元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)物的量實(shí)驗(yàn)式相對(duì)分子質(zhì)量通式分子式化學(xué)方程式有機(jī)物的性質(zhì)可能結(jié)構(gòu)確定結(jié)構(gòu)直接法最簡(jiǎn)式法商余法化學(xué)方程式法通式法

二、分子結(jié)構(gòu)的確定

僅僅確定了有機(jī)物的分子式，還不能弄清分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。如前面提到未知物A的相對(duì)分子質(zhì)量為46，實(shí)驗(yàn)式的相對(duì)分子質(zhì)量也為46，因此實(shí)驗(yàn)式就是分子式，即C2H6O，但它可能出現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)：和,因此只有鑒定分子結(jié)構(gòu)才能確定。鑒定結(jié)構(gòu)的方法有物理方法和化學(xué)方法。化學(xué)方法主要是鑒別官能團(tuán)，物理方法主要有紅外光譜、核磁共振氫譜等方法。1．紅外光譜在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動(dòng)的狀態(tài)，其振動(dòng)頻率與紅外光的振動(dòng)頻率相當(dāng)。所以，當(dāng)用紅外線照射有機(jī)物分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動(dòng)吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同的位置，從而可以獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。例如，上面提到的未知物A的紅外光譜圖(如下圖)上發(fā)現(xiàn)有O—H鍵、C—H鍵和C—O鍵的振動(dòng)吸收。

因此，可以初步推測(cè)該未知物A是含羥基的化合物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可寫為C2H5—OH。2．核磁共振氫譜氫原子核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。用核磁共振儀可以記錄到有關(guān)信號(hào)，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時(shí)吸收的頻率不同，在譜圖上出現(xiàn)的位置也不同，且吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比。因此，從核磁共振氫譜圖上可以推知該有機(jī)物分子有幾種不同類型的氫原子及它們的數(shù)目。未知物A(C2H5—OH)的核磁共振氫譜有三個(gè)峰(如圖1)，峰面積之比是1∶2∶3，它們分別為羥基的一個(gè)氫原子、亞甲基(—CH2—)上的兩個(gè)氫原子和甲基上的三個(gè)氫原子的吸收峰。而二甲醚(CH3OCH3)中的六個(gè)氫原子均處于相同的化學(xué)環(huán)境，只有一種氫原子，應(yīng)只有一個(gè)吸收峰(如圖2)。從上述未知物A的紅外光譜和核磁共振氫譜可知：(1)紅外光譜圖表明有羥基(—OH)、C—O鍵和C—H鍵紅外吸收峰。(2)核磁共振氫譜有三種類型氫原子的吸收峰因此，未知物A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式應(yīng)該是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3。

名師解惑

確定有機(jī)物分子式的方法

(1)實(shí)驗(yàn)式法：首先根據(jù)題意求出烴的實(shí)驗(yàn)式，設(shè)為CaHb，＝x，x取值種類方法x＜烷烴根據(jù)烷烴的通式CnH2n＋2，＝x，可求出n值x＝烯烴或環(huán)烷烴先確定相對(duì)分子質(zhì)量，再確定分子式＜x＜1CnH2n－2或CnH2n－6直接用CnH2n－2或CnH2n－6代入驗(yàn)證，看是否符合x＝1C2H2或C6H6或C8H8等需結(jié)合其他條件確定分子式(2)物質(zhì)的量關(guān)系法：由密度或其他條件→求摩爾質(zhì)量→求1mol分子中所含各元素原子的物質(zhì)的量→求分子式。(3)化學(xué)方程式法(代數(shù)法)：利用化學(xué)方程式及題干要求→列方程組→求解未知數(shù)值→求分子式。(4)通式法：題干要求或物質(zhì)性質(zhì)→確定類別及組成通式n值→分子式。(直接法)(5)商余法:M/12M/14

典例導(dǎo)析

知識(shí)點(diǎn)1：核磁共振氫譜的考查

例1

為測(cè)定某有機(jī)化合物A的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：Ⅰ．分子式的確定：(1)將有機(jī)物A置于氧氣流中充分燃燒，實(shí)驗(yàn)測(cè)得生成5.4gH2O和8.8gCO2，消耗氧氣6.72L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，則該物質(zhì)中各元素的原子個(gè)數(shù)比是________。(2)用質(zhì)譜儀測(cè)定該有機(jī)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量得到如圖①所示質(zhì)譜圖，則其相對(duì)分子質(zhì)量為________，該物質(zhì)的分子式是________。(3)根據(jù)價(jià)鍵理論，預(yù)測(cè)A的可能結(jié)構(gòu)并寫出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式：____________________________。

Ⅱ．結(jié)構(gòu)式的確定：(4)核磁共振氫譜能對(duì)有機(jī)物分子中不同位置的氫原子給出不同的峰值(信號(hào))，根據(jù)峰值(信號(hào))可以確定分子中氫原子的種類和數(shù)目。例如：甲基氯甲基醚(Cl—CH2—O—CH3)有兩種氫原子，如圖②。經(jīng)測(cè)定，有機(jī)物A的核磁共振氫譜示意圖如圖③，則A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為________________。

解析

(1)據(jù)題意有：n(H2O)＝0.3mol，則有n(H)＝0.6mol；n(CO2)＝0.2mol，則有n(C)＝0.2mol。據(jù)氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3mol＋2×0.2mol－2×＝0.1mol，則N(C)∶N(H)∶N(O)＝n(C)∶n(H)∶n(O)＝2∶6∶1。(2)據(jù)(1)可知該有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式為C2H6O，假設(shè)該有機(jī)物的分子式為(C2H6O)m，由質(zhì)譜圖知其相對(duì)分子質(zhì)量為46，則46m＝46，即m＝1，故其分子式為C2H6O。(3)由A的分子式為C2H6O可知A為飽和化合物，可推測(cè)其結(jié)構(gòu)為CH3CH2OH或CH3OCH3。(4)分析A的核磁共振氫譜圖可知：A有三種不同類型的H原子，CH3OCH3只有一種類型的H原子，故A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3CH2OH。

答案

(1)2∶6∶1(2)46；C2H6O(3)CH3CH2OH，CH3—O—CH3(4)CH3CH2OH

知識(shí)點(diǎn)2：紅外光譜的考查

例2

下圖是一種分子