高中化学人教版有机化学基础第三章烃的含氧衍生物第三节羧酸酯 全国获奖

人教版选修5第三章烃的含氧衍生物第三节羧酸酯第一课时羧酸教学设计3【教学目标】1.掌握羧基的结构特点和性质特2.掌握酯基的结构特点和性质特点3.掌握羧酸的化学性质【教学过程】我国是一个酒的国度，五粮液享誉海内外，国酒茅台香飘万里。“酒是越陈越香”。你们知道是什么原因吗？这一节课我们就来学习羧酸、酯。在必修2中对乙酸的物理性质、化学性质有了初步了解，知道乙酸具有酸性、能发生酯化反应。在此基础上，本节课继续以乙酸为代表学习羧酸的结构及性质，理解酯化反应的反应机理。本节位于人教版《选修5》第三章第三节，是关于羧酸类物质的内容，在有机化学学习中有承上启下的作用。一、乙酸1.分子式：C2H4O2、结构式：；纯净乙酸（冰乙酸、冰醋酸）在16.6℃以下为针状晶体。[思考]无水乙酸又称冰醋酸（熔点16.6℃2.羧酸的官能团为：羧基，通式为：-COOH代表物乙酸的化学式为：C2H4O2核磁共振氢变有2个吸收峰，峰的面积比为：3：1。说明乙酸中有2种H原子，数目比为：3：1。所以乙酸的结构简式为：CH3COOH二、乙酸化学性质1.乙酸的酸性[探究]初中化学已介绍过乙酸是一种有机弱酸，请同学们根据现有的化学药品或自己寻找合适的试剂设计实验方案①证明乙酸有酸性；②比较乙酸、碳酸、苯酚的强弱。[提供药品]镁粉氢氧化钠溶液氧化铜固体硫酸铜溶液碳酸钠粉末乙酸苯酚紫色石蕊试液无色酚酞试液等。实验方案：2.酯化反应［实验］乙酸乙酯的制取：学生分三组做如下实验，实验结束后，互相比较所获得产物的量。第1组在一支试管中加入3mL乙醇和2mL乙酸，按教材P63，图3-21连接好装置，用酒精灯缓慢加热，将产生的蒸气经导管通到盛有饱和碳酸钠溶液的接受试管的液面上，观察现象。第2组在一支试管中加入3mL乙醇，然后边振荡边慢慢加入2mL浓硫酸和2mL乙酸，按教材P71，图3-16连接好装置，用酒精灯缓慢加热，将产生的蒸气经导管通到盛有水的接受试管的液面上，观察现象。第3组在一支试管中加入3mL乙醇，然后边振荡边慢慢加入2mL浓硫酸和2mL乙酸，按教材P71，图3-16连接好装置，用酒精灯缓慢加热，将产生的蒸气经导管通到盛有饱和碳酸钠溶液的接受试管的液面上，观察现象。强调：①试剂的添加顺序；②导管末端不要插入到接受试管液面以下；③加热开始要缓慢。4.请同学们思考以下问题（1）为什么要先加入乙醇，然后边振荡边慢慢加入浓硫酸和乙酸？提示：此操作相当于浓硫酸的稀释，乙醇和浓硫酸相混会瞬间产生大量的热量,并且由于乙醇的密度比浓硫酸小，如果把乙醇加入浓硫酸中，热量会使得容器中的液体沸腾飞溅，可能烫伤操作者。（2）导管末端为什么不能插入到接受试管液面以下？提示：防止加热不均匀，使溶液倒吸。（3）除了采用这样一种方法防止倒吸外，此装置还有哪些其它改进方法？提示：可以将吸收装置改为导管连接干燥管，干燥管下端插入液面以下防止倒吸（或其它合理方法）。（4）为什么刚开始加热时要缓慢？提示：防止反应物还未来得及反应即被加热蒸馏出来，造成反应物的损失。所以此装置也可以看作是一个简易的蒸馏装置，那么，装置的哪一部分相当于蒸馏烧瓶？哪一部分相当于冷凝管？提示：作为反应容器的试管相当于蒸馏烧瓶，导管相当于冷凝管，不是用水冷却而是用空气冷却。（5）开始时缓慢加热是不是在产物中就不会混入乙酸和乙醇了？如何验证？提示：用蓝色石蕊试纸来检验，如果变红，说明有乙酸；乙醇可以用红热的铜丝与之反应后显红色来检验。盛有饱和碳酸钠溶液的试管不能用石蕊来检验是否含有乙酸，其实只要将试管振荡一下，看是否有气泡逸出就可以了；接受试管中有大量的水，其中溶解的少量乙醇可能无法通过CuO与乙醇的反应来验证，但可根据有乙酸挥发出来，推知也会有乙醇挥发出来。（6）接受试管中有什么现象？所获得产物的量多少如何？提示：第1组接受试管内无明显现象，第2、3组实验中接受试管内有分层现象，并有浓厚的果香气味。从对比结果来看，第1组做法几乎没有收集到产物；第2组做法得到一定量的产物；第3组做法收集到的产物的量最多。（7）为什么第一组做法几乎没有得到乙酸乙酯？提示：CH3COOH跟C2H5OH发生酯化反应是有机物分子间的反应，在不加浓硫酸时，即使在加热条件下，反应速率仍很慢，所以当混合物加热时，蒸气成分是CH3COOH和C2H5OH的蒸气，乙酸乙酯的蒸气极少甚至可以说没有，当然在Na2CO3溶液的液面上不会收集到乙酸乙酯。由此可见，浓硫酸主要起催化作用，其次，因为制取乙酸乙酯的反应是可逆的，所以浓硫酸也能除去生成物中的水，有利于反应向生成物方向进行。（8）在该反应中，为什么要强调加冰醋酸和无水乙醇，而不用他们的水溶液？提示：因为冰醋酸与无水乙醇基本不含水，可以促使反应向生成酯的方向进行。前面的实验中，为了获取更多的乙酸乙酯，我们除了利用浓硫酸除去生成物中的水，促使反应向生成物方向进行外，还用到了其它什么方法促使反应向生成物方向进行？制取乙酸乙酯的实验同时还是一个简易的蒸馏装置，边反应边蒸馏，使生成物及时从反应体系中分离出去，也有利于试管内的反应向生成物方向进行。（9）第二组做法比第三组做法得到的乙酸乙酯的量明显少，试分析原因，并设计实验证明你的分析是正确的。提示：由于加入了催化剂浓硫酸，反应速率大大加快了。加热时，蒸馏出的蒸气的成分是乙酸乙酯、乙醇和乙酸，冷凝成液体后收集在盛水的试管中，但乙酸和乙醇是溶于水的，乙酸乙酯作为有机物，又易溶于乙酸和乙醇这样的有机溶剂中，所以必然有部分乙酸乙酯溶在乙酸和乙醇的水溶液中，因而收集量减少；但试管中如果盛放Na2CO3溶液，可以除去乙酸，溶解乙醇，减少乙酸乙酯在溶液中的溶解量，提高收集效率，并提高乙酸乙酯的纯度，因而收集量要多。［实验证明］取等浓度、等体积的乙酸（或乙醇）溶液和碳酸钠溶液，分别盛放于两支试管中，再分别加入等体积乙酸乙酯，振荡后静置，结果是盛乙酸（或乙醇）溶液的试管中的乙酸乙酯变少，另一个几乎无变化。（需要注意的是，在此，学生往往会提出乙醇没有与Na2CO3反应的问题，更进一步的解释应是“冷凝液中的乙酸被Na2CO3中和生成CH3COONa，CH3COONa和溶液中大量的Na2CO3都属于离子化合物，增强了溶剂的极性，降低了乙酸乙酯在溶液中的溶解量”。但考虑到分子的极性和相似相溶原理在选修3《物质结构与性质》中才学习到，因此暂不宜引申）5.[科学探究]在上述这个酯化反应中，生成物水中的氧原子是由乙酸分子中的羧基上的羟基提供，还是由乙醇分子的羟基提供？如何能证明你的判断是正确的？能否提供理论或实验依据？（学生充分思考和讨论，提出设想）提示：脱水有两种情况，（1）酸脱羟基醇脱氢；（2）醇脱羟基酸脱氢。在化学上为了辨明反应历程，常用同位素示踪法。即把某些分不清的原子做上记号，类似于侦察上的跟踪追击。事实上，科学家把乙醇分子中的氧原子换成放射性同位素18O，结果检测到只有生成的乙酸乙酯中才有18O，说明脱水情况为第一种，即乙酸与乙醇在浓硫酸作用下发生酯化反应的机理是“酸脱羟基醇脱氢”。放射性同位素示踪法可用于研究化学反应机理，是匈牙利科学家海维西首先使用的，他因此获得1943年诺贝尔化学奖。用含18O的醇跟羧酸起酯化反应，形成含有18O的酯，证明这种酯化反应的实质是：羧酸脱去羧基上的羟基，醇脱去羟基上的氢原子。关于酯化反应的脱水方式即酯化反应的实质问题，化学史上科学家们确实有上述两种不同的看法，后来有科学家将乙醇分子中羟基上的氧用18O做标记，即用含18O的乙醇与乙酸反应，结果测得乙酸乙酯中含有18O，从而揭示了酯化反应的实质（按方式二脱水，即：酸脱羟基醇脱氢）。用以证明酯化反应实质的这种实验方法叫做“同位素示踪法”，这是一种先进的实验方法。酯化反应原理：酸脱羟基、醇脱氢原子［小结］酒在放置过程中，其中的乙醇有部分逐渐转化为乙酸，乙酸和乙醇缓慢反应生成了具有香味的乙酸乙酯。很多鲜花和水果的香味都来自酯的混合物。现在还可能通过人工方法合成各种酯，用作各种饮料、糖果、香水、化妆品等的香料。三、羧酸1.羧酸是由烃基与羧基相连组成的有机化合物。羧基是羧酸的官能团。提示：羧酸有不同的分类方法：可以按烃基的种类的不同分为脂肪酸和芳香酸；可以按羧基数目的不同，可以分为一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸。提示：一元羧酸的通式为R—COOH，饱和一元脂肪酸的分子通式为CnH2nO2或CnH2n+1—COOH。分子式相同的羧酸、羧酸酯、羟基醛、羟基酮等互为同分异构体。羧酸的沸点比相应的醇的沸点高，碳原子数在4以下的羧基能与水互溶，随着分子中碳链的增长，羧酸在水中的溶解度迅速减小，直到与相对分子质量相近的烷烃的溶解度相近。羧酸的通性之一是弱酸性。由于羧基能电离出H＋，使羧酸具有弱酸性。因而羧酸具有酸类物质的通性。2.羧酸的通性(1)常见一元羧酸的酸性强弱顺序为：甲酸、苯甲酸、乙酸、碳酸(2)酯化反应R1—COOH+R2-CH2OHR1-COO—CH2-R2+H2O提示：无水含氧酸与醇作用也能生成酯，如C2H5OH+HONO2C2H5-O-NO2+H2O由于羟基的影响，羧基中的羰基比醛、酮分子中的羰基较难发生加成反应，但在特殊试剂如LiAlH4的作用下可将羧酸还原为醇。(3)还原反应3.羧酸的命名选含羧基的最长的碳链作为主链，按主链碳原子数称某酸；从羧基开始给主链碳原子编号；在某酸名称之前加入取代基的位次号和名称。4.重要的羧酸—甲酸提示：甲酸俗称蚁酸，是有刺激性气味的液体，有腐蚀性，能与水、乙醇、乙醚、甘油等互溶。甲酸分子中即含有羟基又有醛基，因而能表现出羧酸和醛两类物质的性质。如显酸性、能酯化(表现出—COOH的性质)、能发生银镜反应和被新制的Cu(OH)2氧化(表现出-CHO的性质)甲酸在工业上可用作还原剂，在医疗上可用作消毒剂。甲酸的性质甲酸与银氨溶液的反应：HCOOH+2Ag(NH3)2OH→CO2↑+2H2O+4NH3↑+2Ag甲酸与Cu(OH)2的反应：2HCOOH+Cu(OH)2→(HCOO)2Cu+2H2O提示：除此之外，苯甲酸俗称安息香酸，是白色针状晶体，易升华，微溶于水，易溶于乙酸、乙醚。苯甲酸及其钠盐或钾盐常用作防腐剂。乙二酸俗称草酸，是无色透明晶体，能溶于水或乙醇，通常以结晶水合物形式存在。草酸钙难溶于水，是人体膀胱结石和肾结石的主要成分。高级脂肪酸指的是分子中含碳原子数较多的脂肪酸，它们的酸性很弱，在水中的溶解度不大甚至难溶于水，硬脂酸(C17H35COOH)、软脂酸(C15H31COOH)、油酸(C17H33COOH)、亚油酸(C17H31COOH)都是常见的高级脂肪酸。酯是羧酸分子中羧基上的羟基(—OH)被烃氧化(-OR)取代后的产物。酯是一种羧酸衍生物，其分子是由基和烃氧基相连构成生活中的有机酸在你的知识网络里，无机酸的名字经常出现，其实，有机酸的种类比无机酸的还要繁多。除了前面已学过的甲酸（蚁酸）、乙酸（醋酸）以外，生活中还会经常会遇到一些有机酸。当你看一眼鲜红的山楂、杨梅或咬一口不熟的苹果时，都会被“酸”得流出口水来。这是因为水果中含有一种叫做苹果酸的有机酸，是最初从苹果中获得因而得名，未成熟的苹果里苹果酸的含量较多。苹果酸的学名叫羟基丁二酸。菠菜吃起来有涩味，这是因为菠菜里含有较多的草酸。草酸容易与钙质反应生成难溶的草酸钙，影响人体对钙质的吸收。如果把菠菜先用开水烫一下，可除去部分草酸，减少涩味。草酸的学名叫乙二酸。同学们在夏天时都喜欢喝饮料或自制汽水饮料，那就离不开一种叫柠檬酸的有机酸，在柠檬、葡萄及桔科植物的果实中都含有较多的柠檬酸。牛奶放置时间长了也会变酸，这是因为牛奶中含有不少乳糖，在微生物的作用下乳糖分解而变成乳酸。乳酸最初就是从牛奶中得到并由此而得名的。人们在剧烈运动或劳动后会感到肌肉酸痛，也是由于乳酸在肌肉内积存过多的缘故，经过一段时间的休息之后，乳酸就逐渐转化为水和二氧化碳而使痛感消失。乳酸的学名叫α—羟基丙酸。在制革工业中离不开鞣酸，因为它能把生皮变成皮革（即鞣皮），鞣酸的名字也就是这样得来的。制药工业中更少不了有机酸，例如，常用的解热镇痛药阿斯匹林（学名乙酰水杨酸）就是由水杨酸和醋酸酐反应制得的。水杨酸的酒精溶液以及苯甲酸软膏、十一烯酸等又可用来治疗因霉菌引起的癣病。水杨酸的学名叫邻羟基苯甲酸。四、检测题1.苯甲酸常用作食品添加剂。下列有关苯甲酸的说法正确的是()A．其同系物中相对分子质量最小的是C7H6O2B．其分子中所有碳原子共面C．若与醇反应得到碳、氢原子个数比为910的酯，则该醇一定是乙醇D．其钠盐可用作奶粉中的抗氧化剂2.当乙酸分子中的O都是18O，乙醇分子中的O都是16O，二者在一定条件下反应所生成的水的相对分子质量为()A．16 B．18C．20 D．223.1molX能与足量碳酸氢钠溶液反应放出LCO2(标准状况)，则X的分子式是()A．C5H10O4 B．C4H8O4C．C3H6O4 D．C2H2O44.分枝酸在微生物、植物的芳香族氨基酸的生物合成系统中作为中间体，其结构简式如图。下列关于分枝酸的叙述不正确的是()A．分枝酸的分子式为C10H10O6B．1mol分枝酸最多消耗3molNaOHC．分枝酸分子中含2个手性碳原子D．一定条件下，分枝酸可发生取代、加成、氧化和聚合反应5.为了证明甲酸溶液中混有甲醛，正确的实验操作是()A．加入硝酸银溶液，在水浴中加热B．加入2～3滴紫色石蕊试液C．加入足量的NaOH溶液后蒸馏，用馏出液进行银镜反应实验D．先蒸馏，然后对馏出液进行银镜反应实验6.巴豆酸的结构简式为CH3—CH=CH—COOH。现有下列物质，试根据巴豆酸的结构特点，判断在一定条件下，能与巴豆酸反应的物质是()①氯化氢②溴水③纯碱溶液④2­丁醇⑤酸性KMnO4溶液A．②④⑤ B．①③④C．①②③④ D．①②③④⑤7.等浓度的下列稀溶液：①乙酸、②苯酚、③碳酸、④乙醇，它们的pH由小到大排列正确的是（）A．④②③① B．③①②④ C．①②③④ D．①③②④8樱桃是一种抗氧化的水果，对人体有很大的益处，樱桃中含有一种羟基酸具有健脾作用。下列有关说法正确的是()A．该羟基酸含有3种不同化学环境的氢原子B．通常条件下，该羟基酸可以发生取代、消去和加成反应C．该羟基酸可以使酸性高锰酸钾溶液褪色D．含1mol该羟基酸的溶液可与含3mol氢氧化钠的溶液恰好完全反应.9.酯化反应类型填空（1）(2023·新课标全国卷Ⅱ改编)有机物E合成Ⅰ，其结构简式为_________________________________；（2）(2023·天津高考)水杨酸()和含羟基的有机物生的条件是____________；（3）(2023·安徽高考)由HOOCCH2CH2COOH和HOCH2CH2OH合成一种可降解的聚酯类高分子材料，化学方程式为__________________________________________________。参考答案1.【解析】苯甲酸的同系物中相对分子质量最小的是C8H8O2，A错；分子中所有碳原子共面，B正确；C项中的醇可能是乙二醇，C错；苯甲酸钠不能用作奶粉中的抗氧化剂，D错。【答案】B2.【解析】抓住酯化反应的机理，即“酸脱羟基，醇脱氢”，可知生成的水中有18O，Heq\o\al(18,2)O的相对分子质量为20，选C项。【答案】C3.【解析】1molX能与足量碳酸氢钠溶液反应放出LCO2(标准状况)，说明X中含有2个—COOH，饱和的二元羧酸的通式为Cn