研究有机化合物的一般步骤和方法

第四节研究有机化合物的一般步骤和方法

第1课时有机物的分离与提纯

三维目标知识与技能初步了解研究有机化合物的一般步骤；初步学会分离、提纯有机物的常规方法(蒸馏法、重结晶法、萃取分液法)过程与方法体验有机物组成的研究过程，通过实验操作过程，学习科学探究方法，提高科学探究能力，逐步形成独立思考的能力，善于与人合作，具有团队精神情感、态度与价值观通过实验、讨论、交流、合作，从实验探究中体验艰辛和喜悦，培养科学探究方法

思维激活

发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的，在相当长的历史时期内，曾是生产乙醇的唯一工业方法。发酵液中乙醇的质量分数约为6%～10%，工业酒精的质量分数为95%。你知道工业上是如何从发醇液中提纯制取95%的工业酒精吗？

自学导引

分离、提纯

研究有机化合物一般要经过以下几个基本步骤：分离、提纯→元素定量分析→测定相对分子质量→波谱分析元素定量分析确定实验式，测定相对分子质量确定分子式，波谱分析确定结构式。1．蒸馏蒸馏是分离、提纯液态有机物的常用方法。适用条件：

①有机物的热稳定性较强；

②有机物与杂质的沸点相差较大(一般相差大于30℃)。2．重结晶重结晶是提纯固态有机物的常用方法。适用条件：

①杂质在所选溶剂中溶解度很小或溶解度很大，易于除去。

②被提纯的有机物在所选溶剂中的溶解度受温度的影响较大。该有机物在热溶液中的溶解度较大，在冷溶液中的溶解度较小，冷却后易于结晶析出。实验装置与操作步骤

加热溶解→趁热过滤→冷却结晶08年广东卷:原因和方法

3．萃取与分液(1)萃取包括液－液萃取和固－液萃取。液－液萃取的原理是：利用有机物在两种互不相溶的溶剂中的溶解性不同，将有机物从一种溶剂中转移到另一种溶剂中的过程。固－液萃取的原理是：用有机溶剂从固体物质中溶解出有机物的过程。(2)分液：利用互不相溶的液体的密度不同，用分液漏斗将它们一一分离出来。如下图所示：(3)操作方法：①混合振荡；②静置分层；③分液。4．色谱法原理：利用吸附剂对不同有机物吸附作用的不同，分离、提纯有机物，这种方法就是色谱法。常用吸附剂：碳酸钙、硅胶、氯化铝、活性炭等。

名师解惑

一、蒸馏

1．实验装置图(如右图)

2．实验(含有杂质的工业乙醇的蒸馏)注意事项(1)安装顺序：安装蒸馏仪器时要注意先从蒸馏烧瓶装起，根据加热器的高低确定蒸馏烧瓶的位置，然后再接水冷凝管、尾接管、接受器(锥形瓶)，即“自下而上”、“先左后右”。拆卸蒸馏装置时顺序相反，即“先右后左”。(2)加入几片碎瓷片，防止液体暴沸。(3)加入工业乙醇的量应占蒸馏烧瓶容积的～，一般为宜。(4)温度计的水银球应置于蒸馏烧瓶的支管口处。(5)冷凝管中的冷却水应从下口进，上口出。(6)收集到的馏出物叫馏分，它只是某一温度范围内的蒸馏产物，仍然含有少量杂质。

二、重结晶

1．重结晶可以使不纯净的物质纯化，或使混合在一起的物质彼此分离。2．重结晶的效果与溶剂选择大有关系，最好选择对主要化合物是可溶性的，对杂质是微溶或不溶的溶剂。滤去杂质后，将溶液浓缩、冷却，即得纯制的物质。3．对杂质的溶解度非常大或非常小，前一种情况杂质留于母液内，后一种情况趁热过滤时杂质被滤除。4．溶剂的用量不能太大，如果太大，析出时留在溶剂中的物质会增加。应将不纯固体物质溶解于适当的热的溶剂中制成接近饱和的溶液。5．多次重结晶得到物质的纯度更高。

【实验】苯甲酸的重结晶步骤：高温溶解、趁热过滤、冷却结晶。将1g粗苯甲酸加到100mL的烧杯中，再加入50mL蒸馏水，在石棉网上边搅拌边加热，使粗苯甲酸溶解，全溶解后再加入少量蒸馏水。然后使用短颈玻璃漏斗趁热将溶液过滤到另一个100mL的烧杯中，将滤液静置，使其缓慢冷却结晶，滤出晶体。

【探究】在苯甲酸重结晶的实验中，温度越低，苯甲酸的溶解度越小，为了得到更多的苯甲酸晶体，结晶时的温度是不是越低越好？

提示：冷却结晶时，并不是温度越低越好。因为温度过低，杂质的溶解度也会降低，部分杂质也会析出，达不到提纯苯甲酸的目的；温度极低时，溶剂(水)也会结晶，给实验操作带来麻烦。

三、萃取

1．液－液萃取是分离、提纯有机物常用的方法，一般是用有机溶剂从水中萃取有机物。

①常用的仪器：分液漏斗、烧杯、铁架台。②操作：加萃取剂后充分振荡，放到铁架台的铁圈上静止分层后，先打开分液漏斗上端活塞，再打开下端的旋塞，从下口将下层液体放出，并及时关闭旋塞(以防上层液体进入下层液体)，上层液体从上口倒出。2．选用萃取剂的原则：①和原溶液中溶剂互不相溶；②溶质在萃取剂中的溶解度要大于原溶剂中的溶解度；③萃取剂与被萃取的物质要易于分离。

典例导析

知识点1：混合物的分离、提纯的方法

例1

将除去下列括号内的杂质通常采用的方法填在横线上：(1)CH3COONa(NaCl)：__________________。(2)(Br2)：____________________。(3)C2H5OH(CH3COOH)：________________。

解析

蒸馏是根据液体沸点的不同，重结晶是根据固体溶解度的不同，而萃取是根据液态物质在不同溶剂中溶解度的不同进行的分离操作。

答案

(1)重结晶(2)萃取分液(常选用的是NaOH溶液)(3)加NaOH后蒸馏

跟踪练习1

将除去下列括号内的杂质通常采用的方法填在横线上。(1)H2O(NaCl、MgCl2)：__________________。(2)CH3OH(H2O)：______________________。(注：CH3OH为甲醇，沸点为64.7℃)(3)KNO3(NaCl)：________________。

答案

(1)蒸馏(2)蒸馏(可加入生石灰)(3)重结晶

知识点2：混合物的分离、提纯试剂的选择

例2

下图是分离乙酸乙酯、乙酸、乙醇的混合物操作步骤流程图。请在图中圆括号内填入适当的试剂，在方括号内填入适当的分离方法，在方框内填入所分离的有关物质的化学式。

解析

三者为互溶的液体，CH3COOCH2CH3不溶于水，CH3COOH、CH3CH2OH均易溶于水，故可先用水溶液分离出CH3COOCH2CH3；乙醇、乙酸的沸点相差不大(78℃，117℃)且极易互溶，故设法将CH3COOH转化为盐类，而后利用蒸馏法得到CH3CH2OH，最后将乙酸盐再转化为CH3COOH，蒸馏得到即可。

答案

a：饱和Na2CO3①分液②蒸馏b：H2SO4③蒸馏A：CH3COOCH2CH3B：CH3CH2OH、CH3COONaC：CH3COONaD：CH3COOHE：CH3CH2OH

跟踪练习2

下列实验方案不合理的是()A．加入饱和Na2CO3溶液除去乙酸乙酯中混有的乙酸等B．可用蒸馏法分离苯和硝基苯的混合物C．可用苯将溴从溴苯中萃取出来D．可用水来鉴别苯、乙醇和四氯化碳

答案

C教学反思：物质的提纯也是高考常考的内容，如液固分离，液液分离等，在选用提纯的方式时，主要要看分离的物之间相互的关系。第2课时有机物分子结构的确定

三维目标知识与技能知道现代物理方法在测定有机物的元素组成、相对分子质量和分子结构中的重要作用过程与方法在探究中尝试运用观察、实验与查阅资料等手段获取信息，并运用比较、归纳等方法对信息进行加工，能对自己的学习过程进行计划、反思、评价和调控，提高自主学习能力情感、态度与价值观1．感受现代物理学及计算机技术对有机化学发展的推动作用，体验严谨、求实的有机化合物研究过程2．体会逻辑严谨的思维美、解题的格式美

思维激活

1．怎样用实验证明某可燃物分子组成中是否含有碳、氢两种元素？2．乙醇(CH3CH2OH)和二甲醚(CH3OCH3)的分子式都为C2H6O。你如何确定分子式为C2H6O的物质的类别？

提示：乙醇和二甲醚属于同分异构体，通过结构分析能确定二者的类别；借助跟Na反应也可以确定二者的类别。

自学导引

一、元素分析与相对分子质量的测定

1．元素分析定性分析：用化学方法鉴定有机物分子的元素组成，如燃烧后C→CO2，H→H2O，Cl→HCl。定量分析：将一定量有机物燃烧后分解为简单有机物，并测定各产物的量，从而推算出各组成元素的质量分数。实验式：表示有机物分子所含元素的原子最简单的整数比。(1)实验方法①李比希氧化产物吸收法

用CuO将仅含C、H、O元素的有机物氧化，氧化后产物H2O用无水CaCl2吸收，CO2用KOH浓溶液吸收，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，其余的为氧原子的含量。

②现代元素分析法(2)数据处理碳、氢、氧在某有机物中的原子个数比n(C)∶n(H)∶n(O)＝∶×2∶，元素分析只能确定组成分子的各原子最简单的整数比。2．相对分子质量的测定——质谱法(1)原理：用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。分子离子和碎片离子具有不同的相对质量，它们在磁场的作用下，到达检测器的时间将因质量的不同而有先后，其结果被记录为质谱图。(2)质荷比：分子离子与碎片离子的相对质量与其电荷的比值。由上图可看出，质荷比最大的数据是46，这就表示了未知物质A的相对分子质量。元素质量元素质量比元素质量分数产物的量实验式相对分子质量通式分子式化学方程式有机物的性质可能结构确定结构直接法最简式法商余法化学方程式法通式法

二、分子结构的确定

仅仅确定了有机物的分子式，还不能弄清分子内部的结构。如前面提到未知物A的相对分子质量为46，实验式的相对分子质量也为46，因此实验式就是分子式，即C2H6O，但它可能出现两种结构：和,因此只有鉴定分子结构才能确定。鉴定结构的方法有物理方法和化学方法。化学方法主要是鉴别官能团，物理方法主要有红外光谱、核磁共振氢谱等方法。1．红外光谱在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。例如，上面提到的未知物A的红外光谱图(如下图)上发现有O—H键、C—H键和C—O键的振动吸收。

因此，可以初步推测该未知物A是含羟基的化合物，结构简式可写为C2H5—OH。2．核磁共振氢谱氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目。未知物A(C2H5—OH)的核磁共振氢谱有三个峰(如图1)，峰面积之比是1∶2∶3，它们分别为羟基的一个氢原子、亚甲基(—CH2—)上的两个氢原子和甲基上的三个氢原子的吸收峰。而二甲醚(CH3OCH3)中的六个氢原子均处于相同的化学环境，只有一种氢原子，应只有一个吸收峰(如图2)。从上述未知物A的红外光谱和核磁共振氢谱可知：(1)红外光谱图表明有羟基(—OH)、C—O键和C—H键红外吸收峰。(2)核磁共振氢谱有三种类型氢原子的吸收峰因此，未知物A的结构简式应该是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3。

名师解惑

确定有机物分子式的方法

(1)实验式法：首先根据题意求出烃的实验式，设为CaHb，＝x，x取值种类方法x＜烷烃根据烷烃的通式CnH2n＋2，＝x，可求出n值x＝烯烃或环烷烃先确定相对分子质量，再确定分子式＜x＜1CnH2n－2或CnH2n－6直接用CnH2n－2或CnH2n－6代入验证，看是否符合x＝1C2H2或C6H6或C8H8等需结合其他条件确定分子式(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。(3)化学方程式法(代数法)：利用化学方程式及题干要求→列方程组→求解未知数值→求分子式。(4)通式法：题干要求或物质性质→确定类别及组成通式n值→分子式。(直接法)(5)商余法:M/12M/14

典例导析

知识点1：核磁共振氢谱的考查

例1

为测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：Ⅰ．分子式的确定：(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得生成5.4gH2O和8.8gCO2，消耗氧气6.72L(标准状况下)，则该物质中各元素的原子个数比是________。(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量得到如图①所示质谱图，则其相对分子质量为________，该物质的分子式是________。(3)根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式：____________________________。

Ⅱ．结构式的确定：(4)核磁共振氢谱能对有机物分子中不同位置的氢原子给出不同的峰值(信号)，根据峰值(信号)可以确定分子中氢原子的种类和数目。例如：甲基氯甲基醚(Cl—CH2—O—CH3)有两种氢原子，如图②。经测定，有机物A的核磁共振氢谱示意图如图③，则A的结构简式为________________。

解析

(1)据题意有：n(H2O)＝0.3mol，则有n(H)＝0.6mol；n(CO2)＝0.2mol，则有n(C)＝0.2mol。据氧原子守恒有n(O)＝n(H2O)＋2n(CO2)－2n(O2)＝0.3mol＋2×0.2mol－2×＝0.1mol，则N(C)∶N(H)∶N(O)＝n(C)∶n(H)∶n(O)＝2∶6∶1。(2)据(1)可知该有机物的实验式为C2H6O，假设该有机物的分子式为(C2H6O)m，由质谱图知其相对分子质量为46，则46m＝46，即m＝1，故其分子式为C2H6O。(3)由A的分子式为C2H6O可知A为饱和化合物，可推测其结构为CH3CH2OH或CH3OCH3。(4)分析A的核磁共振氢谱图可知：A有三种不同类型的H原子，CH3OCH3只有一种类型的H原子，故A的结构简式为CH3CH2OH。

答案

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

知识点2：红外光谱的考查

例2

下图是一种分子