新教材2023年秋高中化学第1章有机化合物的结构特点与研究方法第2节研究有机化合物的一般方法课件新人教版选择性必修3

第二节研究有机化合物的一般方法课前·基础认知课堂·重难突破素养·目标定位随堂训练素养·目标定位1.通过蒸馏法、萃取法、重结晶法实验原理和基本操作的学习,认识科学探究过程的步骤,学会设计科学探究方案。2.能够运用所学知识分离和提纯简单的混合物,培养科学探究与创新意识的化学学科核心素养。3.通过查阅资料或观看影像资料,能说出测定有机化合物分子结构的常用仪器分析方法,能结合简单图谱信息分析判断有机化合物的分子结构,能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。目标素养知识概览课前·基础认知一、分离、提纯1.研究有机化合物的基本步骤。分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定分子结构2.有机化合物粗品必须经过分离、提纯才能得到较为纯净的物质;提纯有机化合物的基本方法是利用有机化合物与杂质

物理性质的差异

将它们分离。

3.蒸馏。(1)应用范围:分离、提纯互相溶解的

液态

有机化合物。(2)适用条件:①有机化合物

热稳定性

较高;

②有机化合物与杂质的

沸点

相差较大(一般约大于30℃)。(3)实验装置(写出相应仪器的名称):微解读1(1)蒸馏烧瓶需垫陶土网加热;(2)温度计的水银球应位于蒸馏烧瓶支管口处;(3)蒸馏烧瓶中应加入碎瓷片(或沸石)以防止暴沸;(4)冷凝管中水的流向为下口流入,上口流出。4.萃取。萃取包括液—液萃取和固—液萃取。作萃取用的溶剂称为

萃取剂

。

常用的萃取剂有乙醚(C2H5OC2H5)、乙酸乙酯、二氯甲烷等。(1)萃取原理:①液—液萃取是利用待分离组分在

两种不互溶的

溶剂中的

溶解度

不同,将其从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程;

②固—液萃取是用溶剂从

固体物质

中溶解出待分离组分的过程。

(2)萃取装置(写出相应仪器的名称):微解读2萃取分液时,先将下层液体从分液漏斗的下口放出,再将上层液体从分液漏斗的上口倒出。微思考1有的同学认为萃取溴水中的溴,可以用酒精作为萃取剂。你同意他的观点吗?为什么?提示:不同意。萃取剂的选择应符合以下条件:(1)萃取剂与原溶剂要互不相溶;(2)溶质在萃取剂中的溶解度要大于在原溶剂中的溶解度;(3)萃取剂与原溶剂、溶质等均不能发生化学反应等。而酒精(萃取剂)与水(原溶剂)相互溶解,所以不能选用酒精作为萃取剂。应该选用苯或CCl4等作为萃取剂。5.重结晶。(1)原理:利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的

溶解度

不同而将杂质除去。采用冷却或蒸发将有机化合物分离出来,是提纯

固体有机化合物

的常用方法。

(2)溶剂的选择: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被提纯的有机化合物在所选溶剂中的溶解度受

温度

的影响较大,能够进行

冷却结晶

。

(3)苯甲酸重结晶的实验装置及步骤:微解读3(1)重结晶步骤中的第二步是为了除去不溶性杂质。若第一步得到的是饱和溶液,过滤时会因溶液的温度降低而析出一部分溶质,造成损失,所以通常会再加入少量蒸馏水,减少趁热过滤过程中的损失。(2)两种溶质的溶解度随温度变化的差异应较大,如NaCl和KNO3的混合物,KNO3溶解度随温度变化很大,NaCl溶解度随温度变化很小。欲获得纯净的KNO3,通过溶解、加热浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥即可。微思考2苯甲酸的重结晶实验中,为了得到更多的苯甲酸晶体,是不是结晶时的温度越低越好?提示:不是,温度过低,杂质的溶解度也会降低,部分杂质也会析出,达不到提纯的目的;温度极低时,溶剂也会结晶,给实验操作带来麻烦。微判断(1)分离和提纯都只利用物质的物理性质,不利用物质的化学性质。(

)(2)提纯粗苯甲酸可以用重结晶法。(

)(3)蒸发操作时,应使混合物中的水分完全蒸干后,再停止加热。(

)(4)用长颈漏斗分离出乙酸与乙醇反应的产物。(

)×√××微训练11.用分液漏斗可以分离的一组混合物是(

)。A.溴和CCl4

B.苯和酒精C.溴乙烷和水

D.汽油和煤油答案:C2.关于重结晶的说法,错误的是(

)。A.被重结晶提纯的物质的溶解度随温度变化大B.溶解度很小的杂质留在了滤渣里C.重结晶的步骤为:加热溶解、冷却过滤、结晶D.重结晶的首要工作是选择适当的溶剂答案:C二、元素分析1.定性分析。用化学方法鉴定有机化合物的元素组成。如完全燃烧后,一般情况下:C→

CO2

;H→

H2O

;S→

SO2

。

2.定量分析——确定有机化合物的实验式(最简式)。(1)测定原理。将一定量的有机化合物燃烧并测定各产物的质量,从而推断出各元素的质量分数,然后计算出有机化合物分子中所含元素原子的

最简整数比

,确定有机化合物的

最简式

。

(2)测定步骤(李比希法)。

微思考3如何证明某有机化合物除含C、H元素之外还含有氧元素?应完成的实验内容有哪些?提示:要证明该有机化合物中存在氢元素、碳元素和氧元素,应测定该试样的质量及完全燃烧后生成CO2和H2O的质量,然后根据生成CO2和H2O的质量,测定该有机化合物中碳和氢的质量,然后根据有机化合物的总质量,就可以判断出该有机化合物中是否含有氧元素。微训练2验证某有机化合物属于烃,应完成的实验内容是(

)。A.只需验证该有机化合物是否易燃烧B.只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2C.只测定其燃烧产物中H2O和CO2的物质的量之比D.只测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量答案:D三、有机化合物相对分子质量的测定——质谱法1.质荷比:带正电荷的分子离子、碎片离子的相对质量与其

电荷数

的比值。

2.质谱图中,质荷比的

最大值

表示样品分子的相对分子质量。例如,根据下图可知,样品分子的相对分子质量为

46

。

微训练3某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷,信号强度与该离子的多少有关),则该有机化合物可能是(

)。A.甲醇(CH3OH)

B.甲烷C.丙烷

D.乙烯答案:B四、分子结构的确定1.红外光谱。(1)原理:不同官能团或化学键的

吸收频率

不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。

(2)作用:可以初步获得分子中含有的

官能团

或

化学键

的信息。

(3)实例:如根据下图某物质的红外光谱,可知该分子中有

O—H

、

C—H

和

C—O

,可以初步推测含有的官能团是

—OH

。

2.核磁共振氢谱。(1)原理:处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同,在谱图上出现的位置不同,而且吸收峰的面积与

氢原子数目

成正比。

(2)作用:测定有机化合物分子中氢原子的类型和数目。(3)分析:吸收峰数目=

氢原子的种类

,吸收峰面积比=

氢原子个数比

。如CH3CH2OH的吸收峰面积比=

3∶2∶1

。

3.X射线衍射。根据X射线与晶体中的原子相互作用产生的衍射图,可以获得

分子结构

的有关数据,包括

键长

、

键角

等分子结构信息。

微思考4除利用红外光谱法判断某有机化合物中含有的化学键或官能团外,是否还可以利用其他方法判断?提示:还可以根据有机化合物特殊的化学性质判断。微训练4如图是一个核磁共振氢谱,请你观察图谱,分析其可能是下列物质中的(

)。答案:C课堂·重难突破问题探究1.《本草纲目》的“烧酒”条目中有如下叙述:“自元时始创其法,用浓酒和糟入甑,蒸令气上……其清如水,味极浓烈,盖酒露也。”这里所用的“法”是指什么分离方法?提示:蒸馏。根据信息可知,“蒸令气上”是利用互溶混合物的沸点差异分离,这里所用的“法”是指蒸馏。

一有机化合物的分离、提纯2.粗苯甲酸样品中含有少量氯化钠和泥沙。通过重结晶的方法,可以提纯得到苯甲酸。提纯过程中,需要先加热溶解苯甲酸,然后趁热过滤。溶解苯甲酸时加热的作用是什么?趁热过滤的目的又是什么?提示:苯甲酸的溶解度随着温度升高而增大,加热可以促进苯甲酸的溶解。趁热过滤是为了除去难溶性杂质。归纳总结1.有机化合物分离、提纯的常用方法。分离、提纯的方法目的主要仪器实例萃取(主要讨论液-液萃取)分离、提纯液体混合物分液漏斗提取溴水中的溴单质2.常用分离和提纯方法的注意事项。

分离、提纯的方法适用范围注意事项蒸馏互溶的液体各物质的沸点相差较大,一般在30℃以上,热稳定性较好,冷却水是下口进、上口出,加入沸石(碎瓷片)可以防止暴沸,温度计水银球位于蒸馏烧瓶支管口处分离、提纯的方法适用范围注意事项重结晶固态混合物混合物中各成分溶解度相差较大,且被提纯物质的溶解度受温度影响较大萃取(主要讨论液-液萃取)从液体中提纯液体有机化合物萃取剂的选择条件:(1)与原溶剂互不相溶;(2)被提纯物在此溶剂中的溶解度大于在原溶剂中的溶解度3.结晶与重结晶。

项目结晶重结晶不同点含义物质从溶液中以晶体形式析出的过程将晶体溶于溶剂,使之重新从溶液中结晶析出的过程相关操作先蒸发,然后结晶先溶解,然后结晶目的获得结晶体使不纯净的物质纯化,或使混合在一起的物质彼此分离相同点操作方法相同,需要的仪器基本相同,均需要加热,最后都需要进行过滤4.物质分离提纯的原则。(1)不增:在提纯过程中不增加新的杂质;(2)不减:在提纯过程中不减少被提纯的物质;(3)易分离:被提纯物质与杂质易分离;(4)易复原:被提纯物质易复原。典例剖析【例1】

现分离乙酸乙酯、乙酸、乙醇的混合物,下图是分离操作步骤流程图。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名称。a

;b

。

①

;②

;③

。

A

;B

;C

。

答案:a.饱和Na2CO3溶液b.H2SO4

①分液②蒸馏③蒸馏A.乙酸乙酯B.乙酸钠、乙醇C.乙酸钠解析:三者为互溶的液体,CH3COOCH2CH3在饱和Na2CO3溶液中溶解度不大,CH3COOH、CH3CH2OH均易溶于水,故可先用饱和Na2CO3溶液分离出CH3COOCH2CH3;乙醇、乙酸的沸点相差不大且互溶,故先把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,蒸馏即可。【例2】

下列实验中,所采取的分离方法与对应原理都正确的是(

)。选项目的分离方法原理A分离溶于水的碘乙醇萃取碘在乙醇中的溶解度较大B分离乙酸乙酯和乙醇分液乙酸乙酯和乙醇的密度不同C除去KNO3固体中混杂的NaCl重结晶NaCl在水中的溶解度很大D除去丁醇中的乙醚蒸馏丁醇与乙醚的沸点相差较大D解析:分离溶于水的碘用萃取方法,但不能用乙醇作萃取剂,因乙醇和水互溶,可以选择难溶于水的苯、四氯化碳等,A项错误;乙酸乙酯和乙醇互溶,不能用分液法分离,可以利用乙醇易溶于水,乙酸乙酯在饱和碳酸钠溶液中溶解度较小,加入饱和碳酸钠溶液振荡分层后再进行分液,B项错误;除去KNO3固体中混杂的NaCl可用结晶法,但氯化钠的溶解度随温度的变化不如硝酸钾的大,C项错误;丁醇和乙醚互溶,但两者沸点相差较大,可以采用蒸馏法进行分离,D项正确。方法归纳液体混合物分离方法的选择。

学以致用1.提纯下列物质(括号中为杂质),选择试剂和分离方法都正确的是(

)。答案:C解析:乙烯被高锰酸钾氧化生成二氧化碳,会引入新杂质,应用溴水洗气除杂,故A项错误;苯和硝基苯互溶,且都难溶于水,分液无法除杂,故B项错误;乙酸与碳酸钠反应后易溶于水,乙酸乙酯与碳酸钠溶液分层,然后分液可除杂,故C项正确;硝酸钾和氯化钠均溶于水,可用重结晶的方法分离,故D项错误。2.从茶叶中可以分离出茶多酚,工艺流程图如图所示:根据以上流程,下列说法不正确的是(

)。A.与传统方法使用Pb2+、Cu2+相比,改用ZnCl2作沉淀剂,会更加绿色环保B.在减压蒸馏之前,一般会先加入干燥剂,必须先过滤除去,再进行蒸馏C.操作a的名称是萃取分液,在实际工艺中该操作一般会多次进行D.干燥产品时可以高温烘干,以加快干燥速度答案:D解析:与传统方法使用Pb2+、Cu2+相比,改用ZnCl2作沉淀剂,减少有毒重金属的污染,会更加绿色环保,故A项正确;在减压蒸馏之前,一般会先加入干燥剂,除去水,防止蒸馏时存在蒸气压,过滤除去,再进行蒸馏,故B项正确;操作a的名称是萃取分液,在实际工艺中该操作一般会多次进行,提高萃取率,减少茶多酚的损失,故C项正确;干燥产品时低温烘干,防止茶多酚高温下被氧化,故D项错误。问题探究1.我国科学家屠呦呦因发现治疗疟疾的特效药——青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素来源于植物青蒿,其分子式是C15H22O5,其结构简式如右图所示:已知青蒿素完全燃烧的产物只有CO2和H2O,如何通过实验判断该有机化合物中是否含有氧元素?二有机化合物分子式的确定提示:先根据燃烧产物CO2和H2O的质量计算出碳元素和氢元素质量,若m(C)+m(H)=m(有机化合物),则不含有氧元素;若m(C)+m(H)<m(有机化合物),说明含有氧元素,则m(O)=m(有机化合物)-m(C)-m(H)。2.有机化合物的实验式和分子式有何异同?试分析能否由实验式直接确定分子式?提示:实验式也叫“最简式”,表示最简单的原子个数比,而分子式表明了一个分子中所含各元素原子的个数,有些物质的实验式和分子式相同,如CH4,但大多数有机化合物则不同,如乙烯的分子式是C2H4,实验式是CH2。有些实验式可以直接确定分子式,有些不可以。如实验式CH4、CH4O、CH3、C2H6O、CH3O等,根据氢原子饱和程度知对应的分子式只有CH4、CH4O、C2H6、C2H6O、C2H6O2,但绝大多数实验式无法直接确定分子式。归纳总结有机化合物分子式的确定方法。(1)常用方法。(2)化学方程式法。利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。在有机化学中,常利用有机化合物完全燃烧的化学方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式:(3)商余法。如果该有机化合物为烃,已经知道相对分子质量的情况下,可以用以下方法确定分子式。用烃的相对分子质量除以14,看商数和余数。其中商数A为烃中的碳原子数,此法适用于具有特定通式的烃(如烷烃、烯烃、炔烃、苯、苯的同系物等)。如某有机化合物为烃类,且相对分子质量为58,则58除以14,商4余2,则该有机化合物的分子式为烷烃,即为C4H10。典例剖析【例3】

某有机化合物分子式的确定。(1)测定实验式:某含C、H、O三种元素的有机化合物,经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%,氢的质量分数是13.51%,则其实验式是

。

(2)确定分子式:如图是该有机化合物的质谱图,则其相对分子质量为

;分子式为

。答案:(1)C4H10O

(2)74

C4H10O

(2)由质谱图知其相对分子质量为74,而其实验式的相对分子质量为12×4+1×10+16=74,故其分子式为C4H10O。学以致用3.6.4g某化合物在氧气中完全燃烧,只生成8.8gCO2和7.2gH2O。下列说法正确的是(

)。A.该化合物仅含碳、氢两种元素B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶8C.无法确定该化合物是否含有氧元素D.该化合物中一定含有氧元素答案:D解析:化合物燃烧生成8.8

g

CO2和7.2

g

H2O,根据元素守恒则一定含有C、H元素,8.8

g二氧化碳的物质的量为n(H)=2n(H2O)=0.8

mol,m(H)=0.8

g,故化合物中N(C)∶N(H)=n(C)∶n(H)=0.2

mol∶0.8

mol=1∶4,由于m(C)+m(H)=2.4

g+0.8

g=3.2

g<6.4

g,所以该化合物中一定含有氧元素。问题探究1.某有机化合物的分子式为C4H8O2,其红外光谱图如下。试推测该有机化合物可能的结构有哪些?三有机化合物结构式的确定提示:根据谱图所示,该有机化合物有下列特征基团:不对称—CH3、C═O、C—O—C,结合分子式C4H8O2可知,该有机化合物可能为酯或含酮羰基的醚。有如下几种结构:

、CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3。2.乙醇CH3CH2OH和二甲醚CH3OCH3的分子式都为C2H6O。列举2种能确定分子式为C2H6O的物质的类别方法?提示:乙醇和二甲醚属于同分异构体,如用核磁共振氢谱根据氢原子吸收峰进行结构分析,能确定两者的类别;也可以借助官能团性质如与Na反应,确定两者的类别。归纳总结1.确定有机化合物的结构式的物理方法。(1)核磁共振氢谱法:核磁共振氢谱图中,吸收峰数目=氢原子的种类,吸收峰面积之比=不同化学环境氢原子个数之比。(2)红外光谱法:不同化学键、官能团吸收频率不同,在红外光谱图中所处位置不同。因此,可根据红外光谱图,推知有机化合物分子中含有哪些化学键、官能团,从而确定有机化合物的结构。2.确定有机化合物的结构式的其他方法。(1)根据价键规律确定。根据价键规律可以判断出某些有机化合物只存在一种结构,则可直接根据分子式确定其结构式。如C2H6的结构只能是CH3CH3,CH4O的结构只能是CH3OH。(2)进行定性实验。官能团的特征反应→定性实验→实验中有机化合物表现出的性质及结论→官能团→确定结构式。如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机化合物分子中可能含有双键或三键。(3)进行定量实验。通过定量实验确定官能团的数目,如测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体,则可说明1mol醇分子中含2mol—OH。(4)进行“组装”确定。根据实验测得的官能团种类、数目,联系价键规律等进行“组装”和“拼凑”来确定有机化合物的结构式。典例剖析【例4】

有机化合物A可由葡萄糖发酵得到,也可从酸牛奶中提取。纯净的A为无色黏稠液体,易溶于水。为研究A的组成与结构,进行了如下实验:实验步骤解释或实验结论(1)称取A9.0g,升温使其汽化,测得其密度是相同条件下H2的45倍(1)A的相对分子质量为

答案:(1)90

(2)C3H6O3

(3)—COOH

—OH

(4)4

(5)解析:(1)A的密度是相同条件下H2密度的45倍,相对分子质量为45×2=90;9.0

g

A的物质的量为0.1

mol。(2)燃烧产物是5.4

g水和13.2

g二氧化碳,说明0.1

mol

A燃烧生成0.3

mol

H2O和0.3

mol

CO2,即0.1

mol

A中含有0.6

mol

H、0.3

mol

C,氧原子为=0.3

mol,则A的最简式为CH2O。设分子式为(CH2O)n,则30n=90,n=3,故分子式为C3H6O3。(3)0.1

mol

A与足量的NaHCO3粉末反应,生成2.24

L

CO2(标准状况),若与足量金属钠反应,则生成2.24

L

H2(标准状况),说明分子中含有1个—COOH和1个—OH。(4)A的核磁共振氢谱中有4组峰,说明分子中含有4种处于不同化学环境的氢原子,且个数比为1∶1∶1∶3。(5)综上所述,A的结构简式为

。规律方法确定分子结构的步骤。

学以致用4.为测定某有机化合物A的结构,进行如下实验:(1)将有机化合物A置于氧气流中充分燃烧,实验测得生成5.4gH2O和8.8gCO2,消耗O26.72L(标准状况),则该物质中各元素的原子个数比是N(C)∶N(H)∶N(O)=

。

(2)用质谱仪测定该有机化合物的相对分子质量结果如图1,则该物质的分子式是

。

图1(3)核磁共振氢谱能对有机化合物分子中不同化学环境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(ClCH2OCH3)有两种氢原子,核磁共振氢谱图如图2所示。经测定,有机化合物A的核磁共振氢谱图如图3所示,则A的结构简式为

。

答案:(1)2∶6∶1(2)C2H6O(3)CH3CH2OH由O元素守恒可知有机化合物中含有n(O)=0.3

mol+0.2

mol×2-0.3

mol×2=0.1

mol,则n(C)∶n(H)∶n(O)=2∶6∶1。(2)因n(C)∶n(H)∶n(O)=2∶6∶1,所以有机化合物的实验式为C2H6O,由质荷比可知相对分子质量为46,则分子式为C2H6O。(3)A的可能结构为CH3CH2OH、CH3OCH3,经测定,有机化合物A的核磁共振氢谱示意图如图3,说明有3种不同化学环境的氢原子,则A应为CH3CH2OH。随堂训练1.下列操作中选择的仪器正确的是(

)。①分离汽油和氯化钠溶液②从含Fe3+的自来水中得到蒸馏水③分离氯化钾和二氧化锰混合物④从食盐水中提取溶质A.①—丁②—丙③—甲④—乙B.①—乙②—丙③—甲④—丁C.①—丁②—丙③—乙④—甲D.①—丙②—乙③—丁④—甲答案:A解析:①汽油和氯化钠溶液不互溶,可用分液法分离;②从含Fe3+的自来水中得到蒸馏水,可利用蒸馏法;③氯化钾易溶于水,二氧化锰难溶于水,可溶解后过滤分离;④从氯化钠溶液中得到氯化钠晶体,可蒸发分离。2.下列关于实验基本操作的叙述错误的是(

)。A.用容量瓶配制溶液,容量瓶洗净后无需烘干即可使用B.用分液漏斗分离汽油和水,分别用两个烧杯在下口接水和汽油C.蒸发溶液时,不需垫陶土网即可直接对蒸发皿加热D.蒸馏时,应选用如图所示的仪器对蒸气进行冷凝答案:B解析:容量瓶用蒸馏水洗净后,不需要干燥,因为在定容时还要加蒸馏水,所以容量瓶中有少量蒸馏水无影响,故A项正确;分液漏斗分液时,下层液体从下口流出,上层液体从上口倒出,故B项错误;蒸发皿是瓷质的,耐高温,所以蒸发溶液时,不需垫陶土网可直接对蒸发皿加热,故C项正确;蒸馏时,冷凝管中冷却水从