学年人教版选修5 第一章第四节 研究有机化合物的一般步骤和方法 学案.docx

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学年人教版选修5第一章第四节研究有机化合物的一般步骤和方法学案

第四节　研究有机化合物的一般步骤和方法

学习目标：

1.了解研究有机化合物的一般步骤和方法。

2.初步学会分离提纯有机物的常规方法。

（重点）3.初步了解测定元素种类、含量以及相对分子质量的方法。

（重点）4.了解确定分子式的一般方法与过程以及根据特征结构和现代物理技术确定物质结构的方法。

（难点）

[自主预习·探新知]

一、研究有机物的基本步骤

―→

―→

―→

微点拨：

因为有机物中普遍存在同分异构现象，所以在确定有机物的分子式以后，还要确定结构式。

二、分离、提纯方法

1．蒸馏

（1）适用范围及条件

分离和提纯互相溶解的沸点不同的液态有机混合物。

（2）装置

注意事项：

①温度计水银球位于蒸馏烧瓶支管口处。

②碎瓷片的作用：

防止暴沸。

③冷凝管中水流的方向是下口进入，上口流出。

2．重结晶

（1）原理

利用有机物和杂质在同一溶剂中溶解度随温度的变化程度不同，常用冷却或蒸发将有机物分离出来，是提纯固体有机物的常用方法。

（2）适用条件

①重结晶是提纯固体有机物的常用方法。

②杂质在所选溶剂中的溶解度很大或很小，易于除去。

③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，冷溶液中的溶解度较小，冷却后易于结晶析出。

（3）实验装置与操作步骤

3．萃取

（1）萃取的分类和原理

萃取包括液液萃取和固液萃取。

①液液萃取是利用有机化合物在两种互不相溶的溶剂里的溶解性不同，将有机化合物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。

②固液萃取是用有机溶剂从固体物质中溶解出有机化合物的过程，在实验室和工厂中用专用的仪器和设备进行这一操作。

（2）萃取操作常用的玻璃仪器是分液漏斗。

（3）适用条件：

有机化合物与杂质在某种溶剂中的溶解性有较大的差异。

微记忆：

萃取剂与原溶剂不能互溶，如一般不选用酒精作萃取剂。

三、元素分析与相对分子质量的测定

1．元素分析

（1）定性分析：

确定有机物分子的元素组成。

用化学方法鉴定有机物分子的元素组成。

如燃烧后，一般C生成CO2、H生成H2O、N生成N2、S生成SO2、Cl生成HCl。

（2）定量分析：

确定有机物的实验式。

将一定量的有机物燃烧并测定各产物的质量，从而推算出各组成元素的质量分数，然后计算有机物分子中所含元素原子最简单的整数比，即确定其实验式。

（3）定量分析法（李比希法）

微点拨：

若有机物中还含有氮、硫、卤素等元素，应采取其他方法进行定量分析。

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、碎片离子各自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先后有别，其结果被记录为质谱图。

（2）质荷比

指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。

质谱图中，质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。

例如，由图可知，样品分子的相对分子质量为46。

四、分子结构的鉴定

1．红外光谱

（1）作用：

初步判断某有机物中含有何种化学键和官能团。

（2）原理：

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。

2．核磁共振氢谱

（1）作用：

测定有机物分子中氢原子的种类和数目。

（2）原理：

处在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也不同，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

（3）分析：

吸收峰数目＝氢原子种类，吸收峰面积比＝氢原子数之比。

微记忆：

有机化合物分子中相同的基团（如—CH3），由于所处的化学环境不同，在核磁共振氢谱中有不同的吸收峰，如

有两种—CH3吸收峰。

[基础自测]

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（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）燃烧后只产生CO2和H2O的物质不一定只含有碳、氢两种元素。

（　　）

（3）核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子。

（　　）

（4）有机化合物中，连在同一个碳原子上的氢原子在核磁共振氢谱中是一个吸收峰。

（　　）

（5）从乙酸乙酯和乙酸的混合物中提纯乙酸乙酯，采用蒸馏法。

（　　）

【答案】　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×

2．下列有关实验原理或操作正确的是（　　）

A．①分离CCl4和水

B．②洗涤沉淀时，向漏斗中加适量水，搅拌并滤干

C．③液体分层，下层呈无色

D．④除去氯气中的少量氯化氢

A　

3．如图是某有机物核磁共振氢谱图，则该有机物的结构简式是（　　）

A．CH3CH2CH3　　　B．CH3CH===CHCH3

C．CH3COOCH2CH3D．CH3CHOHCH3

C　[由核磁共振氢谱图可知该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子，且个数比为3∶3∶2，只有C项符合题意。

]

[合作探究·攻重难]

有机物的分离和提纯

[典例1]　现有一瓶乙二醇和丙三醇的混合液，已知它们的性质如下表：

物质

分子式

熔点/℃

沸点/℃

密度g·cm－3

溶解性

乙二醇

C2H6O2

－11.5

198

1.11

易溶于水和乙醇

丙三醇

C3H8O3

17.9

290

1.26

与水和乙醇

任意比互溶

据此，将乙二醇和丙三醇分离的最佳方法是（　　）

A．萃取　　　B．升华

C．蒸馏D．蒸发

C　[两者均属于醇类，相互混溶。

从表中可知两者的沸点相差较大，故可用蒸馏法将其分离。

]

方法

目的

主要仪器

实例

蒸馏

分离、提纯沸点相差很大的液态混合物

蒸馏烧瓶、冷凝管

分离乙酸和乙醇

萃取

将有机物从一种溶剂转移到另一种溶剂

分液漏斗

用四氯化碳将碘水中的碘提取出来

分液

分离互不相溶的液态混合物

分液漏斗

分离汽油和水

重结晶

利用温度对溶解度的影响提纯有机物

烧杯、酒精灯、蒸发皿、漏斗

提纯苯甲酸

洗气

分离提纯气体混合物

洗气瓶

除去甲烷中的乙烯

[对点训练]

1．除去下列括号内的杂质通常采用的方法是什么？

将答案填在横线上。

（1）H2O（NaCl、MgCl2）_____________________________________________。

（2）CH3OH（H2O）_________________________________________________。

（注：

CH3OH为甲醇，沸点为64.7℃）

（3）

（NaCl）_______________________________________。

（4）

（Br2）____________________________________________。

【解析】　蒸馏是根据液体的热稳定性及与杂质（可以是液体也可以是固体）的沸点差别大小（一般约相差30℃），来提纯液态物质；重结晶用于固体的分离。

【答案】　

（1）蒸馏　

（2）蒸馏（可加入生石灰后再蒸馏）　（3）重结晶　（4）碱洗分液（常选用NaOH溶液做碱洗液）

1．有机物的分离是通过物理或化学方法将混合物分开，其目的是得到混合物中的每一种纯净物质。

而有机物的提纯是将被提纯物质中的杂质除去，其目的是净化主体物质，不考虑提纯后杂质的化学成分和物理状态的改变，两种方法的要求是不同的。

2．萃取和分液是两个不同的概念，分液可以单独进行，但萃取之后一般要进行分液。

3．用蒸馏的方法分离两种液态有机混合物时，要求两种有机物的沸点一般相差30℃以上。

有机物分子式的确定

[背景材料]

已知某有机物的质谱图如下：

[思考交流]

结合上述质谱图，思考下列问题：

（1）怎样根据质谱图确定有机物的相对分子质量？

（2）该有机物的相对分子质量是多少？

（3）知道了有机物的相对分子质量，能直接确定该有机物的分子式吗？

【提示】　

（1）依据质谱图可知，最大的质荷比即为该有机物的相对分子质量。

（2）该有机物的相对分子质量是46。

（3）确定有机物的分子式的方法一般需要两个条件：

相对分子质量和最简式（或分子中各元素原子个数比）。

1．有机物组成元素的推断

一般来说，某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其组成元素可能为C、H或C、H、O。

欲判断该有机物分子是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将C、H的质量之和与原来有机物质量比较，若两者相等，则原有机物分子的组成中不含氧元素；否则，原有机物分子的组成中含氧元素。

2．确定分子式的方法

（1）直接法

有机物的密度（或相对密度）→摩尔质量→1mol有机物中各原子的物质的量→分子式。

（2）最简式法

各元素的质量分数→最简式

分子式。

（3）余数法

用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。

＝

＝A……

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、苯和苯的同系物等）。

（4）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，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。

常用的化学方程式有：

CxHy＋（x＋

）O2

xCO2＋

H2O

CxHyOz＋（x＋

－

）O2

xCO2＋

H2O

[对点训练]

2．某有机物在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，则该物质可能是（　　）

①CH4　②C2H4　③C2H5OH　④CH3OH

A．②③B．①④

C．①③D．②④

B　[该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，即N（H2O）∶N（CO2）＝2∶1，则该物质中N（H）∶N（C）＝4∶1，分子式满足N（C）∶N（H）＝1∶4的有①CH4、④CH3OH。

]

有机物结构式的确定

[典例2]　化合物A的相对分子质量为136，分子式为C8H8O2。

A分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其红外光谱和核磁共振氢谱如图所示。

下列关于化合物A的说法中不正确的是（　　）

A．化合物A属于酯类化合物，在一定条件下能发生水解反应

B．化合物A在一定条件下可与3molH2发生加成反应

C．符合题中化合物A分子结构特征的有机物有1种

D．与化合物A含有相同官能团的同分异构体只有2种

D　[苯环上只有一个取代基，则苯环上有三种氢原子，苯基（C6H5—）的相对分子质量是77，则取代基的相对分子质量是59，对照核磁共振氢谱可知，取代基上的氢原子是等效的，对照红外光谱可判断，A的结构简式是

，故A、B、C项均正确。

与A含有相同官能团的同分异构体有

、

、

、

，共5种，故D项错误。

]

有机物结构式的确定

1．根据价键规律确定

某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构式。

例如：

C2H6，只能是CH3CH3。

2．通过定性实验确定

实验→有机物表现的性质及相关结论→确定官能团→确定结构式。

例如：

能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有

，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。

3．通过定量实验确定

（1）通过定量实验确定有机物的官能团，如乙醇结构式的确定；

（2）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，则可说明该醇分子中含2个—OH。

4．根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律，如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼凑”。

5．可用红外光谱、核磁共振氢谱确定有机物中的官能团和各类氢原子数目，确定结构式。

[对点训练]

3．为了测定某有机物A的结构，做如下实验：

①将2.3g该有机物完全燃烧，生成0.1molCO2和2.7gH2O；

②用质谱仪测定其相对分子质量，得如图一所示的质谱图；

③用核磁共振仪处理该化合物，得到如图二所示图谱，图中三个峰的面积之比是1∶2∶3。

试回答下列问题：

图一

图二

（1）有机物A的相对分子质量是________。

（2）有机物A的实验式是________。

（3）能否根据A的实验式确实A的分子式________（填“能”或“不能”）；若能，则A的分子式是________（若不能，则此空不填）。

（4）写出有机物A的结构简式_______________________________________。

【解析】　

（1）在A的质谱图中，最大质荷比是46，所以其相对分子质量是46。

（2）在2.3g该有机物中，n（C）＝0.1mol，m（C）＝1.2g，

n（H）＝

×2＝0.3mol，

m（H）＝0.3g，

m（O）＝2.3g－1.2g－0.3g＝0.8g，

n（O）＝

＝0.05mol，所以n（C）∶n（H）∶n（O）＝0.1mol∶0.3mol∶0.05mol＝2∶6∶1，A的实验式是C2H6O。

（3）因为实验式是C2H6O的有机物中，氢原子数已经达到饱和，所以其实验式即为分子式。

（4）A有如下两种可能的结构：

CH3OCH3或CH3CH2OH。

若为前者，则在核磁共振氢谱中应只有一个峰；若为后者，则在核磁共振氢谱中应有三个峰，而且三个峰的面积之比是1∶2∶3。

后者符合，所以A为乙醇。

【答案】　

（1）46　

（2）C2H6O　（3）能　C2H6O　（4）CH3CH2OH

[当堂达标·固双基]

1．研究有机物一般经过以下几个基本步骤：

分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式，以下用于研究有机物的方法错误的是（　　）

A．蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物

B．燃烧法是研究确定有机物成分的有效方法

C．核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量

D．对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子中的官能团

C　[核磁共振氢谱确定的是等效氢的种类和数量。

]

2．下列实验方案不合理的是（　　）

A．用饱和Na2CO3溶液除去乙酸乙酯中混有的乙酸等

B．分离苯和硝基苯的混合物，可用蒸馏法

C．可用苯将溴从溴苯中萃取出来

D．可用水来鉴别苯、乙醇、四氯化碳

C　[因乙酸乙酯在饱和Na2CO3溶液中的溶解度很小，且乙酸易溶于饱和Na2CO3溶液，因此可用饱和Na2CO3溶液来除去乙酸乙酯中混有的乙酸等杂质；苯与硝基苯的沸点相差较大，可用蒸馏法将两者分离开来；溴易溶于溴苯，也易溶于苯，因此不能用苯作萃取剂将溴从溴苯中除去；苯不溶于水。

加入水时，液体分为两层，上层为苯（油状液体），下层为水，乙醇与水混合时不分层，四氯化碳不溶于水，加水混合时，液体也分为两层。

上层为水，下层为四氯化碳（油状液体），因此可用水来鉴别苯、乙醇、四氯化碳。

]

3．核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子核所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振图中坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同。

现有一物质的核磁共振氢谱如图所示。

则可能是下列物质中的（　　）

A．CH3CH2CH3

B．CH3CH2CH2OH

C．

D．CH3CH2CHO

B　[由核磁共振氢谱的定义可知，在氢谱图中从峰的个数即可推知有几种不同化学环境的氢原子，从上图中可知有4种不同化学环境的氢原子。

分析选项可得A项是2种，B项是4种，C项是2种，D项是3种。

]

4．下列实验操作中错误的是（　　）

A．分液时，分液漏斗中下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出

B．蒸馏时，应使温度计水银球靠近蒸馏烧瓶支管口处

C．可用酒精萃取碘水中的碘

D．称量时，称量物放在称量纸上，置于托盘天平的左盘，砝码放在托盘天平的右盘

C　

5．下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物分子可能为（　　）

A．CH3COOCH2CH3

B．CH3CH2CH2COOH

C．HCOOCH2CH2CH3

D．（CH3）2CHCH2COOH

A　[本题所给选项的结构简式分别为A项

、B项CH3CH2CH2COOH、C项

、D项

，首先排除D项，因D项的分子式为C5H10O2，与题设不符；再由图像可知有不对称CH3，则排除B、C项，而A项存在不对称CH3、C===O与C—O—C，所以有可能。

]

（1）利用红外光谱图可以确定有机物中化学键的种类，利用核磁共振氢谱可知氢原子的种类，两者结合可推测有机物的结构。

（2）因为有机物中同分异构现象的普遍存在，导致在氢原子类型相同、氢原子个数比也相同的情况下，分子式确定的有机物仍会有不同的结构，分析时要全面，不要漏写。

6．为了提纯下表所列物质（括号内为杂质），有关除杂试剂和分离方法的选择均正确的是（　　）

选项

被提纯的物质

除杂试剂

分离方法

A

己烷（己烯）

溴水

分液

B

淀粉溶液（NaCl）

水

过滤

C

CH3CH2OH（CH3COOH）

CaO

蒸馏

D

CO2（SO2）

Na2CO3溶液

洗气

C　[向A试样中加入溴水，己烯与Br2反应的产物与己烷仍互溶，用分液法不能将己烷提纯；B中淀粉胶体和NaCl溶液均可透过滤纸；D中除杂试剂Na2CO3既可与杂质SO2反应，又可吸收被提纯气体CO2，所以用Na2CO3试剂不行，可改用NaHCO3溶液为除杂试剂，应选C。

]

7．根据以下内容确定某有机物的组成：

（1）测定实验式：

含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧实验测得其碳元素的质量分数为64.86%，氢元素的质量分数为13.51%，则其实验式是________。

（2）确定分子式：

下图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为________，分子式为________。

【解析】　

（1）该有机物的分子中C、H、O的原子个数比为N（C）∶N（H）∶N（O）＝

∶

∶

≈4∶10∶1，因此该有机物的实验式为C4H10O。

（2）根据质谱图中的质荷比的最大值就是未知物的相对分子质量，则该有机物的相对分子质量为74，因此该有机物的分子式为C4H10O。

【答案】　

（1）C4H10O　

（2）74　C4H10O