4 第四节 研究有机化合物的一般步骤和方法.docx
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4第四节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
1.了解研究有机化合物的基本步骤。
2.初步学会分离、提纯有机化合物的常规方法。
3.知道通过化学实验和某些物理方法可以确定有机化合物的结构。
4.初步了解测定有机化合物的元素含量、相对分子质量的一般方法,并能根据其确定有机化合物的分子式。
有机化合物的分离、提纯[学生用书P12]
1.研究有机化合物的一般步骤
―→
―→
―→
由于有机物普遍存在同分异构现象,因此在确定有机物的分子式以后,还不能直接确定有机物的结构式。
2.蒸馏
3.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相差较大,采用冷却或蒸发将有机物分离出来,是提纯固态有机物的常用方法。
(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。
(3)实验仪器与操作步骤(以粗苯甲酸的提纯为例)
4.萃取
(1)萃取原理
①液液萃取
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转移到另一种溶剂的过程。
②固液萃取
用有机溶剂从固体物质中溶解出有机物的过程。
(2)主要仪器:
分液漏斗、烧杯、铁架台(带铁圈)。
(3)操作要求
加萃取剂后充分振荡,静置分层后,打开分液漏斗活塞,从下口将下层液体放出,并及时关闭活塞,上层液体从上口倒出。
填表:
有机物分离与提纯的常用方法。
常用方法
目的
主要仪器
分液
分离、提纯__________的液体混合物
____________
蒸馏
分离、提纯__________相差较大的混合溶液
____________
洗气
分离、提纯__________混合物
洗气瓶、导管
过滤
分离不溶性的固体和液体
____________
答案:
互不相溶 分液漏斗 沸点 蒸馏烧瓶、冷凝管、接收器 气体 漏斗、烧杯、玻璃棒
训练一 有机化合物的分离、提纯方法的选择
1.下列各组物质中,可以用分液漏斗分离的是( )
A.酒精与汽油 B.溴苯与溴乙烷
C.硝基苯与水D.苯与硝基苯
解析:
选C。
分液是分离互不相溶且密度不同的两种液体混合物的方法。
有机物溶解性的特点:
一般易溶于有机溶剂而不溶于水,但也有一些有机物能与水混溶,如乙醇等。
A、B、D三组物质均为有机物,能够互溶,而C组中的硝基苯为有机物,不溶于水。
2.下列分离或除杂的方法不正确的是( )
A.用分液法分离水和酒精
B.用蒸馏法分离苯和溴苯
C.用重结晶方法提纯苯甲酸
D.用饱和碳酸氢钠溶液除去二氧化碳中混有的少量氯化氢气体
答案:
A
有机化合物的分离、提纯方法的选择
1.首先要熟记各种分离、提纯方法的适用范围。
常见的分离、提纯有机物的方法及适用范围如下表:
方法
适用范围
分液
互不相溶、密度不同的两种液体
萃取
同温度下溶质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度相差很大
蒸馏
液态有机物与杂质的沸点相差较大(一般约大于30℃)且热稳定性较强
重结晶
固体混合物,被提纯有机物的溶解度受温度影响较大,杂质的溶解度要么很大,要么很小
2.研究给定混合物的状态、溶解性、熔沸点的差异等,选择与以上适用范围相匹配的方法即可。
训练二 有机化合物的分离、提纯的实验操作
3.(2019·芮城第二中学高二期末)下列分离或除杂方法不正确的是( )
A.可用饱和碳酸钠溶液通过分液的方法除去乙酸乙酯中的乙酸
B.用催化加氢的方法可除去乙烷中混有的少量乙烯
C.可用蒸馏的方法分离工业乙醇
D.利用重结晶的方法可提纯粗苯甲酸
解析:
选B。
A.乙酸能与碳酸钠反应,乙酸乙酯不溶且不与碳酸钠反应,可用饱和碳酸钠溶液通过分液的方法除去乙酸乙酯中的乙酸,故A正确;B.乙烯与氢气反应时H2的量无法控制,因此用催化加氢的方法除去乙烷中混有的少量乙烯,会引入新的杂质,故B错误;C.蒸馏常用于分离沸点不同的液体混合物,故C正确;D.利用溶质在溶剂中溶解度受温度影响不同,用重结晶的方法可提纯物质,粗苯甲酸溶于水且溶解度随温度的变化影响较大,因此利用重结晶的方法可得到较纯的苯甲酸,故D正确。
4.下列说法中错误的是( )
A.用酒精萃取甲苯水溶液中甲苯的操作可选用分液漏斗,然后静置分液
B.进行分液时,分液漏斗中的下层液体从下口放出,上层液体从上口倒出
C.对于密度不同、互不相溶的液体混合物,可采用分液的方法将它们分离
D.对于热稳定性较强、沸点较高的液态有机化合物和沸点较低的杂质可用蒸馏法进行除杂
解析:
选A。
酒精与水互溶不能分层,不符合萃取剂的条件,不能达到萃取的目的,A项错误;分液漏斗中的下层液体从下口放出,上层液体从上口倒出,B项正确;根据萃取分液和蒸馏的实验原理可知C、D项均正确。
5.按如图所示实验方案可从海洋动物柄海鞘中提取具有抗肿瘤活性的天然产物。
下列说法错误的是( )
A.步骤
(1)需要过滤装置
B.步骤
(2)需要用到分液漏斗
C.步骤(3)需要用到坩埚
D.步骤(4)需要蒸馏装置
解析:
选C。
滤液与不溶性物质是用过滤的方法分离出的,A项正确;分离水层与有机层需要用到分液漏斗,B项正确;溶液蒸发结晶应用蒸发皿,C项错误;可用蒸馏的方法从有机层中分离出甲苯,D项正确。
元素分析与相对分子质量的测定 分子结构的鉴定[学生用书P13]
1.元素分析
(1)定性分析——确定有机物的元素组成
用化学方法鉴定有机物的元素组成,如燃烧后,一般C生成CO2、H生成H2O、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的最简整数比,确定实验式。
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
分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。
在有机化合物的质谱图中,质荷比的最大值即为该有机化合物的相对分子质量。
例如:
由上图可知,样品分子的相对分子质量为46。
3.分子结构的鉴定
(1)红外光谱法
①原理:
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。
②作用:
初步判断某有机物中含有何种化学键或官能团。
如图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图,则该有机物的结构简式为CH3COOCH2CH3。
(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=氢原子数目比。
(1)某有机物燃烧产物只有CO2和H2O,该有机物不一定只含有C、H两种元素,还可能含有O元素。
(2)当有机物中含有Cl、Br、S等元素时,燃烧产物除CO2和H2O外,还有HCl、HBr和SO2等。
(3)若有机物的实验式中,碳原子已经达到饱和,实验式就是其分子式,如实验式为CH4、C2H6、C2H6O的物质,其分子式即为CH4、C2H6、C2H6O。
(4)在质谱图中最右边(即质荷比最大)的分子离子峰表示的就是该有机物的相对分子质量。
1.某有机物在氧气中充分燃烧,生成等物质的量的水和二氧化碳,则:
(1)能否确定该有机物分子中含有氧元素?
说明理由。
(2)能否确定该有机物分子中碳原子与氢原子的比例?
说明理由。
答案:
(1)否;根据生成等物质的量的H2O和CO2,只能推断出该有机物分子中C、H原子个数比为1∶2,不能确定是否含有氧元素。
(2)能;理由同
(1)中的。
2.有机物A的相对分子质量为74,其红外光谱图如图,请写出该分子的结构简式:
________________________________________________________________________。
解析:
根据题图中所提到的对称结构及A的相对分子质量可确定A的结构简式。
答案:
3.化合物A和B的分子式都是C2H4Br2,A的核磁共振氢谱如图所示,A的结构简式为________________,请预测B的核磁共振氢谱上有________个吸收峰。
解析:
由A的核磁共振氢谱图中只有一个峰可得,A的结构简式为BrCH2CH2Br,而B的结构简式只能是CH3CHBr2,则其核磁共振氢谱上有2个吸收峰。
答案:
BrCH2CH2Br 2
训练一 有机物分子式的确定
1.(2019·青岛高二检测)下列实验式中,不用相对分子质量就可以确定分子式的是( )
①CH3 ②CH ③CH2 ④C2H5
A.①② B.③④
C.②③D.①④
解析:
选D。
实验式乘以整数倍,即可得到有机物的分子式。
根据烷烃通式,当碳原子数为n时,则氢原子数最多为2n+2。
符合实验式为CH3的只有C2H6;符合实验式为CH的有C2H2、C6H6等;符合实验式为CH2的有C2H4、C3H6等;符合实验式为C2H5的只有C4H10。
2.6.4g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.该化合物中仅含碳、氢两种元素
B.该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4
C.无法确定该化合物中是否含有氧元素
D.该化合物一定是C2H8O2
解析:
选B。
n(CO2)=
=0.2mol,n(H2O)=
=0.4mol。
m(C)+m(H)=0.2mol×12g·mol-1+0.4mol×2×1g·mol-1=3.2g<6.4g,故n(O)=
=0.2mol。
则n(C)∶n(H)∶n(O)=0.2mol∶(0.4mol×2)∶0.2mol=1∶4∶1,该化合物的实验式为CH4O。
由于CH4O中氢原子已饱和,故实验式即为化学式。
训练二 有机物分子结构的鉴定
3.现有一物质的核磁共振氢谱如下图所示,则可能是下列物质中的( )
解析:
选B。
由核磁共振氢谱的定义可知,在核磁共振氢谱图中从峰的个数即可推知有几种化学环境不同的氢原子,从题图中可知有4种化学环境不同的氢原子。
分析选项可得A项有2种氢原子,B项有4种氢原子,C项有2种氢原子,D项有3种氢原子。
4.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,其核磁共振氢谱只有3组峰,则该有机物的结构简式是( )
A.CH3CH2OCH3
B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2OH
D.CH3CH2CHO
解析:
选B。
由该有机物的红外光谱图可知,分子中含C—H键、O—H键、C—O键。
A项中无O—H键,D项中无O—H键、C—O键,B、C项中含有三种化学键且相对分子质量都是60,但B项中核磁共振氢谱有3组峰,C项中核磁共振氢谱有4组峰,故B项正确。
5.核磁共振氢谱(1HNMR)可用于研究有机物的结构,在所研究的化合物分子中,每一结构中的等性氢原子在1HNMR谱中都给出了相应的峰(信号)。
1HNMR谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比。
例如,乙醛的结构简式为CH3CHO,其1HNMR谱中有两个信号,其强度之比为3∶1。
分子式为C3H6O2的一元混合物,在1HNMR谱上观察到的氢原子给出的峰有两种情况:
第一种情况峰的强度比为3∶3,请写出其对应化合物的结构简式:
________________________;第二种情况峰的强度比为3∶2∶1,请写出该化合物可能的结构简式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
分子式为C3H6O2,第一种情况峰的强度比为3∶3,可知共有两种类型的氢原子,氢原子个数比为3∶3,因此该物质应为
;第二种情况峰的强度比为3∶2∶1,可知共有三种类型的氢原子,氢原子个数比为3∶2∶1,由此得出
和
两种结构简式符合要求。
答案:
(1)核磁共振氢谱图中,峰的个数即氢原子的种类数,而峰的面积之比为各类氢原子个数之比。
(2)不同的化学键、官能团吸收频率不同,在红外光谱图中吸收峰将处于不同的位置。
因此,可以根据红外光谱图,推知有机物中含有哪些化学键、官能团,从而确定有机物的结构。
(3)质谱图中质荷比的最大值即为有机物的相对分子质量。
学习小结
1.有机物分离与提纯的常用方法
常用方法
蒸馏
重结晶
分液
洗气
过滤
主要仪器
蒸馏烧瓶、
冷凝管、
接收器
烧杯、
漏斗、
酒精灯、
玻璃棒
分液
漏斗
洗气瓶、
导管
烧杯、
漏斗、
玻璃棒
2.有机物结构确定的方法思路
课后达标检测[学生用书P83(单独成册)]
一、选择题
1.(2019·北京丰台区高二期末)下列各组混合物中,用分液漏斗能分离的是( )
A.苯和甲苯 B.正己烷和水
C.乙酸和乙醇D.碘和四氯化碳
解析:
选B。
A.苯和甲苯都是常见的有机溶剂,相互混溶,溶液不分层,不能用分液的方法分离,故A错误;B.正己烷和水不混溶,能用分液漏斗进行分离,故B正确;C.乙酸和乙醇能互溶,不能用分液漏斗分离,故C错误;D.碘易溶于四氯化碳,不能用分液漏斗分离,故D错误。
2.将由甲、乙组成的有机混合物在常压下分离,已知它们的物理性质如下:
物质
密度/(g·cm-3)
沸点/℃
水溶性
溶解性
甲
0.7893
78.5
溶
溶于乙
乙
1.220
100.7
溶
溶于甲
则应采用的分离方法是( )
A.分液B.蒸馏
C.干馏D.萃取
解析:
选B。
从题表中可以看出,甲、乙两种有机物属于相互混溶且沸点相差较大的液体,故应选用蒸馏法分离。
3.在核磁共振氢谱中出现两组峰,且峰面积之比为3∶2的化合物是( )
解析:
选D。
A中有2种氢原子,个数比为3∶1;B中据对称分析有3种氢原子,个数比为3∶1∶1;C中据对称分析有3种氢原子,个数比为3∶1∶4;D中据对称分析有2种氢原子,个数比为3∶2。
4.(2019·九江第一中学高二期末)某有机物A的质谱图、核磁共振氢谱图如下,则A的结构简式可能为( )
A.HCOOHB.CH3CHO
C.CH3CH2OHD.CH3CH2CH2COOH
解析:
选C。
根据质谱图可知其相对分子质量为46,选项中只有HCOOH和CH3CH2OH的相对分子质量为46,而HCOOH只有两种等效氢,CH3CH2OH有三种等效氢,且三种氢原子的个数比为3∶2∶1,符合核磁共振氢谱图,故答案为C。
5.某烃中碳和氢的质量比是24∶5,该烃在标准状况下的密度是2.59g·L-1,其分子式为( )
A.C2H6B.C4H10
C.C5H8D.C7H8
解析:
选B。
N(C)∶N(H)=
∶
=2∶5,得其实验式为C2H5,M=ρVm=2.59g·L-1×22.4L·mol-1≈58g·mol-1,(24+5)n=58,n=2,故其分子式为C4H10。
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
解析:
选C。
A中己烯与Br2反应的产物与己烷仍互溶,用分液法不能将己烷提纯;B中淀粉溶液(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溶液做除杂试剂不可行,可改用NaHCO3溶液为除杂试剂,应选C。
7.某气态有机物X含C、H、O三种元素。
现欲确定X的分子式,下列条件中所需的最少条件是( )
①X中碳的质量分数 ②X中氢的质量分数 ③X在标准状况下的体积 ④质谱法确定X的相对分子质量 ⑤X的质量
A.①②B.①②④
C.①②⑤D.③④⑤
解析:
选B。
由①②可得有机物的实验式,由①②④可知有机物的分子式。
8.(2019·宿迁高二期末)对下列化合物中不同化学环境的氢原子种数判断不正确的是( )
解析:
选A。
A项
,根据处于镜面对称位置上的氢原子是等效的,得到化合物中不同化学环境的氢原子种数为3种,A错误;
B项
,根据处于镜面对称位置上的氢原子是等效的,得到化合物中不同化学环境的氢原子种数为5种,B正确;
C项
,根据同一碳原子所连甲基上的氢原子及处于镜面对称位置上的氢原子是等效的,得到化合物中不同化学环境的氢原子种数为3种,C正确;
D项
,根据处于镜面对称位置上的氢原子是等效的,得到化合物中不同化学环境的氢原子种数为4种,D正确。
9.在一定条件下,萘可以被浓硝酸、浓硫酸的混酸硝化生成二硝基物,它是1,5二硝基萘(
)、1,8二硝基萘(
)的混合物,后者可溶于质量分数大于98%的硫酸,而前者不能。
利用这一性质可以将这两种同分异构体分离,将上述硝化产物加入适量的98%的硫酸,充分搅拌,用耐酸漏斗过滤,欲从滤液中得到固体1,8二硝基萘,应采用的方法是( )
A.蒸发浓缩结晶
B.向滤液中加水后过滤
C.用Na2CO3溶液处理滤液
D.将滤液缓缓加入水中并过滤
解析:
选D。
根据题目信息知,滤液中有浓H2SO4和1,8二硝基萘,浓H2SO4可溶于水,而1,8二硝基萘不溶于水,故可以将滤液注入水中(相当于浓H2SO4的稀释),然后过滤即可。
10.有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水,经元素组成分析发现,该物质中碳元素的质量分数为60.00%,氢元素的质量分数为13.33%,它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰。
下列关于有机物X的说法不正确的是( )
A.含有C、H、O三种元素
B.相对分子质量为60
C.分子式为C3H8O
D.结构简式为CH3CHOHCH3
解析:
选D。
有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水,经元素组成分析发现,该物质中碳元素的质量分数为60.00%,氢元素的质量分数为13.33%,因此还含有氧元素,其质量分数是100%-60.00%-13.33%=26.67%,所以C、H、O三种原子的个数之比是
∶
∶
=3∶8∶1,即实验式为C3H8O,由于3个碳原子最多结合8个氢原子,所以分子式是C3H8O,相对分子质量为60。
它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰,则含有羟基,所以其结构简式为CH3CH2CH2OH。
二、非选择题
11.(2019·衡阳第一中学高二期末)某有机物A1.44g完全燃烧生成2.16gH2O,生成的CO2恰好与200mL1mol/LKOH溶液作用生成正盐,将A试样进行检测所得质谱图如下图。
(1)A的最简式为______________。
(2)A的分子式为______________。
(3)若A的一氯代物只有一种,A的结构简式为____________________。
解析:
CO2恰好与200mL1mol/LKOH溶液作用生成正盐,KOH的物质的量为0.2mol,则CO2的物质的量为0.2mol÷2=0.1mol,由质谱图可知此有机物的最大质荷比为72,即此有机物的相对分子质量为72,有机物A的质量为1.44g,物质的量为1.44g÷72g/mol=0.02mol,完全燃烧生成2.16gH2O的物质的量为2.16g÷18g/mol=0.12mol,此有机物分子内含有的碳原子数为0.1mol÷0.02mol=5,氢原子数为0.12mol÷0.02mol×2=12,因为C5H12的相对分子质量恰好为72,则A的分子式为C5H12。
(1)有机物A的最简式为C5H12。
(2)有机物A的分子式为C5H12。
(3)若A的一氯代物只有一种,A的结构简式为C(CH3)4。
答案:
(1)C5H12
(2)C5H12 (3)C(CH3)4
12.(2019·芮城第二中学高二期末)根据有机化学基础,请回答下列问题:
(1)如图是含C、H、O三种元素的某有机分子模型(图中球与球之间的连线代表单键、双键等化学键),其所含官能团的名称为_______________________。
(2)
的名称(系统命名)为________,
的分子式为________。
(3)分子式为C5H10,且属于烯的同分异构体有________种(不考虑立体异构)。
(4)某有机化合物A经李比希法测得其中含碳元素为72.0%、含氢元素为6.67%,其余为氧元素。
现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。
方法一:
用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。
方法二:
核磁共振仪测出A的核磁共振氢谱有5个峰,其面积之比为1∶2∶2∶2∶3,如图甲所示。
方法三:
利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图乙所示。
则A的分子式为________,写出符合条件的A的一种结构简式:
________________。
解析:
(1)由分子模型可知,所含官能团的名称为碳碳双键、羧基。
(2)
的名称(系统命名)为3乙基1戊烯,
的分子式为C7H10O5。
(3)戊烷的同分异构体有CH3CH2CH2CH2CH3、
若为CH3—CH2—CH2—CH2—CH3,
相应烯烃有CH2===CH—CH2—CH2—CH3、
CH3—CH===CH—CH2—CH3,有2种异构(不考虑立体异构)。
若为
,相应烯烃有
CH2===C(CH3)CH2CH3、CH3C(CH3)===CHCH3、
CH3CH(CH3)CH===CH2,有3种异构。
若为
没有相应烯烃。
所以共5种。
(4)有机物A中C原子个数N(C)=72.0%×150/12=9,有机物A中H原子个数N(H)=6.67%×150/1=10,有机物A中O原子个数N(O)=(1-72.0%-6.67%)×150/16=2,所以有机物A的分子式为C9H10O2。
由A分子的红外光谱知,含有
基团,由苯环上只有一个取代基可知,苯环上的氢有3种,H原子个数分别为1个、2个、2个,由A的核磁共振氢谱可知,除苯环外,还有两种氢,且两种氢的个数分别为2个、3个,由A分子的红外光谱可知,A分子结构有碳碳单键及C—H、C===O、C—O—C等基团,所以符合条件的有机物A的结构简式为
答案:
(1)碳碳双键、羧基
(2)3乙基1戊烯 C7H10O5
(3)5 (4)C9H10O2
13.(2019·石家庄第二中学高二月考)在梨
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