苏教版 (2019)选择性必修3第二单元 科学家怎样研究有机物学案

能力课时1　有机化合物的分离与提纯、组成与结构的研究

选择分离、提纯含杂质的有机化合物的方法

1．首先要熟记各种分离和提纯方法的适用范围。常见的分离和提纯有机化合物的方法及适用范围如表所示。

2．研究给定混合物的状态、溶解性、熔沸点等的差异，选择与以上适用范围相匹配的方法。

(2021·天津和平区质检)下列实验中，所采取的分离方法与对应原理都正确的是(　　)

C　[A．乙醇与水互溶，不能作萃取剂，应选苯或四氯化碳分离出碘水中的碘，故A错误；B．分离乙酸乙酯和乙醇不分层，不能分液，应选蒸馏法分离，故B错误；C．二者互溶，但沸点不同，则除去丁醇中的乙醚，故C正确；D．二者的溶解度受温度影响不同，NaCl在水中的溶解度受温度影响小，则选择重结晶法分离，故D错误。]

1．(2021·隆回县高二期末)下列实验操作中正确的是(　　)

A．用酒精萃取碘水中的碘

B．用蒸发方法使NaCl从溶液中析出时，应边加热边搅拌直至溶液完全蒸干

C．蒸馏操作时，应使温度计水银球插入液态混合物中

D．分液时，打开旋塞，使下层液体从下口流出，上层液体从上口倒出

D　[A．酒精与水互溶，不能选酒精作萃取剂，应选苯或四氯化碳萃取碘水中的碘，故A错误；

B．蒸发结晶时，当出现大量固体时，停止加热，用余热蒸干，不能直接加完全蒸干，故B错误；

C．蒸馏操作时，温度计测定蒸气的温度，应使温度计水银球插入蒸馏烧瓶的支管口处中，故C错误；

D．分液时，下层液体流出，上层液体从上口倒出，以防止液体重新混合而污染，故D正确。]

2．(2021·辽阳期末)除去下列物质中所含的少量杂质(括号内为杂质)，所选用的试剂和分离方法能达到实验目的的是(　　)

A　[A．溴苯难溶于水，溴单质与氢氧化钠溶液反应生成水溶液，会分层，然后分液，故A正确；

B．CaO与水反应后，增大与乙醇的沸点差异，然后蒸馏可分离，故B错误；

C．高锰酸钾溶液能把乙烯氧化为二氧化碳，会引入新的杂质，故C错误；

D．乙酸乙酯能与氢氧化钠溶液反应，应该用饱和碳酸钠溶液，然后分液，故D错误。]

不同谱图中获取的解题关键信息

1．核磁共振谱图中，峰的组数即氢原子的种数，而峰的面积之比为各类氢原子个数之比，注意不能确定不同化学环境的氢原子的具体数目。

2．不同的化学键或官能团的吸收频率不同，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或官能团，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。

未知物A的实验式和分子式都是C2H6O。A的红外光谱图如图(a)，未知物A的1H核磁共振谱有三个峰如图(b)，峰面积之比是1∶2∶3，未知物A的结构简式为(　　)

(a)未知物A的红外光谱

(b)未知物A的1H核磁共振谱

A．CH3CH2OH　　　　 B．CH3OCH3

C．CH3COOH   D．CH3CHO

A　[据题意知：有三种峰，说明氢原子有三种情况，峰面积之比是1∶2∶3，说明这三种等效氢的个数之比为1∶2∶3，分子式为：C2H6O，故结构简式为CH3－CH2－OH。]

1．对叔丁基苯酚工业用途广泛，可用于生产油溶性酚醛树脂、稳定剂和香料等，它的一种标准谱图如下，该谱图属于(　　)

A．1H核磁共振谱图　　 B．红外光谱图

C．质谱图   D．色谱

B　[根据谱图的特征可知该谱图是红外光谱图。]

2．下列四幅谱图是结构简式为CH3CH2OH、CH3OCH3、CH3CH2CH2OH和的1H核磁共振谱图，其中属于CH3CH2CH2OH的谱图是(　　)

A　　　　　  　　　　B

C　　　　　　　　　D

A　[CH3CH2CH2OH分子中有4种不同化学环境的氢原子，在其1H核磁共振谱中应有4个吸收峰。]

由分子式确定有机物结构简式的方法

1．由分子式确定有机物结构简式的一般步骤

2．由分子式确定有机物结构简式的技巧

(1)根据价键规律确定

根据价键规律可以判断出某有机物只存在一种结构，则可直接根据分子式确定其结构简式。如C2H6的结构简式只能是CH3CH3；CH4O的结构简式只能是CH3OH。

(2)通过化学方法确定

①进行定性实验

实验中有机物表现出的性质→官能团。

②进行定量实验

通过定量实验确定官能团的数目，如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体，则可说明1 mol醇分子中含2 mol—OH。

③进行“组装”确定

根据实验测得的官能团种类、数目，结合价键规律等进行“组装”和“拼凑”来确定有机物的结构简式。

(3)通过物理方法确定

用红外光谱、核磁共振谱确定有机物中的化学键或官能团及氢原子的种类和相对数目，进而确定其结构简式。

(2021·海安市高二检测)某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构，他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。请你参与探究过程：

Ⅰ．实验式的确定

(1)取样品A进行燃烧法测定。发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0.125 mol CO2和2.7g H2O。据此得出的结论是________；

(2)另一实验中，取3.4 g蜡状A在3.36 L(标准状况下，下同)氧气中完全燃烧，两者均恰好完全反应，生成2.8 L CO2和液态水。通过计算确定A的实验式为________；

Ⅱ．结构式确定(经测定A的相对分子质量不超过140)

(3)取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明A分子中含有________基；

(4)进行核磁共振，发现只有两个特征峰，且面积比为8∶4，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。图谱如下：

则A的结构简式为________；

[解析]　(1)n(H2O)＝＝0.15 mol，

N(C)∶N(H)＝n(CO2)∶n(H2O)×2＝0.125 mol∶0.15 mol×2＝5∶12，A中可能含有O，分子中n(C)∶n(H)＝5∶12，分子式为C5H12Oz(z＝0，1，2，…)。

(2)n(CO2)＝＝0.125 mol，与(1)中产生的CO2等量，则产生的水n(H2O)＝0.15 mol，n(O)＝＝0.1 mol，N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.125 mol∶0.15 mol×2∶0.1 mol＝5∶12∶4，则A的实验式为C5H12O4。

(3)取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明含有羟基。

(4)进行核磁共振发现只有两个特征峰，且面积比为8∶4，说明含有2种不同化学环境的H原子，两种类型的H原子数目分别为8、4，由红外光谱图可知，分子中含有O—H、C—O、C—H基团，该有机物结构简式为C(CH2OH)4。

[答案]　(1)分子中n(C)∶n(H)＝5∶12，分子式为C5H12Oz(z＝0，1，2…)　(2)C5H12O4　(3)羟

(4)C(CH2OH)4

(2021·玉田县高二期末)有机物X是一种重要的有机合成中间体，用于制造塑料、涂料和粘合剂等高聚物．为研究X的组成与结构，进行了如下实验：

 [解析]　(1)质谱图中质荷比最大数值即为相对分子质量，由质谱图可知有机物X的相对分子质量是100。

(2)10.0 g X中氢元素的物质的量＝×2＝0.8 mol，KOH浓溶液增重22.0 g是二氧化碳的质量，根据碳原子守恒知，碳元素的物质的量＝＝0.5 mol，剩余部分是氧元素，氧元素的质量为10.0 g－0.8×1 g－0.5×12 g＝3.2 g，则氧元素的物质的量为＝0.2 mol，则该分子中碳、氢、氧元素的个数之比0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol＝5∶8∶2，则有机物X的分子式是C5H8O2。

(3)有机物X中含有醛基，有机物X的1H核磁共振谱图上有2个吸收峰，则分子中含有2种不同化学环境的氢原子，则其结构简式为(CH3)2C(CHO )2。

[答案]　(1)100　(2)C5H8O2　(3)(CH3)2C(CHO)2

20世纪70年代初，我国屠呦呦等科学家使用乙醚从中药中提取并用柱色谱分离得到抗疟有效成分青蒿素，随后展开了对青蒿素分子结构的测定和相关医学研究。中国科学院上海有机化学研究所和中国中医研究院中药研究所等单位的科学家们通过元素分析和质谱法分析，确定了青蒿素的相对分子质量和分子式。经红外光谱和核磁共振谱分析，确定青蒿素分子结构中含有酯基和甲基等结构片段。通过化学反应证明其分子中含有过氧基团(—O—O—)。1975年底，中国科学院生物物理研究所的科学家通过X射线衍射最终测定了青蒿素的分子结构。

1．研究青蒿素结构的基本步骤是怎样的？

[提示]　分离、提纯物质后根据元素定量分析确定实验式、再测定相对分子质量确定分子式，最后通过波谱分析确定结构式，基本步骤为：分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式。

2．测定青蒿素的分子式

(1)将一定质量的青蒿素置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成198 g H2O和660 g CO2，消耗氧气403.2 L(标准状况下)，则该物质中各元素的原子个数比是？

[提示]　15∶22∶5。

(2)质谱仪测定该有机化合物的最大质荷比为282，则该物质的分子式是？

[提示]　C15H22O5。

3．测定青蒿素的结构

1H核磁共振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)有两种不同化学环境的氢原子。

经测定，青蒿素中有12种不同位置的氢原子，则下列两种结构简式中哪一种是青蒿素的结构简式？

A　　　　　　　　B

[提示]　A中有12种不同位置的氢原子，B中有14种不同位置的氢原子。

通过本情境素材中有机化合物A的分子式和结构式的确定步骤，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，形成分析有机物分子结构的思维模型，提升了学生证据推理与模型认知的化学核心素养。

1．(2021·海淀区高二检测)乙酰苯胺是一种具有解热镇痛作用的白色晶体，20 ℃时在乙醇中的溶解度为 36.9 g，在水中的溶解度如表：某种乙酰苯胺试样中混入了少量氯化钠杂质(氯化钠可分散在乙醇中形成胶体)，下列提纯乙酰苯胺的方法正确的是(　　)

A．用水溶解后分液

B．用乙醇溶解后过滤

C．用水作溶剂进行重结晶

D．用乙醇作溶剂进行重结晶

D　[A．溶解度介于0.01～1g，为微溶物质，25℃乙酰苯胺在水中的溶解度为0.52g，故20℃乙酰苯胺在水中的溶解度＜0.52g，故乙酰苯胺为微溶物质，故其分离方法为水溶解后过滤，故A错误；

B．过滤分离固液不相溶的物质，20℃时乙酰苯胺在乙醇中的溶解度为 36.9g，故为易溶物质，不能用乙醇溶解后过滤，故B错误；

C．20℃乙酰苯胺在水中的溶解度＜0.52g，故不能用水作溶剂进行重结晶来提纯乙酰苯胺，故C错误；

D．20℃时乙酰苯胺在乙醇中的溶解度为 36.9g，故用乙醇作溶剂进行重结晶来提纯乙酰苯胺，故D正确。]

2．某有机化合物在相同状况下对氢气的相对密度为45。取该有机物样品3.6 g在纯氧中充分燃烧得到2种产物，将产物先后通过过量浓硫酸和碱石灰，两者分别增重2.16 g和5.28 g，则该有机物的分子式为(　　)

A．CH2O　　　　　　　 B．C3H6O3

C．C3H6O2   D．C3H8O3

B　[已知m(H)＝×2×1 g·mol－1＝0.24 g，m(C)＝×12 g·mol－1＝1.44 g，

则m(O)＝3.6 g－0.24 g－1.44 g＝1.92 g，故N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝1∶2∶1，所以该有机物的实验式为CH2O。根据相对密度可求出该有机物的相对分子质量Mr＝45×2＝90，可设其分子式为(CH2O)n，则有30n＝90，解得：n＝3，故分子式为C3H6O3。]

3．有机物A只含有C、H、O三种元素，常用作有机物合成的中间体。8.4 g该有机物经充分燃烧生成22.0 g CO2和7.2 g H2O；质谱图表明其相对分子质量为84，红外光谱分析表明A分子中只有O—H和位于分子端的C≡C键，1H核磁共振谱有三个峰，峰面积之比为6∶1∶1。

(1)A的化学式为________。

(2)A的结构简式为________。

[解析]　m(C)＋m(H)＝×12 g·mol－1＋×2 g·mol－1＝6.8 g，则m(O)＝8.4 g－6.8 g＝1.6 g，N(C)∶N(H)∶N(O)＝5∶8∶1，则实验式为C5H8O，其分子式为(C5H8O)n。由其相对分子质量为84，得n＝1，该有机物的分子式为C5H8O，结合红外光谱图知含有—OH和位于分子端的—C≡C—，1H核磁共振谱有三个峰，峰面积之比为6∶1∶1，得A的结构简式为。

4．(素养题)(2021·徐州高二检测)己二酸主要用于生产尼龙66盐、合成树脂及增塑剂等。己二酸的合成路线如下：

NaOOC(CH2)4COONaHOOC(CH2)4COOH。制备己二酸的装置示意图如图所示(加热和夹持装置等略)。

实验步骤：

Ⅰ．己二酸的制备

连装好装置后，通过瓶口b慢慢滴加1.5 g环己醇至适量KMnO4和NaOH的混合溶液中，然后塞上带有温度计的胶塞，再用沸水浴加热数分钟。

Ⅱ．分离提纯

趁热过滤，收集滤液，用少量热水洗涤滤渣2次，合并滤液和洗涤液，边搅拌边滴加浓盐酸至溶液呈强酸性，小心加热蒸发浓缩至10 mL左右，在冷水浴中冷却，析出己二酸粗品。

回答下列问题：

(1)写出仪器a的名称：________。

(2)分离提纯过程中滴加的浓盐酸的作用是__________________

______________________________________________________。

(3)将己二酸粗品提纯的方法是________。

A．过滤   B．萃取

C．重结晶   D．蒸馏

(4)步骤Ⅱ中过滤时需要用到的玻璃仪器有玻璃棒、________、________。洗涤滤渣的目的是_________________________________。

(5)若制得纯己二酸的质量为1.5 g，则己二酸的产率为________。

[解析]　(1)由实验装置图可知，图中仪器a的名称是直形冷凝管(或冷凝管)。

(2)浓盐酸是强酸，酸性强于己二酸，分离提纯过程中滴加浓盐酸的作用是将己二酸钠完全转化为己二酸。

(3)因为己二酸常温下为固体，温度较低时会从溶液中析出，所以将己二酸粗品提纯的方法是重结晶。

(4)步骤Ⅱ中过滤时需要用到的玻璃仪器有玻璃棒、烧杯和漏斗；滤渣中含有己二酸钠，因此洗涤滤渣的目的是减少己二酸钠的损失，提高己二酸的产量。

(5)根据原子守恒可知生成己二酸的理论质量为×146 g·mol－1＝2.19 g，所以产率是×100%≈68.5%。

[答案]　(1)直形冷凝管(或冷凝管)　(2)将己二酸钠完全转化为己二酸　(3)C　(4)烧杯　漏斗　减少己二酸钠的损失，提高己二酸的产量　(5)68.5%