高中化学人教版 (新课标)选修5 有机化学基础第四节 研究有机化合物的一般步骤和方法教案

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[课标要求]

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。

3．初步了解测定元素种类、含量以及相对分子质量的方法。

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。

　1.研究有机化合物结构的基本步骤：

→→→

2．采用蒸馏法可将沸点差大于30 ℃热稳定性强的有机混合物提纯。

3．利用萃取剂将有机物从另一种溶剂中提取出来的过程叫萃取。

4．质谱图中最大质荷比即为相对分子质量。

5．红外光谱测定有机物分子中的化学键或官能团。

6．核磁共振氢谱图中峰数即氢原子种类数，面积之比为各类氢原子个数之比。

1．研究有机化合物的一般步骤

2．有机物的分离与提纯

(1)蒸馏

①用途：分离、提纯液态有机物。

③装置和主要仪器：

(2)重结晶

①用途：分离提纯固态有机物。

②原理：利用两种物质在同一溶剂中溶解度随温度的变化相差较大，采用冷却或蒸发将物质分离提纯。

③适用条件

a．杂质在所选溶剂中溶解度很小或很大，易于除去。

b．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。该有机化合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。

④实验仪器与操作步骤：

(3)萃取

①原理：

液－液萃取是利用有机化合物在两种互不相溶的溶剂里溶解度的不同，将有机化合物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。

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。

②适用条件：有机化合物与杂质在某种溶剂中的溶解度有较大差异。

③实验装置：

④实验操作：

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。

[特别提醒]　选用萃取剂的三原则

(1)萃取剂与原溶剂互不相溶。

(2)萃取剂与原溶质、溶剂均不发生化学反应。

(3)被萃取物质在萃取剂中的溶解度要远大于在原溶剂中的溶解度。

1．要对热稳定的高沸点液态有机物和低沸点的杂质的混合物进行提纯，一般使用的方法是(　　)

A．重结晶　　　　　　　 　B．蒸馏

C．过滤   D．萃取

解析：选B　重结晶用来分离溶解性随温度变化不同的物质，A不适用；蒸馏用来分离互溶但沸点不同的液体，B正确；过滤用来分离固体与液体物质，C不适用；萃取是根据物质在不同溶剂中的溶解度不同来提取物质。

2．下图实验装置一般不用于分离物质的是(　　)

解析：选D　A项用于分离沸点不同的液体混合物；B项用于不相溶的液体混合物的分离；C项为液固混合物的分离——过滤；D项用于一定物质的量浓度溶液的配制，不用于分离物质。

3．下列实验中，不能达到预期目的的是(　　)

①用升华法分离碘和氯化铵的混合物　②用结晶法分离硝酸钾和氯化钠的混合物　③用分液法分离水和硝基苯的混合物　④用蒸馏法分离乙醇(沸点为78.5 ℃)和乙酸乙酯(沸点为77.5 ℃)的混合物

A．①④　　　　　　 　B．②③

C．③④   D．②④

解析：选A　①中I2易升华，而NH4Cl受热易分解为NH3、HCl，NH3、HCl冷却又会化合生成NH4Cl，不能分离；④中两种有机物沸点十分接近，不能用蒸馏法分离。

4．实验室用下列仪器组装一套蒸馏石油的装置，并进行蒸馏得到汽油和煤油。

(1)写出下列仪器的名称：

①________；②________；③________。

(2)将以上仪器按从左到右顺序，用字母a、b、c……进行连接：e接________；________接________；________接________接________。

(3)①仪器的A口是________，B口是________。

(4)蒸馏时，温度计水银球应在________(位置)。

(5)在②中注入原油后，加几片碎瓷片的目的是____________________________

________________________________________________________________________。

解析：(2)组装仪器按“从左到右，从下到上”的顺序，该装置为蒸馏石油的装置，用铁架台固定蒸馏烧瓶，蒸馏烧瓶上方是温度计，右方是冷凝管，然后接牛角管，最后连接锥形瓶，所以仪器连接顺序是e→c→d→a→b→f→g。

(3)冷凝水应是下进上出，可延长热量交换时间，使冷凝更充分。

(4)温度计测量的是蒸气的温度，故温度计水银球应放在蒸馏烧瓶的支管口处。

(5)为防止烧瓶内液体受热不均匀而局部突然沸腾(暴沸)冲出烧瓶，需要在蒸馏烧瓶内加入几块沸石(或碎瓷片)。

答案：(1)(直形)冷凝管　蒸馏烧瓶　锥形瓶　(2)c　d　a　b　f　g　(3)进水口　出水口　(4)蒸馏烧瓶支管口处　(5)防止暴沸

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。

①原理：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整数比，确定实验式。

②方法：

[特别提醒]

(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，还可能含有氧元素。

(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。

2．相对分子质量的测定——质谱法

(1)原理

用高能电子流轰击样品分子，使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因质量不同而先后有别，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；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。

(3)示例：未知物质A的质谱图为

由图可看出，质荷比最大的是CH2CH2H(46)，这就表示了未知物质A的相对分子质量为46。

[特别提醒]

(1)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。

(2)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有机物的相对分子质量。

1．2.3 g某有机物完全燃烧后生成4.4 g二氧化碳和2.7 g水，该有机物的组成元素有哪些？

提示：该有机物中含C：×12 g·mol－1＝1.2 g

含H：×2×1 g·mol－1＝0.3 g

因2.3 g>(1.2 g＋0.3 g)，故该有机物中还含有氧元素。因此，该有机物是由C、H、O三种元素组成的。

2．某烃的含碳量为85.7%，试确定该烃的实验式。

提示：该烃中氢的含量为1－85.7%＝14.3%，则n(C)∶n(H)＝∶≈1∶2，该烃的实验式为CH2。

有机物分子式的确定

1．确定流程

2．确定方法

(1)直接法

直接求算出1 mol气体中各元素原子的物质的量，即可推出分子式，如给出一定条件下的相对密度及各元素的质量比，求算分子式的途径为：

相对密度―→摩尔质量―→1 mol气体中各元素原子的物质的量―→分子式。

(2)实验式法

实验式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子。

由各元素的质量分数―→各元素的原子个数之比(实验式)分子式。

(3)物质的量关系法

由密度或其他条件―→求摩尔质量―→求1 mol分子中所含各元素原子的物质的量―→求分子式。

(4)通式法

物质的性质等―→类别及组成通式(如CnH2n)n值―→分子式。

(5)方程式法

利用燃烧反应方程式时，要抓住以下关键：①气体体积变化；②气体压强变化；③气体密度变化；④混合物平均相对分子质量等。同时可结合适当方法，如平均值法、十字交叉法、讨论法等技巧来速解有机物的分子式。

1．某有机物在氧气中充分燃烧，生成的水蒸气和CO2的物质的量比为1∶1，由此可得出的结论是(　　)

A．分子中碳、氢原子个数比为2∶1

B．该有机物分子中C、H、O个数比为1∶2∶3

C．有机物中必定含氧

D．无法判断有机物中是否含有氧元素

解析：选D　水蒸气和CO2的物质的量之比为1∶1，根据原子守恒可知，有机物分子中碳、氢原子个数比为1∶2，A错误；有机物的相对分子质量未给出，无法判断有机物中是否含有氧元素，B、C错误，D正确。

2．2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机分子的结构进行分析的质谱法。其方法是让极少量(10－9g左右)的化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离子化后可得到C2H、C2H、C2H、……然后测定其质荷比β。设H＋的质荷比为1，某有机物样品的质荷比如下图(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子多少有关)，则该有机物可能是(　　)

A．CH3OH　　　　　 　B．C3H8

C．C2H4   D．CH4

解析：选D　有机物样品的质荷比的最大值为该物质的相对分子质量，根据有机物样品的质荷比图可知该物质的相对分子质量为16，甲醇、丙烷、乙烯、甲烷的相对分子质量为32、44、28、16，因此该有机物是甲烷。

3．某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧，生成8.8 g CO2和7.2 g H2O，下列说法中正确的是(　　)

A．该化合物含碳、氢两种元素

B．该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4

C．无法确定该化合物是否含有氧元素

D．该化合物一定是C2H8O2

解析：选B　n(CO2)＝＝0.2 mol，知m(C)＝0.2 mol×12 g·mol－1＝2.4 g，n(H2O)＝＝0.4 mol，知m(H)＝1 g·mol－1×0.8 mol＝0.8 g；则m(C)＋m(H)＝2.4 g＋0.8 g＝3.2 g，3.2 g＜6.4 g，故该化合物中含氧元素，其质量为6.4 g－3.2 g＝3.2 g，其物质的量n(O)＝＝0.2 mol。n(C)∶n(H)∶n(O)＝1∶4∶1，实验式为CH4O，分子式一定不是C2H8O2，因为实验式中H原子已饱和。

1．红外光谱

(1)作用：可以初步判断有机物中含有何种化学键或官能团。

(2)原理：当红外线照射有机物分子时，不同化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。

(3)实例：下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物的结构简式为CH3COOCH2CH3或CH3CH2COOCH3。

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在谱图上出现的位置不同，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。

如图所示核磁共振氢谱图中有三个峰，峰面积(或吸收强度)之比是1∶2∶3，可知该有机物中有三种不同类型的氢原子且个数比为1∶2∶3。

[特别提醒]

(1)红外光谱可以测量出化学键或官能团的种类，但不能测出化学键或官能团的个数。

(2)核磁共振氢谱中吸收峰的数目代表的是氢原子的种类而非氢原子的个数。

1．二甲醚和乙醇是同分异构体，其鉴别可采用化学方法及物理方法，下列鉴别方法中不能对二者进行鉴别的是(　　)

A．利用金属钠或者金属钾

B．利用质谱法

C．利用红外光谱法

D．利用核磁共振氢谱

解析：选B　因为二甲醚和乙醇是同分异构体，其相对分子质量相同，不能用质谱法鉴别。

2．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(　　)

A．CH3CH2CH3　　　　 　B．CH3CH2CH2OH

C．   D．CH3CH2CHO

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，B项有4种，C项有2种，D项有3种。

3．核磁共振谱(NMR)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NMR谱中都给出了相应的峰(信号)。NMR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NMR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NMR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，请写出该化合物的可能的结构简式________________________________。

解析：分子式为C3H6O2，第一种情况峰的强度比是3∶3，我们可以知道有两种类型的氢原子，而且两种类型氢原子个数比为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，由此得出两种结构简式符合要求。