名师一号选修五有机化学1.4研究有机化合物的一般步骤和方法.ppt

第四节研究有机化合物的一般步骤和方法 目标导学1 初步了解研究有机化合物的一般步骤 2 了解蒸馏 重结晶 萃取的概念 掌握蒸馏 重结晶 萃取的操作原理 3 掌握相对分子质量的测定方法 质谱法 4 掌握鉴定有机化合物的物理方法 如红外光谱 核磁共振氢谱等 5 感受现代物理学及计算机技术对有机化学发展的推动作用 体验严谨 求实的有机化合物研究过程 课前自主学习 一 研究有机化合物的基本步骤研究有机物一般要经过的四个基本步骤是 1 分离 提纯 2 元素定量分析 确定实验式 3 测定相对分子质量 确定分子式 4 波谱分析 确定结构式 二 有机物的分离 提纯1 蒸馏 1 用途常用于分离 提纯沸点不同的液态有机物 2 适用条件 有机物热稳定性较强 较大 有机物与杂质的沸点相差较大 一般约大于30 3 实验装置 4 注意事项 温度计水银球应处于蒸馏烧瓶支管口处 加素烧瓷片的目的是防止暴沸 冷却水应从冷凝管的下口流入 上口流出 2 重结晶对溶剂的要求 1 杂质在此溶剂中溶解度很小或溶解度很大 易于除去 2 被提纯的有机物在此溶剂中的溶解度 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 萃取萃取包括液 液萃取和固 液萃取 液 液萃取是利用有机物在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同 将有机物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程 分离操作中常用的玻璃仪器是分液漏斗 常用的有机溶剂有乙醚 石油醚 二氯甲烷等 固 液萃取是用有机溶剂从固体物质中溶解出有机物的过程 4 色谱法色谱法是利用吸附剂对不同有机物吸附作用不同 分离 提纯有机物的方法 常用的吸附剂有碳酸钙 硅胶 氧化铝 活性炭等 三 元素分析与相对分子质量的测定1 元素分析用化学方法鉴定有机物分子的元素组成 以及分子内各元素原子的质量分数 这就是元素的定性 定量分析 元素定量分析的原理是将一定量的有机物燃烧 分解为简单的无机物 并作定量测定 通过无机物的质量推算出组成该有机物原子的质量分数 然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比 即确定其实验式 2 相对分子质量的测定 质谱法质谱法分析时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 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 质谱图中质荷比最大值就是样品分子的相对分子质量 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的化学键或官能团 2 原理 不同的官能团或化学键吸收频率不同 在红外光谱图中处于不同位置 2 核磁共振氢谱 1 作用 测定有机物分子中氢原子的类型和数目 2 原理 处于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 吸收峰数目等于氢原子种类 吸收峰面积之比等于氢原子数目之比 课堂深化探究 一 物质的分离 提纯1 物质的分离把混合物的各种物质分开的过程 分开以后的各物质应该尽量减少损失 而且是比较纯净的 1 物理方法有 过滤 重结晶 升华 蒸发 蒸馏 分馏 液化 分液 萃取 渗析 溶解 盐析 气化 洗气等 2 化学方法有 加热分解 氧化还原转化 生成沉淀 酸碱溶解或中和 络合 水解 化学方法洗气等 2 物质的提纯将某物质中的杂质 采用物理方法或化学方法除掉的过程 它和分离的主要区别在于除掉后的杂质可以不进行恢复 1 物质提纯的原则 不增 指在提纯过程中不增加新杂质 不减 指在提纯过程中不减少被提纯物 易分离 指被提纯物与杂质易分离 易复原 指在提纯过程中被提纯物转变成了其他物质时 应容易将其恢复到原来的状态 2 提纯的方法 杂转纯 将要除去的杂质变为被提纯物 这是提纯物质的最佳方案 如除去Na2CO3中混有的NaHCO3 可将混合物加热使NaHCO3全部转化为Na2CO3 杂变沉 加入一种试剂将要除去的杂质变成沉淀 最后用过滤的方法除去沉淀 化为气 加热或加入一种试剂使杂质变为气体逸出 如食盐水中混有Na2CO3 可加盐酸使CO2 3变为CO2逸出 溶剂分 加入一种溶剂将杂质或被提纯物质萃取出来 如用CCl4可将碘从水中萃取出来 3 常见有机物的分离提纯方法 括号内为杂质 特别提示 在分离和提纯时要注意 除杂试剂要过量 过量试剂需除尽 除去多种杂质时要考虑加入试剂的顺序 二 元素分析与有机物分子式的确定1 有机物组成元素的推断一般来说 有机物完全燃烧后 各元素的对应产物为 C CO2 H H2O Cl HCl 某有机物完全燃烧后若产物只有CO2和H2O 该有机物组成元素可能为C H或C H O 2 有机物相对分子质量的确定 1 确定相对分子质量的基本方法 2 用质谱法测定相对分子质量分析方法 质谱记录了有机物分子失去一个电子而成为离子的质量大小 其中最大的离子质量就是有机化合物的相对分子质量 3 有机物分子式的确定 1 燃烧通式法根据有机物完全燃烧反应的通式及反应物和生成物的质量或物质的量或体积关系 利用原子个数守恒来求出1mol有机物所含C H O原子的物质的量 从而求出分子式 如烃和烃的含氧衍生物的通式可设为CxHyOz z 0为烃 燃烧通式为CxHyOz x y 4 z 2 O2 xCO2 y 2H2O 2 平均值法根据有机混合物中的平均碳原子数或氢原子数确定混合物的组成 平均值的特征为 C小 C C大 H小 H H大 如求出平均化学式为C1 5H4 说明混合气体中一定含有甲烷 CH4 不含乙烷 C2H6 3 最简式法根据分子式为最简式的整数倍 利用相对分子质量及求得的最简式可确定其分子式 如烃的最简式的求法为 N C 最简整数比 该烃的最简式为CaHb 则分子式应为 CaHb n n M 12a b M为烃的相对分子质量 12a b为最简式的式量 4 余数法 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 烯 炔 苯的同系物等 若烃 CxHy 的类别不确定 可用相对分子质量M除以12 看商和余数 即x y 分子式为CxHy 当x值减小1时 y值增大12 三 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 CH4O只能是CH3OH 2 通过定性实验确定 实验 有机物表现的性质及相关结论 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 如可通过钠与乙醇反应产生H2 确定乙醇分子中含羟基 2 通过定量实验确定官能团的数目 如测得某醇1mol与足量钠反应可得到1mol气体 则可说明一个醇分子含2个 OH 4 根据实验测定的有机物的结构片断 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 利用红外光谱和核磁共振氢谱确定 利用红外光谱可分析出有机分子中的化学键或官能团 利用核磁共振氢谱可推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目 二者结合从而分析出有机物的结构式 6 解题模式 典例剖析 知识点一 分离 提纯方法的选择例1 现有三组混合液 乙酸乙酯和碳酸钠溶液 乙醇和丁醇 溴化钾和单质溴的水溶液 分离以上各混合液的正确方法依次是 A 分液 萃取 蒸馏B 萃取 蒸馏 分液C 分液 蒸馏 萃取D 蒸馏 萃取 分液 解析 乙酸乙酯和碳酸钠溶液是互不相溶的两种液体 分离它们可采取分液的方法 乙醇和丁醇是互溶的两种有机物 不能用分液和萃取的办法 应利用它们沸点的不同将它们分开 即蒸馏 溴化钾和单质溴可利用它们在有机溶剂中溶解性的差异分开 即萃取的方法 答案 C 知识点二 有机物分子式的确定 例2 某有机物3 0g 完全燃烧后生成3 6g水和3 36LCO2 标准状况 已知该有机物的蒸气对氢气的相对密度为30 求该有机物的分子式 解析 1 有机物的相对分子质量 Mr 30 2 60 4 由有机物的相对分子质量为60 可知有机物的分子式为C3H8O 答案 C3H8O 知识点三 核磁共振氢谱法鉴定有机物分子结构 例3 质子核磁共振氢谱 PMR 是研究有机物结构的有力手段之一 在所研究的化合物分子中 每一结构中的等效氢原子在PMR谱中都给出了相应的峰 信号 谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比 例如 乙醛的结构式为CH3CHO 其PMR谱中有两个信号 其强度之比为3 1 分子式为C3H6O2的有机物 如果在PMR谱中观察到的氢原子给出的峰有两种情况 第一种情况峰给出的强度比为1 1 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 第一种情况峰强度比为1 1 说明有两类性质不同的氢原子 且两类氢原子数目相等 即有2个性质不同 连接方式有别的 CH3 则结构简式为 第二种情况峰强度比为3 2 1 说明结构中含有3种不同性质的氢原子 其个数比别为3 2 1 故结构简式为或或 课内针对性训练 1 分离下列物质时可用重结晶法的是 A 蔗糖中含有泥沙B 汽油中含有水C 氯化钠和硝酸钾混合物D 硫酸铜和氢氧化铜答案 C 解析 A选项用过滤方法分离 B选项可用分液方法分离 D选项可以用溶解方法分离 C选项应用重结晶分离 2 下图所示是分离混合物时常用的主要仪器 从左至右 可以进行的混合物分离操作分别是 A 蒸馏 蒸发 萃取 过滤B 蒸馏 过滤 萃取 蒸发C 萃取 过滤 蒸馏 蒸发D 蒸发 萃取 过滤 蒸馏 答案 B解析 熟悉各装置的作用是解答本题的关键 是蒸馏烧瓶 用于蒸馏法分离提纯液体混合物 是漏斗可用于过滤法分离固体和液体混合物 是分液漏斗可用于分离两种互不相溶的液体 是蒸发皿 可用于蒸发结晶 3 某有机物6 4g在O2中充分燃烧 只生成8 8gCO2和7 2gH2O 下列说法正确的是 A 该化合物仅含C H两种元素B 该化合物中C H个数比为1 2C 无法确定其是否含氧元素D 该化合物一定含氧元素答案 D 4 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的核磁共振氢谱有三个峰图 b 峰面积之比是1 2 3 未知物A的结构简式为 答案 CH3 CH2 OH解析 由红外光谱可知 A分子中有C H键 O H键 C O键 由A的核磁共振氢谱可知 该有机物含三种H 且三种H的个数比为1 2 3 由分子式C2H6O不难推出A的结构简式为CH3CH2OH 课后优化训练基础强化 1 下列实验操作错误的是 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C 可用酒精萃取碘水中的碘D 称量氯化钠时 氯化钠放在称量纸上 置于托盘天平的左盘 砝码放在托盘天平的右盘 答案 C解析 因酒精与水互溶 故不可用作萃取剂萃取碘水中的碘 2 可以用分液漏斗分离的一组化合物是 A 溴和四氯化碳B 苯和溴苯C 酒精和水D 苯和水答案 D解析 溴溶于四氯化碳 溴苯溶于苯 酒精和水互溶 只有苯和水不混溶 能分层 可以用分液漏斗分离 3 下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是 A CH4B C HCOOHD CH3COOCH3 答案 A 解析 有机物中含有几种不同类型的氢原子 在核磁共振氢谱上就能出现几种信号 CH4 HCOOH CH3COOCH3在核磁共振氢谱中出现的峰数依次为1种 4种 2种 2种 4 某有机物在氧气中充分燃烧 生成的水蒸气和二氧化碳的物质的量之比为1 1 由此可以得出的结论是 A 该有机物分子中 C H O原子个数比为1 2 3B 该有机物分子中 C H原子个数比为1 2C 该有机物中必定含氧D 该有机物中必定不含氧 解析 由燃烧产物水蒸气和二氧化碳的物质的量之比为1 1可知 有机物分子中C H个数比为1 2 无法确定其分子中是否含有氧原子 5 标准状况下 0 5mol烃完全燃烧时 生成44 8LCO2 又知0 1mol此烃能与标准状况下4 48LH2加成 则此烃的结构简式是 A CH3CH2CH2CH3B CH3 C C CH3C CH3CH2CH FY 1 CH2D CH2 CH CH CH CH3 答案 B解析 由题设知0 5mol烃燃烧所得二氧化碳在标况下的体积 可推知此烃分子中含有4个碳原子 又因0 1mol烃与0 2molH2加成 该烃含一个碳碳三键或两个碳碳双键 B符合条件 6 下列分离或除杂的方法不正确的是 A 用升华分离碘和氯化铵的混合物B 用蒸馏法分离苯和溴苯C 用渗析法除去蛋白质溶液中混有的少量NaClD 用饱和NaHCO3溶液除去CO2中混有的少量HCl气体答案 A 解析 A中NH4Cl受热易分解 不能达到分离的目的 B中苯和溴苯互溶 可用蒸馏法分离 C中除去胶体中杂质离子的方法是渗析法 D中HCl与NaHCO3反应 HCO 3 H CO2 H2O 而CO2在其中的溶解度很小 故能除去CO2中的少量HCl气体 7 1 下图是一套蒸馏装置图 图中的错误是 缺少石棉网 温度计的位置错误 冷凝管进 出水方向不对 2 若用蒸馏的方法分离甘油 沸点为290 和水的混合物 先被蒸馏出来的物质是 3 若用蒸馏的方法分离出CCl4 沸点为76 8 中含有的乙醚CH3CH2OCH2CH3 沸点为45 应控制温度在 水 45 解析 1 从图中看 缺少石棉网 蒸馏烧瓶加热时 必须垫石棉网 温度计位置错误 应放在蒸馏烧瓶的支管口处 冷凝管中冷却水应从下口进 上口出 2 将沸点低的物质蒸出即达到分离目的 水的沸点比甘油低 先被蒸出 3 先蒸出的是沸点低的乙醚 故控制温度应在45 8 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 请写出A的分子式 2 若A的一氯代物只有一种 写出A的结构简式并命名 答案 CCH3CH3H3CCH32 2 二甲基丙烷 C5H12 因m C m H 0 1mol 12g mol 1 0 24mol 1g mol 1 1 44g则A只含有C H两种元素n C n H 0 1mol 0 24mol 5 12由M C5H12 72则A的分子式为C5H12 2 C5H12的同分异构体有三种 只有的一氯代物有一种 名称为2 2 二甲基丙烷 能力提升 1 核磁共振 NMR 技术已广泛应用于复杂分子结构的测定 已知只有质子数或中子数为奇数的原子核有NMR现象 试推断下列哪组原子均无NMR现象发生 A A族所有元素的原子B A族所有元素的原子C 12C 18O 32SD 24Mg 40Ca 36Cl答案 C 解析 C中各核素的质子数 中子数均为偶数 无NMR现象发生 2 两种气态烃组成的混合气体0 1mol 完全燃烧可得到0 18molCO2和3 6gH2O 下列说法正确的是 A 一定有甲烷B 一定有甲烷和乙烯C 一定有乙烷D 一定有乙炔 答案 A解析 根据混合气态烃0 1mol 完全燃烧得到0 18molCO2 0 2mol水 两种气态烃的平均化学式为C1 8H4 说明