高二化学研究有机物的一般步骤和方法人教实验版知识精讲

用心 爱心 专心 高二化学高二化学研究有机物的一般步骤和方法研究有机物的一般步骤和方法人教实验版人教实验版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 研究有机物的一般步骤和方法 1 有机物的分离提纯 2 元素分析与相对分子质量的测定 3 用物理方法确定有机化合物的结构 二 重点 难点 1 能够根据有机化合物中各组成元素含量及相对分子质量确定有机化合物分子式的方法 2 知道研究有机化合物结构的一般过程与方法 三 教学过程 研究有机化合物的一般步骤 1 用重结晶 蒸馏 萃取等方法对有机物进行分离 提纯 2 对纯净的有机物进行元素分析 确定实验式 3 可用质谱法测定相对分子质量 确定分子式 4 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的数目 确定 结构式 一 分离 提纯 一 分离 提纯 提纯固体有机物常采用重结晶法 提纯液体有机物常采用蒸馏操作 也可以利用有机 物与杂质在某种溶剂中溶解性的差异 用溶剂萃取来提纯 1 蒸馏 当液态有机物含有少量杂质 而且该有机物热稳定性较强 与杂质的沸点相差 较大时 一般约大于 30 就可以用蒸馏法提纯此液态有机物 思考思考 1 实验室进行蒸馏时 用到的仪器有哪些 温度计 蒸馏烧瓶 石棉网 铁架台 酒精灯 冷凝管 牛角管 锥形瓶 2 实验过程中要注意哪些问题 在蒸馏烧瓶中放少量碎瓷片 防止液体暴沸 温度计水银球的位置应与支管底口下缘位于同一水平线上 蒸馏烧瓶中所盛放液体不能超过其容积的 2 3 也不能少于 l 3 用心 爱心 专心 冷凝管中冷却水从下口进 从上口出 加热温度不能超过混合物中沸点最高物质的沸点 不能直接加热蒸馏烧瓶 应垫上石棉网 3 这样得到的酒精是否就是无水酒精 怎样才能得到无水酒精 2 重结晶 利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的溶解度不同而将其杂质除去的方法 思考思考 1 重结晶对溶剂有何要求 杂质在此溶剂中溶解度很小或溶解度很大 易于除去 2 被提纯的有机物的溶解度需符合什么特点 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 在冷溶液中的溶解度较小 冷却后易于结晶析出 3 重结晶的步骤 高温溶解 趁热过滤 低温结晶 不纯固体物质不纯固体物质 残渣残渣 滤液滤液 不溶性杂质 不溶性杂质 母液母液 晶体晶体 可溶性杂质和部分被提纯物 可溶性杂质和部分被提纯物 产品 产品 3 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 思考思考 1 如何选取萃取剂 萃取剂与原溶剂互不相溶 被萃取的物质在萃取剂中的溶解度比原溶剂要大得多 2 常见的有机萃取剂有哪些 常见的有机萃取剂有乙醚 石油醚 二氯甲烷 四氯化碳 二 元素分析与相对分子质量的测定 1 元素分析方法 思考思考 1 如何确定有机化合物中 C H 元素的存在 1 定性分析 确定有机物中含有哪些元素 李比希法 一般讲有机物燃烧后 各元素对应产物为 C CO2 H H2O 若有机物完全燃烧 产物只有 CO2和 H2O 则有机物组成元素可能为 C H 或 C H O 2 定量分析 确定有机物中各元素的质量分数 现代元素分析法 2 如何确定有机化合物的分子式 练习练习 某含 C H O 三种元素的未知物 A 经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数 为 52 16 氢的质量分数为 13 14 1 试求该未知物 A 的实验式 分子中各原子的最简单的整数比 C2H6O 冷却 结晶 过滤 洗涤冷却 结晶 过滤 洗涤 溶于溶剂 制成饱和溶液 趁热过滤溶于溶剂 制成饱和溶液 趁热过滤 用心 爱心 专心 小结小结 1 实验式和分子式的区别 实验式表示化合物分子所含元素的原子数目最简单整数比 的式子 分子式表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子 2 若要确定它的分子式 还需要什么条件 小结小结 2 确定有机化合物的分子式的方法 一 由物质中各原子 元素 的质量分数 各原子的个数比 实验式 由相对分子质 量和实验式 有机物分子式 二 有机物分子式 知道一个分子中各种原子的个数 1mol 物质中的各种原子的物 质的量 1mol 物质中各原子 元素 的质量除以原子的摩尔质量 1mol 物质中各种原 子 元素 的质量等于物质的摩尔质量与各种原子 元素 的质量分数之积 练习练习 实验测得某碳氢化合物 A 中 含碳 80 含氢 20 求该化合物的实验式 又测得 该化合物的相对分子质量是 30 求该化合物的分子式 小结小结 3 确定相对分子质量的方法有 1 M m n 2 根据有机蒸气的相对密度 D M1 DM2 3 标况下有机蒸气的密度为 g L M 22 4L mol g L 总结总结 确定有机物的分子式的途径 1 确定实验式 2 确定相对分子质量 3 确定有机物分子式 练习练习 某同学为测定维生素 C 可能含 C H 或 C H O 中碳 氢的质量分数 取维生素 C 样品碾碎 称取该样品 0 352 g 置于铂舟并放入燃烧管中 不断通入氧气流 用酒精喷 灯持续加热样品 将生成物先后通过无水硫酸铜和碱石灰 两者分别增重 0 144g 和 0 528g 生成物完全被吸收 试回答以下问题 1 维生素 C 中碳的质量分数是 氢的质量分数是 2 维生素 C 中是否含有氧元素 为什么 3 试求维生素 C 的实验式 2 相对分子质量的测定 质谱法 MS 1 测定相对分子质量的方法很多 质谱法是最精确 最快捷的方法 2 质谱法的原理 用高能电子流轰击样品 使分子失去电子变成带正电荷的分子离 子和碎片离子 在磁场的作用下 由于它们的相对质量不同而使其到达检测器的时间也先 后不同 其结果被记录为质谱图 思考思考 1 质荷比是什么 分子离子与碎片离子的相对质量与其电荷的比值 2 如何读谱以确定有机物的相对分子质量 由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大 达到检测器需要的时间越长 因此谱图 中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量 练习练习 2002 年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机物分子进行结构分析的质谱 法 其方法是让极少量的 10 9g 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 C2H6 C2H5 C2H4 然后 测定其质荷比 设 H 的质荷比为 某有机物样品的质荷比如下图所示 假设离子均带 一个单位正电荷 信号强度与该离子的多少有关 则该有机物可能是 A 甲醇 B 甲烷 C 丙烷 D 乙烯 用心 爱心 专心 三 用物理方法确定有机化合物的结构 三 用物理方法确定有机化合物的结构 当化合物结构比较复杂时 若用化学方法 时间长 浪费试剂 因此科学上常常需要 采取一些物理方法 与鉴定有机物结构有关的物理方法有质谱 红外光谱 核磁共振谱等 1 红外光谱 1 原理 由于有机物中组成化学键 官能团的原子处于不断振动状态 且振动频率 与红外光的振动频谱相当 所以 当用红外线照射有机物分子时 分子中的化学键 官能 团可发生震动吸收 不同的化学键 官能团吸收频率不同 在红外光谱图中将处于不同位 置 从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息 2 作用 推知有机物含有哪些化学键 官能团 练习练习 有一有机物的相对分子质量为 74 确定分子结构 请写出该分子的结构简式 2 核磁共振氢谱 1 原理 氢原子核具有磁性 如用电磁波照射氢原子核 它能通过共振吸收电磁波 能量 发生跃迁 用核磁共振仪可以记录到有关信号 处在不同环境中的氢原子因产生共 振时吸收电磁波的频率不同 在图谱上出现的位置也不同 各类氢原子的这种差异被称作 化学位移 而且吸收峰的面积与氢原子数成正比 2 作用 不同化学环境的氢原子 等效氢原子 因产生共振时吸收的频率不同 被 核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同 所以 可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类 型及数目 吸收峰数目 氢原子类型 不同吸收峰的面积之比 强度之比 不同氢原子的个数之比 用心 爱心 专心 如 如 CH3CH2OH 有三种类型的氢 图谱上出现三种不同吸收峰 CH3 O CH3有一 种类型的氢 图谱上只出现一种吸收峰 练习练习 一个有机物的分子量为 70 红外光谱表征到碳碳双键和 C O 的存在 核磁共振氢谱 列如下图 写出该有机物的分子式 写出该有机物的分子式 C4H6O O 写出该有机物的可能的结构简式 写出该有机物的可能的结构简式 H C CH CHCH3 典型例题典型例题 例 1 只用水就能鉴别的一组物质是 A 苯 乙酸 四氯化碳B 乙醇 乙醛 乙酸 C 乙醛 乙二醇 硝基苯D 苯酚 乙醇 甘油 分析 选项 A 是利用三种有机物的溶解性和密度大小加以区分 苯难溶于水比水轻 乙酸能溶于水 四氯化碳难溶于水但比水重 选项 B 中乙醇 乙醛 乙酸均能溶于水 难 以区分 选项 C 中乙醛 乙二醇和选项 D 中乙醇 甘油皆能溶于水 无法区分 答案为 A 例 2 回答下面问题 1 分离沸点不同但又互溶的液体混合物 常用什么方法 2 在分液漏斗中用一种有机溶液萃取水溶液里的某物质时 静置分层后 如果不知 道哪一层液体是 水层 试设计一种简便的判断方法 解析 本题考查了混合物的分离原理和分离方法 分离沸点不同但又互溶的液体混合 物 常用蒸馏的方法 分离互不相溶的液体混合物 常用分液的方法 此题的难点是第二 小题 这是一实验设计题 比较新颖 粗看感到无从下手 实质上 解此题要紧扣水与有 机物互不相溶这一分液原理 从分液漏斗中放出少量下层液体 再向放出的液体中加入水 如不分层 则证明下层是水 答案 1 蒸馏法 2 取一支小试管 打开分液漏斗的活塞 慢慢放出少量液体 往其中加入少量水 如果加水后 试管中的液体不分层 说明分液漏斗中 下层是 水层 反之 则上层是水层 例 3 在真空中 用高能电子轰击一种气体分子时 分子中的一个电子可以被轰击出去 生成阳离子自由基 如苯甲酸分子被轰击 C6H5COOH C6H5COOH e 其阳离子的式量与所带电荷数之比 z m 为 122 即1 122 与此同时 这样的离子 还会被轰击成其它形式的碎片离子 都只带一个单位的正电荷 各有它们的 z m 由苯 甲酸形成的碎片离子按所测得的 z m 大小排列有 122 105 77 51 有四类有四类不同信 号峰 有机物 有机物 分子中有四种分子中有四种 不同类型的不同类型的 H 用心 爱心 专心 现有中学常用的有机化合物 A 仅由 C H O 元素组成 通常 A 是一种无色透明的 液体 不溶于水 加热后能逐渐溶于稀 NaOH 溶液或稀 H2SO4溶液 冷却后不再析出原有 的液体 若用高能电子束轰击气体 A 分子时 在 70eV 下可得 z m 为 88 73 61 45 29 27 15 等的离子 均只带一个正电荷 回答下列问题 1 有机 物 A 的相对分子质量是 分子式是 2 z m 为 88 的 离子是 3 z m 为 15 的离子是 分析 据题知 A 是酯 式量与所带电荷比的最大值即为其化学式的式量 又据两组数 据信息的类比推理得知 常见酯 A 的式量为 88 故 A 的分子式是 C4H8O2 同理依据 题给信息 推知 离子 分别为 C4H8O2 和 CH3 答案 1 88 C4H8O2 2 C4H8O2 3 CH3 例 4 常温下某气态烃 A 的密度为相同条件下氢气密度的 15 倍 该烃中 C 的质量分数为 80 则该烃的最简式为 分子式为 分析 分析 相同条件下不同气体的密度与摩尔质量 M 相对分子质量 Mr 成正比 5 H A H M A M 22r r 30215 H M15 A M 2rr 该烃中 C 质量分数为 80 则 H 的质量分数为 20 求化合物的最简式即求该化合 物分子中各元素原子的数目 N 之比 80 20 N C N H 1 3 121 该烃的最简式是 CH3 设该烃 A 的一个分子中含n个 CH3 则 该烃的分子式为 C2H6 答案 CH3 C2H6 例 5 已知某烃 A 含碳 85 7 含氢 14 3 该烃对氮气的相对密度为 2 求该烃的分子 式 分析 分析 85 7 14 3 n C n H 1 2 121 即最简式为 CH2 化学式为 2n CH 用心 爱心 专心 该烃的相对分子质量 Mr A Mr N2 2 28 2 56 4 14 56 CH M A M n 2r r 故 分子式为 C4H8 例 6 一种气态烷烃和气态烯烃组成的混合物共 10g 混合气体密度是相同状况下 H2密 度的 12 5 倍 该混合气体通过装有溴水的试剂瓶时 试剂瓶总质量增加了 8 4g 组成该混 合气体的可能是 A 乙烯和乙烷B 乙烷和丙烯C 甲烷和乙烯D 丙稀和丙烷 分析 分析 混合气体的平均摩尔质量为 12 5 2g mol 25 g mol 则混合气的物质的量为 又烯烃中最简单的乙烯的摩尔质量是 28g mol 故烷烃的摩尔质量一 定小于 25g mol 只能是甲烷 当混合气通过溴水时 由于只有烯烃和溴水反应 因此增 重的 8 4g 为烯烃质量 则甲烷质量为 10g 8 4g 1 6g 甲烷的物质的量为 0 1mol 则 烯烃的物质的量为 0 3mol 烯烃的摩尔质量为 根据烯烃通式 CnH2n 即 14n 28 可求出 n 2 即烯烃为乙烯 答案 C 模拟试题模拟试题 1 欲用 96 的工业酒精制取无水乙醇时 可选用的方法是 A 加入无水 CuSO4 再过滤 B 加入生石灰 再蒸馏 C 加入浓硫酸 再加热 蒸出乙醇 D 将 96 的乙醇溶液直接加热蒸馏出苯 2 可以用分液漏斗分离的一组液体混合物是 A 溴和四氯化碳 B 苯和溴苯 C 汽油和苯 D 硝基苯和水 3 下列每组中各有三对物质 它们都能用分液漏斗分离的是 A 乙酸乙酯和水 酒精和水 植物油和水 B 四氯化碳和水 溴苯和水 硝基苯和水 C 甘油和水 乙酸和水 乙酸和乙醇 D 汽油和水 苯和水 己烷和水 4 2002 年诺贝尔化学奖表彰了两项成果 其中一项是瑞士科学家库尔特 维特里希发明 了 利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法 在化学上经常使用的是氢 核磁共振谱 它是根据不同化学环境的氢原子在氢核磁共振谱中给出的信号不同来确定有 机物分子中的不同的氢原子 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 HCHO B CH3OH C HCOOH D CH3COOCH3 5 验证某有机物属于烃 应完成的实验内容属是 A 只测定它的 C H 比 用心 爱心 专心 B 只要证明它完全燃烧后产物只有 H2O 和 CO2 C 只测定其燃烧产物中 H2O 与 CO2的物质的量的比值 D 测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成 CO2和 H2O 的质量 6 某工厂废液经测定得知主要含有乙醇 其中还溶有丙酮 乙酸和乙酸乙酯 根据各物 质的性质 如下表 确定通过下列步骤回收乙醇和乙酸 物质丙酮乙酸乙酯乙醇乙酸 沸点 56 277 0678117 9 向废液中加入烧碱溶液 调整溶液的 pH 10 将混合液放入蒸馏器中缓缓加热 收集温度在 70 85 时的馏出物 排出蒸馏器中的残液 冷却后向其中加浓硫酸 过量 然后再放入耐酸蒸馏器进行 蒸馏 回收馏出物 请回答下列问题 1 加入烧碱使溶液的 pH 10 的目的是 用化学方程式表示 2 在 70 85 时馏出物的主要成份是 3 在步骤 中 加入过量浓硫酸的目的是 用化学方程式表示 4 当最后蒸馏的温度控制在 85 125 一段时间后 残留液中溶质的主要成份是 7 下列物质中的杂质 括号中是杂质 分别可以用什么方法除去 1 酒精 水 2 壬烷 己烷 3 KNO3 NaCl 4 乙酸乙酯 乙醇 5 甲烷 乙烯 6 NaCl 泥沙 7 溴水 水 8 CO2 HCl 8 分子式为 C3H6O2的二元混合物 如果在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两 种情况 第一种情况峰给出的强度为 1 1 第二种情况峰给出的强度为 3 2 1 由此推 断混合物的组成可能是 写结构简式 9 质子核磁共振谱 PMR 是研究有机物结构的重要方法之一 在研究的化合物分子 中 所处环境完全相同的氢原子在 PMR 谱中出现同一种信号峰 如 CH3 2CHCH2CH3 在 PMR 谱中有四种信号峰 又如 CH3 CHBr CHX 存在着如下的两种不同空间结构 因此 CH3 CHBr CHX 的 PMR 谱上会出现氢原子的 种不同信号峰 10 某仅由碳 氢 氧三种元素组成的有机化合物 经测定其相对分子质量为 46 取该 有机化合物样品 4 6g 在纯氧中完全燃烧 将产物先后通过浓硫酸和碱石灰 两者分别增 重 5 4g 和 8 8g 1 试求该有机化合物的分子式 2 若该有机化合物的 1H 核磁共振谱图如下图所示 请写出该有机化合物的结构简 式 用心 爱心 专心 11 2002 年诺贝尔化学奖的一半奖金授予了瑞士科学家库尔特维特里希 以表彰他 发 明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法 核磁共振技术是利用核磁 共振谱来测定有机化合物结构 最有实用价值的就是氢谱 常用 HNMR 表示 如 乙醚分 子中有两种氢原子 其 HNMR 谱中有两个共振峰 两个共振峰的面积比为 3 2 而乙醇分 子中有三种氢 HNMR 谱中有三个峰 三个共振峰之间的面积比为 3 2 1 1 请写出分子式 C4H8在 HNMR 谱中两个面积之比为 3 1 的化合物的结构简式 2 C4H10的 HNMR 谱有两种 其中作液体打火机燃料的 C4H10的 HNMR 谱的两个 峰的面积比为 结构简式为 其同分异构体的两个峰的面积比为 结构简式为 12 某有机物的结构确定 测定实验式 某含 C H O 三种元素的有机物 经燃烧分析实验测定其碳的质量 分数是 64 86 氢的质量分数是 13 51 则其实验式是 下图是该有机物的质谱图