人教版高中化学选修五第4讲：研究有机物的一般步骤和方法(教师版)

研究有机物的一般步骤和方法____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．了解测定有机化合物元素含量、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；2．了解确定有机物结构的化学方法和某些物理方法；3．了解有机物分离和提纯的一般方法，并能运用所学知识，分离和提纯简单的有机混合物。知识点一.研究有机物的基本步骤在化学上，要鉴定和研究未知有机化合物的结构与性质，必须得到纯净的有机物，下面是研究有机化合物一般要经过的几个基本步骤：分离、提纯→元素定量分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式知识点二.分离、提纯有机物提纯混有杂质的有机物的方法很多，基本方法是利用有机物与杂质物理性质的差异而将它们分离。分离、提纯有机物的常用方法有蒸馏、重结晶、萃取、色谱法等。分离、提纯有机物的常用方法实验方法实验原理实验相关内容蒸馏利用有机物与杂质沸点的差异（一般约大于30℃），将有机物蒸出，然后冷却得到产品蒸馏操作时需注意两点：①温度计水银球要置于蒸馏烧瓶支管口处；②冷凝管中水的流向与蒸气在冷凝管中的流向相反重结晶利用有机物与杂质在溶剂中溶解度的不同，使有机物多次从溶液中析出的过程重结晶可分为加热溶解、趁热过滤、冷却结晶三个步骤，其首要工作是选择合适的溶剂，要求：①杂质在此溶剂中溶解度很大或很小，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性不同，将有机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物的过程分液漏斗是萃取常用的玻璃仪器，萃取分液后，应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色谱法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、活性炭等要点解释：（1）蒸馏是物理变化。（2）蒸馏时接收汽凝液的容器应用小口容器（如锥形瓶），以减少汽凝液的挥发。（3）萃取常在分液漏斗中进行，分液是萃取操作的一个步骤，必须经过充分振荡后再静置分层。知识点三.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。有机物的元素定量分析最早是由德国人李比希提出的，其原理是将一定量的有机物燃烧，分解为简单无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算并确定出有机物的实验式。现在，元素定量分析采用的是现代化的元素分析仪，由计算机控制，其分析速度和分析的精确度已达到很高的水平。有机化合物元素组成测定示意图如下：2．有机物的相对分子质量的测定。测定有机物的相对分子质量的方法很多，可以依据理想气体状态方程并采用特定的装置进行测定，也可以使用质谱仪进行测定。质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法。它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，它们在磁场作用下到达检测器的时间因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱图，在质谱图中最大的分子离子的质荷比就是有机物的相对分子质量。质谱记录了有机化合物分子失去一个电子而成为带正电荷的离子的质量大小，其中最大的离子质量就是有机化合物的相对分子质量。知识点四、有机物的分子结构的测定测定有机物的结构，关键步骤是判定分子的不饱和度及典型的化学性质，进而确定分子中所含的官能团及其所处的位置，从而推知有机物的分子结构。确定有机物分子结构的流程示意图如下：1．有机物分子不饱和度的计算。（1）有机物分子的不饱和度=。其中n（C）为碳原子数，n（H）为氢原子数。在计算不饱和度时，若含卤素原子，可将其视作氢原子；若含氧原子，可不予考虑。若含氮原子，则从氢原子总数中减去氮原子数。（2）不饱和度（也称缺氢指数）可以为测定有机物分子结构提供其是否含有双键、三键或碳环等不饱和结构的信息。（3）几种官能团的不饱和度化学键一个碳碳双键一个羰基一个酯基一个碳碳三键一个苯环不饱和度111242．确定有机物的官能团。可以通过化学反应对有机物的官能团进行鉴定和确定，从而推断有机物的可能官能团。但用化学方法来确定有机物的结构有时是相当复杂的。随着科学技术地发展，人们能通过红外光谱（IR）、核磁共振谱（NMR）等快速准确地确定有机物的结构。类型一.有机物常用的分离、提纯方法例1．现有三组混合溶液：①乙酸乙酯和乙酸钠溶液；②丁醇和乙醇；③溴化钠和单质溴的水溶液。分离以上各混合液的正确方法是（）。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：乙酸乙酯难溶于水，乙酸钠易溶于水，利用溶液分层采取分液的方法将两者分开；乙醇和丁醇互溶，不能用分液的方法分离，但两者的沸点相差较大，可采用蒸馏法分离；NaBr和单质Br2的水溶液，可利用Br2在有机溶剂中的溶解度比在水中的溶解度大得多而采用萃取法将Br2从水中萃取出来，从而达到与NaBr分离的目的。答案：C类型二：有机物分子式的确定例2.电炉加热时用纯氧气氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成，下列装置是用燃烧法确定有机物分子式常用的装置。（1）产生的氧气按从左到右流向，所选装置各导管的连接顺序是________。（2）C装置中浓硫酸的作用是________。（3）D装置中MnO2的作用是________。（4）燃烧管中CuO的作用是________。（5）若准确称取0.90g样品（含C、H、O三种元素中的两种或三种），经充分燃烧后，A管质量增加1.32g，B管质量增加0.54g，则该有机物的实验式为________。解析：本题利用H2O2在MnO2催化下分解产生氧气，用浓硫酸除去氧气中的水蒸气后氧化有机物生成CO2和H2O，利用装置B测定H2O的质量，利用装置A测定CO2的质量，从而可求出有机物含有的C、H（或O）的质量，进而求出有机物的实验式。电炉中CuO的作用是为了尽可能保证有机物全部氧化生成CO2和H2O。第（5）问中，，m(O)=0.90g―m(C)―m(H)=0.90g―0.03mol×12g·mol―1―0.03mol×2×1g·mol－1=0.48g，因n(C)∶n(H)∶n(O)=0.03mol∶(0.03mol×2)∶0.03mol=1∶2∶1，故该有机物的实验式为CH2O。特别提示：相对分子质量（或摩尔质量）计算的基本方法已知有关化学量公式适用范围或注意事项气体密度，气体摩尔体积VmM=Vm适用于气体（标准状况下）相对密度d，另一已知气体的相对分子质量MrMr=d·M。同温同压条件下的气体物质的质量m，物质的量n适用于所有的物质答案：（1）g—f，e—h，i—c（或d），d（或c）—a（或b），b（或a）（2）吸收水分，干燥氧气（3）催化剂，加快O2的生成速率（4）使有机物充分氧化生成CO2和H2O（5）CH2O例3.某有机物X由C、H、O三种元素组成，它的红外吸收光谱表明有羟基O—H键、C—O键、C—H键的红外吸收峰。X的核磁共振氢谱有四个峰，峰面积之比是4∶1∶1∶2（其中羟基氢原子数为3），X的相对分子质量为92，试写出X的结构简式。解析：由红外吸收光谱判断X应属于含有羟基的化合物。由核磁共振氢谱判断X分子中有四种不同类型的氢原子，若羟基氢原子数为3（两种类型氢原子），则烃基氢原子数为5且有两种类型。由相对分子质量减去已知原子的相对原子质量就可求出碳原子的个数：。故分子式为C3H8O3。羟基氢原子有两种类型，判断三个羟基应分别连在三个碳原子上，推知结构简式为。答案：类型三：有机物的结构的确定例4.核磁共振氢谱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，每一结构中的等性氢原子在核磁共振氢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，乙醛的结构简式为CH3CHO，其核磁共振氢谱中有两个信号，其强度之比为3∶1。分子式为C3H6O2的有机物，如果在核磁共振氢谱上观察到的峰有两种情况。第一种情况峰的强度比为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：第一种情况峰的强度比为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，则结构简式为。第二种情况峰的强度比为3∶2∶1，说明结构中含有3种不同性质的氢原子，其个数分别为3、2、l，则结构简式为：。答案：基础演练一．选择题1．(北京二中2014一2015学年度第一学段高二年级学段考试试卷)有机物的天然提取和人工合成往往得到的是混合物，假设给你一种这样的有机混合物让你研究，一般要采取的几个步骤是（） A．分离、提纯→确定化学式→确定实验式→确定结构式 B．分离、提纯→确定实验式→确定化学式→确定结构式 C．分离、提纯→确定结构式→确定实验式→确定化学式 D．确定化学式→确定实验式→确定结构式→分离、提纯2．(北京市东城区普通中学2015年5月高二化学有机化学基础练习题)下列属于分离、提纯液态有机物的操作的是（） A．蒸馏 B．蒸发 C．重结晶 D．过虑3．天然色素的提取往往应用到萃取操作，现在有用大量水提取的天然色素，下列溶剂不能用来萃取富集这些天然色素的是（） A．石油醚 B．丙酮 C．乙醇 D．乙醚4．用一种试剂鉴别苯酚、1—己烯、碘化钾溶液、苯四种液体，应选用()A．盐酸B．FeCl3溶液C．溴水D．四氯化碳5．(北京市东城区普通中学2015年5月高二化学有机化学基础练习题)下列各组混合物中，可以用分液漏斗分离的是（）A．溴苯和水B．乙酸和乙醇C．酒精和水D．溴苯和苯6．(北京市东城区普通中学2015年5月高二化学有机化学基础练习题)现有三组混合液：①乙酸乙酯和乙酸钠溶液②乙醇和丁醇⑧溴化钠和单质溴的水溶液，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7．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，则该有机物必须满足的条件是()A．分子中的C、H、O的个数比为1：2：3B．分子中C、H个数比为1：2C．该有机物的相对分子质量为14D．该分子中肯定不含氧元素8．某化合物6.4g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．该化合物仅含碳、氢两种元素B．该化合物中碳、氢原子个数比为1：4C．无法确定该化合物是否含有氧元素D．该化合物中一定含有氧元素9．mmolC2H2跟nmolH2在密闭容器中反应，当该可逆反应达到平衡时，生成pmolC2H4。将反应后的混合气体完全燃烧，生成CO2和H2O，所需要氧气的物质的是（）A．（3m+n）molB．C．(3m+n+2p)molD．二．填空题10．在密闭容器中某气态烃和氧气按一定比例混和，点火爆炸后恢复到原温度（20℃），压强减小至原来的一半，若加NaOH的溶液则气体全部被吸收，则此烃为（11．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90。取有机物样品1.8g，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1.08g和2.64g。试求该有机物的分子式。12．下列两幅谱图是结构简式为CH3CH2CH2OH和CH3CH(OH)CH3的两种有机化合物的1H核磁共振谱图。请判断哪一幅是CH3CH(OH)CH3的1H－NMR谱图，并说明理由。ABAB____________________________________________________________________________________________________________________________________________________巩固提高1．现有一瓶A和B的混合液，已知A和B的某些性质如下：物质分子式熔点℃沸点℃密度g•ｃｍ-3水溶性AＣ3Ｈ6Ｏ2-9857.50.93可溶BＣ4Ｈ8Ｏ2-84770.90可溶由此，分离A和B的最佳方法是（）A．萃取B．升华C．分馏D．分液2．A是一种含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。已知：A中碳的质量分数为44.1%，氢的质量分数为8.82%，那么A的实验式是（） A．C5H12O4B．C5H12O3C．C4H10O4 D．C5H10O3．(北京市普通高中2014-2015学年高二下学期期中测试化学试题)能够快速、微量、精确的测定相对分子质量的物理方法是（） A．质谱 B．红外光谱 C．紫外光谱 D．核磁共振谱4．通过核磁共振氢谱可以推知（CH3）2CHCH2CH2OH有多少种化学环境的氢原子（） A．6 B．5 C．45．二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6．某化合物有碳、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，则该有机物的结构简式是（） A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH（OH）CH3 C．CH3CH2CH2OH D．CH3CH2CH2O7．2002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．CH3OHC．HCOOHD．CH3COOCH38．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B．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2C．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9．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二．填空题10.(1)将有机物A置于氧气流中充分燃烧，实验测得：生成5.4gH2O和8.8gCO2，消耗氧气6.72L（标准状况下）.则该物质中各元素的原子个数比是______________________。.(2)质谱仪测定有机物A的相对分子质量为46，则该物质的分子式是______________________。.(3)根据价键理论，预测A的可能结构并写出结构简式___________________。.11.有机物A常用于食品行业。已知9.0gA在足量O2中充分燃烧，混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重5.4g和13.2g，经检验剩余气体为O2。（1）A分子的质谱图如下图所示，从图中可知其相对分子质量是90，则A的分子式是______________________。（2）A能与NaHCO3溶液发生反应，A一定含有的官能团名称是__________________。（3）A分子的核磁共振氢谱有4个峰，峰面积之比是1：1：1：3，则A的结构简式是_________________________________。（4）0.1molA与足量Na反应，在标准状况下产生H2的体积是__________L。一．选择题1．下列常用实验仪器中，不能直接用于混合物的分离或提纯的是（）。A．分液漏斗B．普通漏斗C．蒸馏烧瓶D．容量瓶2．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（）编号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）水渗析CCH3CH2OH（CH3COOH）CaO蒸馏DCO2（SO2）Na2CO3溶液洗气3．欲从苯酚的乙醇溶液中回收苯酚，有下列操作：①蒸馏②过滤③静置分液④加入足量金属钠⑤通入过量二氧化碳⑥加入足量的NaOH溶液⑦加入足量的FeCl3溶液⑧加入乙酸和浓硫酸的混合液并加热，合理的实验步骤顺序是（）。A．④⑤③B．⑥①⑤③C．⑧①D．⑧②⑤③4．下列化合物分子，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号峰的是（）。CHCH3—C—CH2CH3OA．CH3CH2CH3B．CHCH3—C—O—CH3OC．CH3—O—CH3D．5．研究有机物一般经过以下几个基本步骤：分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式，以下用于研究有机物的方法错误的是（）。A．蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物B．燃烧法是研究确定有机物成分的有效方法C．核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量D．对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子中的官能团6．某有机物仅由碳、氢、氧三种元素组成，其相对分子质量小于150，若已知其中氧的质量分数为50％，则分子中碳原子的个数最多为（）。A．4B．5C．6D．77．下列操作中错误的是（）。A．除去乙酸乙酯的少量乙酸：加入乙醇和浓硫酸，使乙酸全部转化为乙酸乙酯B．除去苯中的少量苯酚：加入NaOH溶液，振荡、静置分层后除去水层C．除去CO2中的少量SO2：通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶D．提取溶解在水中的少量碘：加入CCl4，振荡、静置分层后，取出有机层，再分离8．下列实验操作中错误的是（）。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．称量时，称量物放在称量纸上，置于托盘天平的左盘，砝码放在托盘天平的右盘9．某气态化合物X含C、H、O三种元素，现已知下列条件：①X中C的质量分数；②X中H的质量分数；③X在标准状况下的体积；④X对氢气的相对密度；⑤X的质量，欲确定化合物X的分子式，所需的最少条件是（）。A．①②④B．②③④C．①③⑤D．①②10．有机物A完全燃烧只生成CO2和H2O，将12g该有机物完全燃烧的产物通过足量浓硫酸，浓硫酸增重14.4g，再通过足量碱石灰，碱石灰增重26.4A．C4H10B．C2H6OC．C3H8OD．C2H4O2二．填空题11.（1）2000年一家制药公司首次在网站（www.InnoC）上悬赏下列化合物的合成路线。止日期为2002年4月1日，悬赏金额为$100,000USD。该化合物的结构如右图所示：解决有机分子结构问题的最强有力手段是核磁共振。下图是计算机软件模拟出的该分子氢原子的核磁共振波谱图，单位是ppm；氢原子在分子中的化学环境（原子之间相互作用）不同，在核磁谱图中就处于不同的位置，化学环境相同的氢原子越多，吸收峰面积（或高度）越大（或高）。其核磁共振波谱图如下：参考结构式，分析核磁谱图，回答下列问题：分子中共有种化学环境不同的氢原子；谱线最高者表示有个环境相同氢原子，谱线最低者表示有个环境相同氢原子，结构式中的Et表示烷烃基，从图谱中可以推断结构式中的这个烷烃基是。（2）下列两幅谱图是结构简式为CH3CH2CH2OH和CH3CH(OH)CH3的两种有机化合物的1H核磁共振谱图。请判断哪一幅是CH3CH(OH)CH3的1H－NMR谱图，并说明理由。ABAB________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．下列表示的是丙基的是()A．CH3CH2CH3 B．CH3CH2CH2－C．―CH2CH2CH2― D．（CH3)2CH－2．2－丁烯的结构简式正确的是（）A．CH2＝CHCH2CH3 B．CH2＝CHCH＝CH2 C．CH3CH＝CHCH3 D．CH2＝C＝CHCH33．下列关于苯的同系物的命名说法中错误的是（） A．苯的同系物命名必修以苯作为母体，其他的基团作为取代基 B．二甲苯可以以邻、间、对这种习惯方法进行命名 C．二甲苯也可以用系统方法进行命名 D．化学式是C8H10的苯的同系物用4种同分异构体4．有机物的天然提取和人工合成往往得到的是混合物，假设给你一种这样的有机混合物让你研究，一般要采取的几个步骤是（） A．分离、提纯→确定化学式→确定实验式→确定结构式 B．分离、提纯→确定实验式→确定化学式→确定结构式 C．分离、提纯→确定结构式→确定实验式→确定化学式 D．确定化学式→确定实验式→确定结构式→分离、提纯5．下列属于分离、提纯液态有机物的操作的是（） A．蒸馏 B．蒸发 C．重结晶 D．蒸发6．能够快速、微量、精确的测定相对分子质量的物理方法是（） A．质谱 B．红外光谱 C．紫外光谱 D．核磁共振谱7．通过核磁共振氢谱可以推知（CH3)2CHCH2CH2OH有多少种化学环境的氢原子 （） A．6 B．5 C．48．二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