高考微专题化学实验复习 《分水器及其应用》.docx
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高考微专题化学实验复习《分水器及其应用》
专题二冷凝装置及其衍生
操作09分水器及其应用
（一）原理
主要用于有机化学实验中，分离反应生成的水，由于有机反应多是可逆反应，反应生成的水在存在于反应体系时会对反应造成一定的影响或着使反应无法进行，此时如果运用平衡移动原理，把生成的水通过与水共沸的溶剂回流把水带出来，就能使反应在原来基础上正向进行，增大反应物的转化率和产物的产率。
（二）方法介绍
实验利用恒沸混合物蒸馏方法，采用分水器将反应生成的水层上面的有机层不断流回到反应瓶中，而将生成的水留在分水器中，可以随时除去除去。
实验时小火加热，保持瓶内液体微沸，开始回流，控制一定实验温度待分水器已全部被水充满时表示反应已基本完成，停止加热。
所谓恒沸物，指的是当两种或多种不同成分的均相溶液，以一个特定的比例混合时，在固定的压力下，仅具有一个沸点此时这个混合物即称做恒沸物。
（二）装置图示
（三）装置缺点
传统分水器要求反应物能与水共沸，如果反应体系不能与水形成共沸物则需要加入共沸脱水剂将体系中的水带出，常用的共沸脱水剂有苯、甲苯、环乙烷等有机溶剂，但是这些溶剂都具有一定的毒性，会对人体和环境带来危害；有机相要与水相不相溶，若有机相与水相溶，则难以在分水器中与水分层，导致其不能返回反应体系，这也使得共沸脱水剂的选择上受到一定限制，此外有机组分的密度必小于水，分层时有机层应在水层之上，才能顺利地返回反应体系。
（四）
1．过氧乙酸（CH3COOOH）是一种常用的消毒剂，易溶于水、易挥发、见光或受热易分解。
其制备原理为：
△H<0，同时利用乙酸丁酯与水形成共沸物（沸点90.7℃）及时分离出水，以提高产率。
实验装置如图。
（1）过氧乙酸保存时应注意______________（填标号）。
A．避光B．低温C．密闭D．隔绝空气
（2）仪器a的名称为______________，其中盛放的试剂为______________（填“乙酸”或“双氧水”）。
（3）为减少反应瓶中乙酸丁酯的损耗，反应开始前，在油水分离器中应进行的操作是______________。
（4）反应体系采用减压的目的是____________________________________________________。
（5）过氧乙酸（含有少量H2O2杂质）的含量测定流程如图。
①判断H2O2恰好除尽的实验现象是______________。
②过氧乙酸被Fe2+还原，还原产物之一为乙酸，其离子方程式为______________________________________
③若样品体积为VomL，加入c1mol·L-1FeSO4溶液V1mL，消耗c2mol·L-1K2Cr2O7溶液V2mL。
则过氧乙酸含量为______________g.L-l。
【答案】
（1）ABC
（2）恒压滴液漏斗双氧水（3）在油水分离器中加满乙酸丁酯（4减压可以降低共沸物的沸点，防止温度过高，过氧乙酸分解（5）①当滴入最后一滴高锰酸钾溶液时，溶液由无色变为浅红色，且半分钟内不褪色②CH3COOOH+2Fe2++2H+=CH3COOH+2Fe3++H2O③
【解析】
（1）过氧乙酸易溶于水、易挥发、见光或受热易分解，故应当避光、低温、密闭保存，故答案为：
ABC；
（2）仪器a为恒压滴液漏斗，因双氧水易分解，用来盛放双氧水，需要时滴加双氧水，故答案为：
恒压滴液漏斗；双氧水；
（3）反应开始前，在油水分离器中加满乙酸丁酯，这样乙酸丁酯可快速回流反应瓶，从而减少反应瓶中乙酸丁酯的损耗，故答案为：
在油水分离器中加满乙酸丁酯；
（4）产物过氧乙酸受热易分解，减压可以降低共沸物的沸点，从而可人为降低反应瓶中温度，防止温度过高，过氧乙酸分解，故答案为：
减压可以降低共沸物的沸点，防止温度过高，过氧乙酸分解；
（5）①高锰酸钾溶液为紫红色，过氧化氢没除尽之前，加高锰酸钾，高锰酸钾紫红色会褪去，若过氧化氢已除尽，再滴入高锰酸钾，溶液将变为紫红色，故答案为：
当滴入最后一滴高锰酸钾溶液时，溶液由无色变为浅红色，且半分钟内不褪色；
②Fe2+作还原剂，氧化产物为Fe3+，过氧乙酸为氧化剂，还原产物为乙酸，结合原子守恒、得失电子守恒可得离子方程式为：
CH3COOOH+2Fe2++2H+=CH3COOH+2Fe3++H2O，故答案为：
CH3COOOH+2Fe2++2H+=CH3COOH+2Fe3++H2O；
③Fe2+总物质的量=c1V1×10-3mol，n（K2Cr2O7）=c2V2×10-3mol。
根据得失电子守恒有：
K2Cr2O7～2Cr3+～6e-～6Fe2+～6Fe3+，即每1molK2Cr2O7与6molFe2+恰好完全反应，所以，与c2V2×10-3molK2Cr2O7反应的Fe2+的物质的量=6c2V2×10-3mol，那么，与过氧乙酸反应的Fe2+的物质的量=c1V1×10-3mol-6c2V2×10-3mol，根据CH3COOOH+2Fe2++2H+=CH3COOH+2Fe3++H2O可得：
CH3COOOH的物质的量=
，CH3COOOH的质量=
×76g/mol=
，则过氧乙酸含量=
=
g·L-l，故答案为：
。
2．某同学设计实验制备2-羟基-4-苯基丁酸乙酯，反应原理、装置和数据如下：
相对分子质量
密度（g/cm3）
沸点（℃）
水溶性
2-羟基-4-苯基丁酸
180
1.219
357
微溶
乙醇
46
0.789
78.4
易溶
2- 羟基-4-苯基丁酸乙酯
208
1.075
212
难溶
实验步骤：
①如图1，在干燥的圆底烧瓶中加入20mL2-羟基-4-苯基丁酸、20mL 无水乙醇和适量浓硫酸，再加入几粒沸石；
②加热至70℃左右保持恒温半小时；
③分离、提纯三颈瓶中的粗产品，得到有机粗产品；
④精制产品。
请回答下列问题：
（1）油水分离器的作用为____________________。
实验过程中发现忘记加沸石该如何操作_______________________。
（2）本实验采用____________加热方式（填“水浴”、“油浴”或“酒精灯加热”）。
（3）取三颈烧瓶中的混合物分别用水、饱和碳酸氢钠溶液和水洗涤。
第二次水洗的目的是___________________。
（4）在精制产品时，加入无水MgSO4的作用为___________________；然后过滤，再利用如图2装置进行蒸馏纯化，图2 装置中的错误有__________________________。
（5）若按纠正后的操作进行蒸馏纯化，并收集212℃的馏分，得2-羟基-4-苯基丁酸乙酯约9.0g。
则该实验的产率为__________________________。
【答案】
（1）及时分离生成的水，促进平衡正向进行停止加热，待冷却至室温后，再往装置内加入沸石
（2）水浴（3）洗掉碳酸氢钠（4）干燥温度计水银球的位置，冷凝水的方向（5）32%
【解析】
（1）依据先加入密度小的再加入密度大的液体，所以浓硫酸应最后加入，防止浓硫酸使有机物脱水，被氧化等副反应发生，防止乙醇和酸在浓硫酸溶解过程中放热而挥发；2-羟基-4-苯基丁酸于三颈瓶中，加入适量浓硫酸和20mL无水乙醇发生的是酯化反应，存在化学平衡，油水分离器的作用及时分离生成的水，促进平衡正向进行分析，实验过程中发现忘记加沸石，应该停止加热，待冷却至室温后，再往装置内加入沸石，故答案为：
及时分离产物水，促进平衡向生成酯的反应方向移动；停止加热，待冷却至室温后，再往装置内加入沸石；
（2）加热至70℃左右保持恒温半小时，保持70℃，应该采用水浴加热方式，故答案为：
水浴；
（3）取三颈烧瓶中的混合物分别用水、饱和碳酸氢钠溶液洗涤后，混合物中有少量的碳酸氢钠溶液要除去，所以要用水洗，故答案为：
洗掉碳酸氢钠；
（4）在精制产品时，加入无水MgSO4，硫酸镁能吸水，在蒸馏装置中温度计的水银球的位置应与蒸馏烧瓶的支管口处相平齐，为有较好的冷却效果，冷凝水应采用逆流的方法，所以装置中两处错误为温度计水银球的位置，冷凝水的方向，故答案为：
干燥；温度计水银球的位置，冷凝水的方向；
（5）20mL 2-羟基-4-苯基丁酸的物质的量为
mol=0.135mol，20mL无水乙醇的物质的量为
mol=0.343mol，根据方程式
可知，乙醇过量，所以理论上产生2-羟基-4-苯基丁酸乙酯的质量为0.135mol×208g/mol=28.08g，所以产率=
×100%=
×100%=32%，故答案为：
32%。
3．正丁醚可作许多有机物的溶剂及萃取剂，常用于电子级清洗剂及用于有机合成。
实验室用正丁醇与浓H2SO4反应制取，实验装置如右图，加热与夹持装置略去。
反应原理与有关数据：
反应原理：
2C4H9OH
C4H9OC4H9+H2O
副反应：
C4H9OH
C2H5CH=CH2+H2O
物质
相对分子质量
熔点/℃
沸点/℃
溶解性
水
50%硫酸
其它
正丁醇
74
-89.8
117.7
微溶
易溶
二者互溶
正丁醚
130
-98
142.4
不溶
微溶
实验步骤如下：
①在二口烧瓶中加入0.34mol正丁醇和4.5mL浓H2SO4,再加两小粒沸石，摇匀。
②加热搅拌，温度上升至100~ll0℃开始反应。
随着反应的进行，反应中产生的水经冷凝后收集在水分离器的下层，上层有机物至水分离器支管时，即可返回烧瓶。
加热至反应完成。
③将反应液冷却，依次用水、50%硫酸洗涤、水洗涤，再用无水氯化钙干燥，过滤，蒸馏，得正丁醚的质量为Wg。
请回答：
（1）制备正丁醚的反应类型是____________，仪器a的名称是_________。
（2）步骤①中药品的添加顺序是，先加______（填“正丁醇”或“浓H2SO4”），沸石的作用是___________________。
（3）步骤②中为减少副反应，加热温度应不超过_________℃为宜。
使用水分离器不断分离出水的目的是____________________________。
如何判断反应已经完成？
当_________________时，表明反应完成，即可停止实验。
（4）步骤③中用50%硫酸洗涤的目的是为了除去______________________。
本实验中，正丁醚的产率为_________（列出含W的表达式即可）。
【答案】
（1）取代反应（直形）冷凝管
（2）正丁醇防暴沸或防止反应液剧烈沸腾（3）135提高正丁醚的产率或正丁醇的转化率分水器中水（或有机物）的量（或液面）不再变化（4）正丁醇
【解析】⑴根据反应方程式2C4H9OH
C4H9OC4H9+H2O，分析得到制备正丁醚的反应类型是取代反应，根据图中装置得出仪器a的名称是（直形）冷凝管；故答案为：
取代反应；（直形）冷凝管。
⑵步骤①中药品的添加顺序是，根据溶液的稀释，密度大的加到密度小的液体中，因此先加正丁醇，烧瓶中是液体与液体加热，因此沸石的作用是防暴沸或防止反应液剧烈沸腾；故答案为：
正丁醇；防暴沸或防止反应液剧烈沸腾。
⑶根据题中信息，生成副反应在温度大于135℃，因此步骤②中为减少副反应，加热温度应不超过135℃为宜。
该反应是可逆反应，分离出水，有利于平衡向正反应方向移动，因此使用水分离器不断分离出水的目的是提高正丁醚的产率或正丁醇的转化率。
水分离器中水的量不断增加，当水分离器中水量不再增加时或则有机物的量不再变化时，表明反应完成，即可停止实验；故答案为：
135；提高正丁醚的产率或正丁醇的转化率；分水器中水（或有机物）的量（或液面）不再变化。
⑷根据题中信息正丁醇易溶于50%硫酸，正丁醚微溶于50%硫酸，因此步骤③中用50%硫酸洗涤的目的是为了除去正丁醇。
根据2C4H9OH
C4H9OC4H9+H2O理论得到C4H9OC4H9物质的量为0.17mol，则正丁醚的产率为
；故答案为：
正丁醇；
。
4．在苹果、香蕉等水果的果香中存在着乙酸正丁酯。
某化学课外兴趣小组欲以乙酸和正丁醇为原料合成乙酸正丁酯。
实验步骤如下：
（一）乙酸正丁酯的制备
①在50mL圆底烧瓶中，加入0.15mol正丁醇和0.12mol冰醋酸，再加入3～4滴浓硫酸，摇匀，投入1～2粒沸石。
按如图所示安装带分水器的回流反应装置，并在分水器中预先加入水，使水面略低于分水器的支管口。
②打开冷凝水，圆底烧瓶在石棉网上用小火加热。
在反应过程中，通过分水器下部的旋塞不断分出生成的水，注意保持分水器中水层液面原来的高度，使油层尽量回到圆底烧瓶中。
反应达到终点后，停止加热，记录分出的水的体积。
（二）产品的精制
③将分水器分出的酯层和反应液一起倒入分液漏斗中，用10mL的水洗涤。
有机层继续用10mL10%Na2CO3洗涤至中性，再用10mL的水洗涤，最后将有机层转移至锥形瓶中，再用无水硫酸镁干燥。
④将干燥后的乙酸正丁酯滤入50mL烧瓶中，常压蒸馏，收集124～126℃的馏分，得11.6g产品。
（1）冷水应该从冷凝管______________（填a或b）管口通入。
（2）步骤②中不断从分水器下部分出生成的水的目的是____________________。
（3）下列关于分液漏斗的使用叙述正确的是______________。
a．分液漏斗使用前必须要检漏，只要分液漏斗的旋塞芯处不漏水即可使用
b．分液时乙酸正丁酯应从上口倒出
c．萃取振荡操作应如图所示
d．放出液体时，需将玻璃塞打开或使塞上的凹槽对准漏斗口上的小孔
（4）该实验过程中，生成乙酸正丁酯（相对分子质量116）的产率是______________。
【答案】
（1）a
（2）使用分水器分离出水，使平衡正向移动，提高反应产率（3）bd（4）83.3%
【解析】
（1）为了增强冷凝效果，水需要逆流，所以水从a进b出；
（2）酯化反应为可逆反应，分离出生成物有利于平衡正向移动，提高产率；
（3）a．旋塞与玻璃塞处均检验是否漏水，故a错误；
b．乙酸正丁酯的密度比水小，应在上层，所以从上口倒出，故b正确；
c．应使分液漏斗口朝下，使分液漏斗长颈朝上，便于放气降低分液漏斗内气压，故c错误；
d．放出液体时，需将玻璃塞打开或使塞上的凹槽对准漏斗口上的小孔，平衡分液漏斗内气压，便于液体流向，故d正确；
综上所述选bd；
（4）制备乙酸正丁酯的反应方程式为：
CH3COOH+CH3CH2CH2CH2OH
CH3COOCH2CH2CH2CH3+H2O；根据反应方程式可知：
0.15mol正丁醇和0.12mol冰醋酸反应理论应生成0.12molCH3COOCH2CH2CH2CH3，则其理论质量为0.12mol×116g/mol=13.92g，所以产率为
=83.3%。
5．实验室制备甲基丙烯酸甲酯的反应装置如图所示，有关信息如下：
+CH3OH
+H2O
已知甲基丙烯酸甲酯受热易聚合；甲基丙烯酸甲酯在盐溶液中溶解度较小；CaCl2可与醇结合形成复合物。
实验步骤：
①向100mL烧瓶中依次加入：
15mL甲基丙烯酸、2粒沸石、10mL无水甲醇、适量的浓硫酸；
②在分水器中预先加入水，使水面略低于分水器的支管口，通入冷凝水，缓慢加热烧瓶。
在反应过程中，通过分水器下部的旋塞分出生成的水，保持分水器中水层液面的高度不变，使油层尽量回到圆底烧瓶中；
③当__________，停止加热；
④冷却后用试剂X洗涤烧瓶中的混合溶液并分离；
⑤取有机层混合液蒸馏，得到较纯净的甲基丙烯酸甲酯。
请回答下列问题：
（1）A装置的名称是_____________________________。
（2）请将步骤③填完整______________________________________。
（3）上述实验可能生成的副产物结构简式为_______________________（填两种）。
（4）下列说法正确的是_______________（填字母代号）。
A．在该实验中，浓硫酸是催化剂和脱水剂
B．酯化反应中若生成的酯的密度比水大，不能用分水器提高反应物的转化率
C．洗涤剂X是一组试剂，产物要依次用饱和Na2CO3、饱和CaCl2溶液洗涤
D．为了提高蒸馏速度，最后一步蒸馏可采用减压蒸馏；该步骤一定不能用常压蒸馏
（5）实验结束收集分水器分离出的水，并测得质量为2.70g，计算甲基丙烯酸甲酯的产率约为________（结果保留一位小数）。
实验中甲基丙烯酸甲酯的实际产率总是小于此计算值，可能其原因不是___________（填字母代号）。
A．分水器收集的水里含甲基丙烯酸甲酯
B．实验条件下发生副反应
C．产品精制时收集部分低沸点物质
D．产品在洗涤、蒸发过程中有损失.
【答案】
（1）球形冷凝管
（2）当分水器中液面不再变化（3）CH3OCH3、
（4）BD（5）85.2%C
【解析】
（1）由仪器的结构特征，可知装置A为球形冷凝管；
（2）根据步骤②描述操作要保持分水器中水层液面的高度不变，因此步骤③的操作为：
当分水器中液面不再变化，停止加热；
（3）上述实验可能发生的副反应为甲基丙烯酸甲酯受热易聚合生成
，甲醇之间在浓硫酸催化剂作用下可以发生分子间脱水反应生成甲醚，可能产生的副产物有CH3OCH3、
；
（4）A．在该实验中，发生酯化反应，酯化反应中，浓硫酸是催化剂和吸水剂，故A错误；
B．酯化反应中若生成的酯的密度比水大，则酯会沉在分水器中的水下，会导致水从分水器中流入圆底烧瓶，不能提高反应物的转化率，故B正确；
C．用试剂X洗涤产品，需要洗去表面羧酸及甲醇，且应降低酯的溶解度，根据题干已知信息分析可得，产物要依次用饱和Na2CO3除去甲基丙烯酸、饱和NaCl溶液洗洗去甲基丙烯酸甲酯中溶解的Na2CO3、饱和CaCl2溶液吸收甲醇和水，故C错误；
D．根据已知信息，为了提高蒸馏速度，防止甲基丙烯酸甲酯受热易聚合，最后一步蒸馏可采用减压蒸馏，该步骤一定不能用常压蒸馏，故D正确；
答案选BD。
（5）甲基丙烯酸、15mL甲基丙烯酸的质量为15mL×1.01g/mL=15.15g，10mL无水甲醇的质量为10mL×0.79g/mL=7.9g，甲醇完全反应需要甲基丙烯酸的质量为
×86g/mol=21.23g>15.15g，故甲醇过量，则理论生成甲基丙烯酸甲酯的质量为
×100g/mol，测得生成水的质量为2.70g，则实际得到甲基丙烯酸甲酯的质量为
×100g/mol=15g，故产率为
×100%=85.2%；
A．分水器收集的水里含甲酯，产品的质量偏小，产率偏低，故A不符合题意；
B．实验条件下发生副反应，会导致产品质量偏小，产率偏低，故B不符合题意；
C．产品精制时收集部分低沸点物质，会导致产品质量偏大，产率偏大，故C符合题意；
D．产品在洗涤、蒸发过程中有损失，会导致产品质量偏小，产率偏低，故D不符合题意；
答案选C。
6．乙酸正丁酯是一种优良的有机溶剂，广泛用于硝化纤维清漆中，在人造革、织物及塑料加工过程中用作溶剂，也用于香料工业。
某化学兴趣小组在实验室用乙酸和正丁醇制备乙酸正丁酯，有关物质的相关数据及实验装置如下所示：
化合物
相对分子质量
密度（g/cm3）
沸点（℃）
溶解度（g/100g水）
冰醋酸
60
1.045
117.9
互溶
正丁醇
74
0.80
118.0
9
乙酸正丁酯
116
0.882
126.1
0.7
III
分水器的操作方法：
先将分水器装满水（水位与支管口相平），再打开活塞，准确放出一定体积的水。
在制备过程中，随着加热回流，蒸发后冷凝下来的有机液体和水在分水器中滞留分层，水并到下层（反应前加入的）水中；有机层从上面溢出，流回反应容器。
当水层增至支管口时，停止反应。
乙酸正丁酯合成和提纯步骤为：
第—步：
取18.5mL正丁醇和15.4mL冰醋酸混合加热发生酯化反应，反应装置如图Ⅰ所示（加热仪器已省略）；
第二步：
依次用水、饱和Na2CO3溶液、水对烧瓶中的产品洗涤并干燥；
第三步：
用装置Ⅱ蒸馏提纯。
请回答有关问题：
（1）第一步装置中除了加正丁醇和冰醋酸外，还需加入___________、______________。
（2）实验中使用分水器的优点有________________、___________。
根据题中给出的相关数据计算，理论上，应该从分水器中放出来的水的体积约为___________。
（3）第二步用饱和Na2CO3溶液洗涤的目的是____________________________。
（4）第三步蒸馏产品时，应收集温度在_______________左右的馏分。
若实验中得到乙酸正丁酯12.76g，则乙酸正丁酯的产率为___________________。
【答案】
（1）浓硫酸沸石（碎瓷片）
（2）及时分离出水，有利于酯化反应朝正反应方向移动根据收集到的水的体积，可以粗略判断是否可以终止反应3.6mL（3）除去产品中含有的乙酸（硫酸）等杂质（4）126.1℃55%
【解析】
（1）第一步装置中除了加正丁醇和冰醋酸外，还需加入浓硫酸作为催化剂和吸水剂、加入碎瓷片或者沸石防止反应液暴沸；
答案：
浓硫酸沸石（碎瓷片）
（2）实验中使用分水器的优点是及时分离出水，相当于减小生成物浓度有利于酯化反应朝正反应方向移动、根据收集到的水的体积，当分水器中的水接近支管口时，可以粗略判断是否可以终止反应。
正丁醇的质量为：
0.80g/cm3×18.5mL=14.8g；n（正丁醇）=14.8g/74g/mol=0.2mol;冰醋酸质量:
1.045g/cm3×15.4mL=16.093g;n（醋酸）=16.093g/60g/mol=0.268mol,二者反应时,冰醋酸过量,根据正丁醇计算;
CH3COOH+CH3CH2CH2CH2OH
CH3COOCH2CH2CH2CH3+H2O
1mol1mol
0.2mol0.2mol
因此生成水:
0.2mol×18g/mol=3.6g,因为水的密度为1g/mL,则大约为3.6mL；
答案：
及时分离出水，有利于酯化反应朝正反应方向移动根据收集到的水的体积，可以粗略判断是否可以终止反应3.6mL
（3）第二步用饱和Na2CO3溶液洗涤的目的是除去产品中含有的乙酸（硫酸）等杂质；
答案：
除去产品中含有的乙酸（硫酸）等杂质
（4）第三步蒸馏产品时，因为乙酸正丁酯的沸点为126.1℃，应收集温度在126.1℃左右的馏分。
正丁醇的质量为：
0.80g/cm3×18.5mL=14.8g；n（正丁醇）=14.8g/74g/mol=0.2mol;冰醋酸质量:
1.045g/cm3×15.4mL=16.093g;n（醋酸）=16.093g/60g/mol=0.268mol,二者反应时,冰醋酸过量,根据正丁醇计算;
CH3COOH+CH3CH2CH2CH2OH
CH3COOCH2CH2CH2CH3+H2O
1mol1mol
0.2mol0.2mol
理论上生成乙酸正丁酯0.2mol×116g/mol=23.2g，则产率为
×100%=55%；
答案：
126.1℃55%
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