第四节研究有机化合物的一般步骤和方法.docx

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第四节研究有机化合物的一般步骤和方法

第四节研究有机化合物的一般步骤和方法

【教学重点】①蒸馏、重结晶等分离提纯有机物的实验操作

②通过具体实例了解某些物理方法如何确定有机化合物的相对分子质量和分子结构

③确定有机化合物实验式、相对分子质量、分子式的有关计算

【教学难点】确定有机物相对分子质量和鉴定有机物分子结构的物理方法的介绍

第一课时

【引入】从天然资源中提取有机物成分或者是工业生产、实验室合成的有机化合物不可能直接得到纯净物，因此，必须对所得到的产品进行分离提纯，如果要鉴定和研究未知有机物的结构与性质，必须得到更纯净的有机物。

今天我们就来学习研究有机化合物的一般步骤。

【学生】阅读课文

【归纳】

1研究有机化合物的一般步骤和方法

（1）分离、提纯（蒸馏、重结晶、升华、色谱分离）；

（2）元素分析（元素定性分析、元素定量分析）──确定实验式；

（3）相对分子质量的测定（质谱法）──确定分子式；

（4）分子结构的鉴定（化学法、物理法）。

2有机物的分离、提纯实验

一、分离、提纯

1．蒸馏

完成演示【实验1-1】

【实验1-1】注意事项：

（1）安装蒸馏仪器时要注意先从蒸馏烧瓶装起，根据加热器的高低确定蒸馏瓶的位置。

然后，再接水冷凝管、尾接管、接受容器（锥形瓶），即“先上后下”“先头后尾”；拆卸蒸馏装置时顺序相反，即“先尾后头”。

（2）若是非磨口仪器，要注意温度计插入蒸馏烧瓶的位置、蒸馏烧瓶接入水冷凝器的位置等。

（3）蒸馏烧瓶装入工业乙醇的量以1/2容积为宜，不能超过2/3。

不要忘记在蒸馏前加入沸石。

如忘记加入沸石应停止加热，并冷却至室温后再加入沸石，千万不可在热的溶液中加入沸石，以免发生暴沸引起事故。

（4）乙醇易燃，实验中应注意安全。

如用酒精灯、煤气灯等有明火的加热设备时，需垫石棉网加热，千万不可直接加热蒸馏烧瓶！

物质的提纯的基本原理是利用被提纯物质与杂质的物理性质的差异，选择适当的实验手段将杂质除去。

去除杂质时要求在操作过程中不能引进新杂质，也不能与被提纯物质发生化学反应。

2．重结晶

【思考和交流】

✧温度过低，杂质的溶解度也会降低，部分杂质也会析出，达不到提纯苯甲酸的目的；温度极低时，溶剂（水）也会结晶，给实验操作带来麻烦。

1．为何要热过滤？

【实验1-2】注意事项：

苯甲酸的重结晶

1）为了减少趁热过滤过程中的损失苯甲酸，一般再加入少量水。

2）结晶苯甲酸的滤出应采用抽滤装置，没有抽滤装置可以玻璃漏斗代替。

第二课时

【引入】

从公元八世纪起，人们就已开始使用不同的手段制备有机物，但由于化学理论和技术条件的限制，其元素组成及结构长期没有得到解决。

直到19世纪中叶，李比希在拉瓦锡推翻了燃素学说，在建立燃烧理论的基础上，提出了用燃烧法进行有机化合物中碳和氢元素定量分析的方法。

准确的碳氢分析是有机化学史上的重大事件，对有机化学的发展起着不可估量的作用。

随后，物理科学技术的发展，推动了化学分析的进步，才有了今天的快速、准确的元素分析仪和各种波谱方法。

【设问】定性检测物质的元素组成是化学研究中常见的问题之一，如何用实验的方法探讨物质的元素组成？

二、元素分析与相对原子质量的测定

1．元素分析

例如：

实验探究：

葡萄糖分子中碳、氢元素的检验

图1-1 碳和氢的鉴定

方法而检出。

例如：

C12H22O11+24CuO

12CO2+11H2O+24Cu

实验：

取干燥的试样──蔗糖0.2g和干燥氧化铜粉末1g，在研钵中混匀，装入干燥的硬质试管中。

如图1-1所示，试管口稍微向下倾斜，导气管插入盛有饱和石灰水的试管中。

用酒精灯加热试样，观察现象。

结论：

若导出气体使石灰水变浑浊，说明有二氧化碳生成，表明试样中有碳元素；试管口壁出现水滴（让学生思考：

如何证明其为水滴？

），则表明试样中有氢元素。

【教师】讲解或引导学生看书上例题，这里适当补充一些有机物燃烧的规律的专题练习。

补充：

有机物燃烧的规律归纳

1．烃完全燃烧前后气体体积的变化

完全燃烧的通式：

CxHy＋（x+

）O2

xCO2＋

H2O

（1）燃烧后温度高于100℃时，水为气态：

1y＝4时，

＝0，体积不变；

2y>4时，

>0，体积增大；

3y<4时，

<0，体积减小。

（2）燃烧后温度低于100℃时，水为液态：

※无论水为气态还是液态，燃烧前后气体体积的变化都只与烃分子中的氢原子个数有关，而与氢分子中的碳原子数无关。

例：

盛有CH4和空气的混和气的试管，其中CH4占1/5体积。

在密闭条件下，用电火花点燃，冷却后倒置在盛满水的水槽中（去掉试管塞）此时试管中

A．水面上升到试管的1/5体积处；

B．水面上升到试管的一半以上；

C．水面无变化；

D．水面上升。

答案：

D

2．烃类完全燃烧时所耗氧气量的规律

完全燃烧的通式：

CxHy＋（x+

）O2

xCO2＋

H2O

（1）相同条件下等物质的量的烃完全燃烧时，（x+

）值越大，则耗氧量越多；

（2）质量相同的有机物，其含氢百分率（或

值）越大，则耗氧量越多；

（3）1mol有机物每增加一个CH2，耗氧量多1.5mol；

（4）1mol含相同碳原子数的烷烃、烯烃、炔烃耗氧量依次减小0.5mol；

（5）质量相同的CxHy，

值越大，则生成的CO2越多；若两种烃的

值相等，质量相同，则生成的CO2和H2O均相等。

3．碳的质量百分含量c％相同的有机物（最简式可以相同也可以不同），只要总质量一定，以任意比混合，完全燃烧后产生的CO2的量总是一个定值。

4．不同的有机物完全燃烧时，若生成的CO2和H2O的物质的量之比相等，则它们分子中的碳原子和氢原子的原子个数比相等。

2．质谱法

注：

该法中主要引导学生会从质谱图中“质荷比”代表待测物质的相对原子质量以及认识质谱仪。

第三课时

三、分子结构的测定

1．红外光谱

注：

该法不需要学生记忆某些官能团对应的波长范围，主要让学生知道通过红外光谱可以知道有机物含有哪些官能团。

2．核磁共振氢谱

注：

了解通过该谱图确定了

（1）某有机物分子结构中有几种不同环境的氢原子

（2）有核磁共振氢谱的峰面积之比可以确定不同环境的氢原子的个数比。

有机物分子式的确定

1．有机物组成元素的判断

　　一般来说，有机物完全燃烧后，各元素对应产物为：

C→CO2，H→H2O，Cl→HCl。

某有机物完全燃烧后若产物只有CO2和H2O，则其组成元素可能为C、H或C、H、O。

欲判定该有机物中是否含氧元素，首先应求出产物CO2中碳元素的质量及H2O中氢元素的质量，然后将碳、氢元素的质量之和与原有机物质量比较，若两者相等，则原有机物的组成中不含氧；否则，原有机物的组成含氧。

　　2．实验式（最简式）和分子式的区别与联系

（1）最简式是表示化合物分子所含各元素的原子数目最简单整数比的式子。

不能确切表明分子中的原子个数。

　　注意：

　　①最简式是一种表示物质组成的化学用语；

　　②无机物的最简式一般就是化学式；

　　③有机物的元素组成简单，种类繁多，具有同一最简式的物质往往不止一种；

　　④最简式相同的物质，所含各元素的质量分数是相同的，若相对分子质量不同，其分子式就不同。

例如，苯（C6H6）和乙炔（C2H2）的最简式相同，均为CH，故它们所含C、H元素的质量分数是相同的。

（2）分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。

　　注意：

　　①分子式是表示物质组成的化学用语；

　　②无机物的分子式一般就是化学式；

　　③由于有机物中存在同分异构现象，故分子式相同的有机物，其代表的物质可能有多种；

　　④分子式＝（最简式）n。

即分子式是在实验式基础上扩大n倍，

。

　　3．确定分子式的方法

（1）实验式法　由各元素的质量分数→求各元素的原子个数之比（实验式）→相对分子质量→求分子式。

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

（标况下M=dg/cm3×103·22.4L/mol）

　　（3）化学方程式法　利用化学方程式求分子式。

　　（4）燃烧通式法　利用通式和相对分子质量求分子式。

　　由于x、y、z相对独立，借助通式进行计算，解出x、y、z，最后求出分子式。

[例1]　3.26g样品燃烧后，得到4.74gCO2和1.92gH2O，实验测得其相对分子质量为60，求该样品的实验式和分子式。

（1）求各元素的质量分数

（2）求样品分子中各元素原子的数目（N）之比

（3）求分子式

通过实验测得其相对分子质量为60，这个样品的分子式=（实验式）n。

　　[例2]　实验测得某烃A中含碳85.7%，含氢14.3%。

在标准状况下11.2L此化合物气体的质量为14g。

求此烃的分子式。

　　解：

（1）求该化合物的摩尔质量

（2）求1mol该物质中碳和氢原子的物质的量

　　[例3]　6.0g某饱和一元醇跟足量的金属钠反应，让生成的氢气通过5g灼热的氧化铜，氧化铜固体的质量变成4.36g。

这时氢气的利用率是80%。

求该一元醇的分子。

　　[例4]　有机物A是烃的含氧衍生物，在同温同压下，A蒸气与乙醇蒸气的相对密度是2。

1.38gA完全燃烧后，若将燃烧的产物通过碱石灰，碱石灰的质量会增加3.06g；若将燃烧产物通过浓硫酸，浓硫酸的质量会增加1.08g；取4.6gA与足量的金属钠反应，生成的气体在标准状况下的体积为1.68L；A不与纯碱反应。

通过计算确定A的分子式和结构简式。

　　说明：

由上述几种计算方法，可得出确定有机物分子式的基本途径：

【练习】

⒈某烃0.1mol，在氧气中完全燃烧，生成13.2gCO2、7.2gH2O，则该烃的分子式为　　　。

⒉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。

⒊125℃时，1L某气态烃在9L氧气中充分燃烧反应后的混合气体体积仍为10L（相同条件下），则该烃可能是

A.CH4B.C2H4C.C2H2D.C6H6

⒋一种气态烷烃和气态烯烃组成的混合物共10g，混合气密度是相同状况下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

⒌室温下，一气态烃与过量氧气混合完全燃烧，恢复到室温，使燃烧产物通过浓硫酸，体积比反应前减少50mL，再通过NaOH溶液，体积又减少了40mL，原烃的分子式是

A.CH4B.C2H4C.C2H6D.C3H8

⒍A、B两种烃通常状况下均为气态，它们在同状况下的密度之比为1∶3.5。

若A完全燃烧，生成CO2和H2O的物质的量之比为1∶2，试通过计算求出A、B的分子式。

⒎使乙烷和丙烷的混合气体完全燃烧后，可得CO23.52g，H2O1.92g，则该混合气体中乙烷和丙烷的物质的量之比为

A.1∶2B.1∶1C.2∶3D.3∶4

⒏两种气态烃的混合气共1mol，在空气中燃烧得到1.5molCO2和2molH2O。

关于该混合气的说法合理的是

A．一定含甲烷，不含乙烷B．一定含乙烷，不含甲烷

C．一定是甲烷和乙烯的混合物D．一定含甲烷，但不含乙烯

9．25℃某气态烃与O2混合充入密闭容器中，点燃爆炸后又恢复至25℃，此时容器内压强为原来的一半，再经NaOH溶液处理，容器内几乎成为真空。

该烃的分子式可能为

A.C2H4B.C2H2C.C3H6D.C3H8

10．某烃7.2g进行氯代反应完全转化为一氯化物时，放出的气体通入500mL0.2mol/L的烧碱溶液中，恰好完全反应，此烃不能使溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色，试求该烃的分子式。

11．常温下某气态烷烃10mL与过量O285mL充分混合，点燃后生成液态水，在相同条件下测得气体体积变为70mL，求烃的分子式。

12．由两种气态烃组成的混合烃20mL，跟过量O2完全燃烧。

同温同压条件下当燃烧产物通过浓H2SO4后体积减少了30mL，然后通过碱石灰又减少40mL。

这种混合气的组成可能有几种？

《有机物分子式的确定》参考答案

[例1]　3.26g样品燃烧后，得到4.74gCO2和1.92gH2O，实验测得其相对分子质量为60，求该样品的实验式和分子式。

　　解：

（1）求各元素的质量分数

　　样品　　　CO2　　　H2O

　　3.26g　　4.74g　　1.92g

（2）求样品分子中各元素原子的数目（N）之比

　　这个样品的实验式为CH2O。

　　（3）求分子式

　　通过实验测得其相对分子质量为60，这个样品的分子式=（实验式）n。

　　故这个样品的分子式为C2H4O2。

　　答：

这个样品的实验式为CH2O，分子式为C2H4O2。

　　[例2]　实验测得某烃A中含碳85.7%，含氢14.3%。

在标准状况下11.2L此化合物气体的质量为14g。

求此烃的分子式。

　　解：

（1）求该化合物的摩尔质量

　　根据

　　得

（2）求1mol该物质中碳和氢原子的物质的量

　　即1mol该化合物中含2molC原子和4molH原子，故分子式为C2H4。

　　[例3]　6.0g某饱和一元醇跟足量的金属钠反应，让生成的氢气通过5g灼热的氧化铜，氧化铜固体的质量变成4.36g。

这时氢气的利用率是80%。

求该一元醇的分子。

　　解：

设与CuO反应的氢气的物质的量为x

　　而这种一元醇反应后生成的氢气的物质的量为

。

　　饱和一元醇的通式为

，该一元醇的摩尔质量为M（A）。

　　该一元醇的相对分子质量是60。

根据这一元醇的通式，有下列等式：

则饱和一元醇的分子式是C2H6O。

　　[例4]　有机物A是烃的含氧衍生物，在同温同压下，A蒸气与乙醇蒸气的相对密度是2。

1.38gA完全燃烧后，若将燃烧的产物通过碱石灰，碱石灰的质量会增加3.06g；若将燃烧产物通过浓硫酸，浓硫酸的质量会增加1.08g；取4.6gA与足量的金属钠反应，生成的气体在标准状况下的体积为1.68L；A不与纯碱反应。

通过计算确定A的分子式和结构简式。

　　解：

燃烧产物通过碱石灰时，CO2气体和水蒸气吸收，被吸收的质量为3.06g；若通过浓硫酸时，水蒸气被吸收，被吸收的质量为1.08g。

故CO2和水蒸气被吸收的物质的量分别为：

　　列方程解之得x=3　　y=8

　　由题意知A与金属钠反应，不与Na2CO3反应，可知A含羟基不含羧基（—COOH）。

　　4.6gA所含物质的量为

　　4.6gA中取代的H的物质的量为

。

　　即1molA取代H的物质的量为3mol，可见1个A分子中含有3个羟基，故A为丙三醇，

　　结构简式为：

【练习】

⒈解析：

烃完全燃烧产物为CO2、H2O，CO2中的C、H2O中的H全部来自于烃。

13.2gCO2物质的量为

，7.2gH2O物质的量为

，则0.1mol该烃中分子含C：

0.3mol，含H：

0.4mol×2＝0.8mol（CO2～C、H2O～2H），所以1mol该烃分子中含C3mol、含H8mol。

答案：

C3H8。

⒉解析：

，即最简式为CH2、化学式为

，该烃的相对分子质量：

Mr（A）＝Mr（N2）×2＝28×2＝56，

，故分子式为C4H8。

⒊解析：

任意烃与一定量氧气充分燃烧的化学方程式：

CxHy+（x+

）O2

xCO2+

H2O

当温度高于100℃时，生成的水为气体。

若烃为气态烃，反应前后气体的体积不变，即反应消耗的烃和O2与生成的二氧化碳和气态水的体积相等。

∴1　＋　（x+

）　＝　x　＋　

　　y　＝　4

就是说气态烃充分燃烧时，当烃分子中氢原子数等于4时（与碳原子数多少无关），反应前后气体的体积不变（生成物中水为气态）。

答案：

A、B。

⒋解析：

混合气体的平均摩尔质量为12.5×2g/mol＝25g/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。

⒌解析：

烃在过量氧气中完全燃烧产物为CO2、H2O及剩余O2，由于是恢复到室温，则通过NaOH溶液后气体体积减少40mL为生成CO2体积。

CxHy+（x+

）O2

xCO2+

H2O（g）ΔV

1　　　　x+

x1+

0.040.05

列式计算得：

y＝5x－4当：

①x＝1　y＝1②x＝2　y＝6③x≥3　y≥11　只有②符合。

（为什么？

）答案：

C。

⒍解析：

烃A完全燃烧，C→CO2　　H→H2O　产物中

∶

＝1∶2，即A中

nC∶nH＝1∶4，只有CH4能满足该条件，故A为甲烷，摩尔质量为16g/mol；

相同状况下，不同气体密度与摩尔质量成正比：

MA∶MB＝1∶3.5，

MB＝3.5MA＝3.5×16g/mol＝56g/mol。

设烃B分子式为CxHy，则：

12x＋y＝56　y＝56－12x　只有当x＝4y＝8时合理。

答案：

A：

CH4；B：

C4H8

⒎解析：

该题已知混合气体完全燃烧后生成CO2和H2O的质量，从中可以计算出这两种物质的物质的量，n（CO2）＝3.52g÷44g/mol＝0.08mol、n（H2O）＝1.92g÷18g/mol＝0.11mol；进而求出混合气体中每含1摩C所含H的物质的量，0.11mol×2÷0.08mol＝11/4；而组分气体中乙烷和丙烷的同样定义的化学量分别是，乙烷C2H6为3，丙烷C3H8为8/3；将这些平均量应用于十字交叉法可得这两组分气体在混合气体中所含C原子数之比。

C2H6每含1摩C所含H的物质的量：

3　　　　　　　11/4－8/3

C3H8每含1摩C所含H的物质的量：

8/3　　　　　　　3－11/4

即混合气体中每含4molC原子，其中1molC原子属于C2H6（乙烷物质的量则为1/2＝0.5mol），3molC原子属于C3H8（丙烷物质的量则为3/3＝1mol）。

所以混合气体中乙烷和丙烷的物质的量之比为：

n（C2H6）∶n（C3H8）＝（1/2）∶（3/3）＝1∶2

答案：

A

⒏A

9．解析：

25℃时生成的水为液态；生成物经NaOH溶液处理，容器内几乎成为真空，说明反应后容器中无气体剩余，该气态烃与O2恰好完全反应。

设该烃的分子式为CxHy，则有：

CxHy+（x+

）O2

xCO2+

H2O

压强变化可知，烃和O2的物质的量应为CO2的2倍（25℃时生成的水为液态），

即：

1＋（x+

）＝2x，整理得：

x＝1＋

讨论：

当y＝4，x＝2；当y＝6，x＝2.5（不合，舍）；当y＝8，x＝3，…答案：

A、D。

10．解析：

根据方程式：

CxHy+Cl2→CxH（y－1）Cl+HCl　HCl+NaOH＝NaCl+H2O得关系式：

CxHy　～　Cl2　～　NaOH

　1mol1mol

n0.5×0.2mol/Ln＝0.1mol

∴　该烃的摩尔质量

另由该烃与氯气发生取代反应可知该烃为烷烃，通式为CnH2n+2，

则：

14n+2＝72　n=5　故分子式为C5H12答案：

C5H12。

11．解析：

根据方程式

CxHy（g）+（x+

）O2

xCO2（g）+

H2O（l）　　ΔV

1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1+

10mL　25mL

解得：

y=6烷烃通式为CnH2n+2，2n＋2＝6，n=2，该烃分子式为C2H6。

答案：

C2H6。

12．解析：

因为V（混烃）：

V（CO2）：

V（H2O）＝1：

2：

1.5，所以：

V（混烃）：

V（C）：

V（H）＝1：

2：

3，平均组成为C2H3，

＝27。

根据平均组成C2H3分析，能满足平均组成的混烃只有两组，即C2H2和C2H6或C2H2和C2H4组成的混烃。

答案：

C2H2和C2H6或C2H2和C2H4