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第一章 有机化合物的结构特点与研究方法
第二节 研究有机化合物的一般方法
第1课时
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定分子结构
蒸馏、萃取、
重结晶等
元素定量分析
质谱法
波谱分析:
红外光谱、
核磁共振氢谱、
X射线衍射等
研究有机化合物的基本步骤:
预测物质的性质
物理方法:利用有机物与杂质物理性质差异进行分离
有机物分离与提纯常用的物理方法
化学方法:一般加入某种试剂进行化学反应
分离与提纯
一、分离和提纯
蒸馏
萃取
分液
重结晶
(2)条件:
(1)原理:
利用沸点差异分离液体混合物。
1、蒸馏
工业乙醇
工业乙醇95.6%
无水乙醇99.5%以上
蒸馏
蒸馏
吸水剂
③有机物与杂质的沸点相差较大(一般约大于30 ℃)
①液体有机物中含有少量杂质
②有机物热稳定性较强
冷凝管
蒸馏烧瓶
尾接管
锥形瓶
温度计
(4)温度计水银球处于蒸馏烧瓶支管口处
(5)冷凝水,下口进,上口出
(3)投放沸石或瓷片防暴沸
(1)烧瓶底加垫石棉网
(2)溶液体积约为烧瓶体积1/3—2/3
(3)实验室常用的蒸馏装置:
产物 二氯甲烷 三氯甲烷 四氯化碳
沸点 40℃ 62℃ 77℃
甲烷与氯气发生取代反应,反应历程如下:
分离液态混合物中含二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳的方法是什么?
蒸馏法
思考与讨论
利用混合物中一种溶质在互不相溶的两种溶剂中的溶解性不同,用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂组成的溶液中提取出来的方法。
2、萃取
(1)根据萃取剂的类别,将萃取进行简单分类:
①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。
②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 。(专用仪器设备)
——萃取用的溶剂
(2)萃取剂
选择条件:
①萃取剂与原溶剂互不相溶、不发生化学反应
②溶质不与萃取剂发生任何反应
③溶质在两溶剂中的溶解度有较大差别(在萃取剂中的溶解度大)
常用萃取剂:
密度小于水的:苯、乙醚、乙酸乙酯;
密度大于水的:氯仿、四氯化碳等
分液漏斗,烧杯,铁架台
(3)主要仪器:
静置分层
分液
振荡
装液
(4)操作步骤:
(5)注意事项:
①分液漏斗使用前需检漏。
②分液漏斗内液体的总体积不超过容积的2/3。
③分液漏斗下端尖嘴部分紧靠烧杯内壁。
④分液漏斗通过打开上方的玻璃塞和下方的活塞放出液体。
3、重结晶
(1)适用范围:
提纯固体有机化合物的常用方法
(2)溶剂要求:
②被提纯的有机化合物在此溶剂中的溶解度受温度影响较大,能够冷却结晶
①杂质在此溶剂中溶解度很小或者很大,易于除去。
如果重结晶所得的晶体纯度不能达到要求,可以再次进行重结晶以提高产物的纯度。
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。
【问题】某粗苯甲酸样品中含有少量氯化钠和泥沙,提纯苯甲酸需要经过哪些步骤?
温度/℃ 25 50 75
溶解度/g 0.34 0.85 2.2
【资料】苯甲酸可用作食品防腐剂。纯净的苯甲酸为无色结晶,其结构可表示为 , 熔点122℃,沸点249℃。苯甲酸微溶于水,易溶于乙醇等有机溶剂。苯甲酸在水中的溶解度如下
【实验】
(1)观察粗苯甲酸样品的状态。
(2)将1g粗苯甲酸放入100mL烧杯,加入50mL蒸馏水。加热,搅拌,使粗苯甲酸充分溶解。
(3)使用漏斗趁热将溶液过滤至另一烧杯中,将滤液静置,使其缓慢冷却结晶。
(4)待滤液完全冷却后滤出晶体,并用少量蒸馏水洗涤。将晶体铺在干燥的滤纸上,晾干后称其质量。
加热溶解
趁热过滤
冷却结晶
加热:使苯甲酸溶解。
趁热过滤:除去泥沙,并防止苯甲酸晶体低温析出而损失
(1)重结晶法提纯苯甲酸的原理是什么?有哪些主要操作步骤?
【讨论】
泥沙难溶于水,氯化钠易溶于水,苯甲酸的溶解度受温度影响比较大。
步骤:加少量热水溶解,趁热过滤,除去泥沙,冷却结晶,过滤。
(2)溶解粗苯甲酸时加热的作用是什么?趁热过滤的目的是什么?
(3)实验操作中多次使用了玻璃棒,分别起到了哪些作用?
玻璃棒:加热溶解——搅拌,加速苯甲酸溶解
过滤——引流
取少量晶体溶于水,加入硝酸酸化的硝酸银溶液,若无白色沉淀生成,证明NaCl已经被除净。
(4)如何检验提纯后的苯甲酸中氯化钠已经被除净?
不纯固体物质
残渣
(不溶性杂质)
滤液
母液
(可溶性杂质和部分被提纯物)
晶体
(产品)
溶于溶剂,制成饱和溶液,趁热过滤
冷却,结晶,过滤,洗涤
如何洗涤结晶或沉淀?
重结晶
分离、提纯
纯净物
获取
蒸馏
重结晶
萃取、
分液
常用方法
沸点差异大的液体化合物
分离
分离
分离
溶解度差异大的固体化合物
不同溶剂中溶解度差异大的物质
1、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
BD
2、下列各组混合物的分离或提纯方法不正确的是( )
A.用过滤法分离Fe(OH)3胶体和FeCl3溶液的混合物
B.用重结晶法提纯NaCl和KNO3的混合物中的KNO3
C.用蒸馏法分离乙醇和甲醇的混合物
D.用萃取和分液的方法可以分离碘和水的混合物
A
分离、提纯
步骤
方法
蒸馏、重结晶、萃取、分液等
思考与交流
得到纯净的有机物后,如何确定它的 分子式 ?
研究有机化合物的一般步骤和方法
有机化合物的元素定量分析最早由德国化学家李比希提出。
(J·von Liebig,
1803—1873)
李比希元素分析仪
李比希元素分析仪
李比希元素分析仪
李比希元素分析仪
李比希元素分析仪
二、确定实验式(最简式)
1、李比希元素分析法
取一定量仅含C、H、O的有机物
加CuO
O2或
CO2
H2O
测得前后的质量差
用无水CaCl2
吸收
用KOH浓溶液吸收
计算C、H原子质量分数
剩余的为O原子的质量分数
测得前后的质量差
H2O CO2
碱石灰
例1、含C、H、O三元素的未知物A,经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52.2%,氢的质量分数为13.1%。试求该未知物A的实验式。
(2)计算该有机化合物分子内各元素原子的个数比:
【解】
(1)计算该有机化合物中氧元素的质量分数:
ω(O)=100%-52.2%-13.1%=34.7%
N(C):N(H):N(O)=
52.2%
12
13.1%
1
34.7%
16
:
:
=2:6:1
【答】该未知物A的实验式为C2H6O。
2、现代元素分析仪---元素定量分析
知道实验式,若要确定分子式,需要什么条件?
现在,元素定量分析使用现代化的元素分析仪分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平。
三、确定分子式
元素定量分析
实验式
各组成原子的最简整数比
分子式
其中最精确、快捷的方法
相对分子质量
质谱法
质谱仪
如何读质谱图,确定有机物的相对分子质量?
未知化合物A的质谱图
A的相对分子质量为46
质谱图中质荷比的最大值就是样品分子的相对分子质量。
二甲醚
乙醇
写出C2H6O可能的结构:
依据质谱图:未知物A的相对分子质量为46,实验式C2H6O的相对分子质量是46,
M=[M (C2H6O)] ×n, n=1,所以未知物A的实验式 和分子式都是C2H6O
怎样确定有机物A是二甲醚,还是乙醇?
四、分子结构的鉴定——波谱分析
红外光谱仪
确定官能团和化学键的类型
1、红外光谱
未知物A的红外光谱
写出C2H6O可能的结构:
例题2、下图是分子式为C3H6O2的有机物的红外光谱谱图,推测其结构。
CH3—C—O—CH3
O
2、核磁共振氢谱(HNMR)
(1)原理:
处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同,在图谱上的位置也不同,而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。
(2)用途:
吸收峰数目= ,
吸收峰面积比= 。
氢原子数之比
氢原子类型种类
测定有机物分子中氢原子的类型和它们的相对数目
未知物A的核磁共振氢谱
二甲醚的核磁共振氢谱
由未知物A(分子式为C2H6O )的核磁共振氢谱图,可以判断:
A的分子中有3中处于不同化学环境的氢原子,
个数比为3:2:1。
CH3OCH3(二甲醚)分子中的6个氢原子的化学环境相同,
对应的核磁共振氢谱图中只有一个峰
例题3、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
√
例4、有机物的相对分子质量为70,红外光谱表征到碳碳双键和羰基的存在,该有机物的分子式 。核磁共振谱列如下图,写出可能的结构简式 。
C4H6O
CH2=CHCOCH3
3种氢原子
吸收峰数目3种
官能团:C=C,C=O
CH2=C(CH3)CHO
图谱题解题
1. 首先应掌握好三种谱图的作用、读谱方法。
2. 必须尽快熟悉有机物的类别及其官能团。
3. 根据图谱获取的信息,按碳四价的原则对官能团、 基团进行合理的拼接
4. 得出结构(简)式后,再与谱图提供信息对照检查,主要是相对分子质量、官能团、基团、氢原子的类别是否吻合。
3、X射线衍射
X射线是一种波长很短(约10-10 m)的电磁波,它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射谱图。
原理:
经过计算可以从中获得分子结构的有关数据,包括键长、键角等分子结构信息。将X射线衍射技术用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定,可以获得更为直接而详尽的结构信息。
应用:
有机物研究方法
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定结构式
蒸馏
萃取
分液
重结晶
元素分析
质谱测相对分子质量
红外光谱
核磁共振氢谱
X射线衍射谱
—化学键和官能团
—氢的种类和比值
—键长、键角等
总结
1、验证某有机物属于烃,应完成的实验内容是 ( )
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
D
课堂练习
2.某化合物的结构(键线式)及球棍模型如下:
该有机分子的核磁共振氢谱图如下(单位是ppm):
下列关于该有机物的叙述正确的是 ( )
A.该有机物不同化学环境的氢原子有6种
B.该有机物属于芳香化合物
C.键线式中的Et代表的基团为-CH3
D.该有机物在一定条件下能与金属钠、乙酸发生反应
D
3、中国石油天然气勘探开发公司近期在尼日尔东部发现了2 900万桶的石油储量,勘探小组在石油样品中发现一种烃的含氧衍生物X。某化学兴趣小组设计如图装置确定X的分子式,在电炉加热时用纯净的氧气氧化管内的样品,根据产物的质量确定有机物的组成。(不考虑空气进入装置)
请回答下列问题:
(1)A中发生反应的化学方程式为____________________。
(2)B装置的作用是_____________________________,燃烧管C中CuO的作用是________________________。
吸收氧气中的水蒸气(或干燥氧气)
将有机物不完全燃烧的产物全部转化为CO2和H2O
(3)产生氧气的流向从左向右,燃烧管C与装置D、E连接。现甲、乙两位同学提出了下列两种连接方案。
方案1:甲同学认为连接顺序是C→E→D。
方案2:乙同学认为连接顺序是C→D→E。
请评价两种连接方案,判断哪种方案合理并说明理由:
____________________________________________。
方案1合理,先用无水CaCl2吸收H2O,再用碱石灰吸收CO2,便于后面的计算
(4)准确称取1.8 g烃的含氧衍生物X的样品,经充分燃烧后,D管的质量增加2.64 g,E管的质量增加1.08 g,实验测得X蒸气的密度是同温同压下氢气密度的45倍,则X的分子式为__________,1 mol X分别与足量Na、NaHCO3反应放出的气体在相同条件下的体积之比为1∶1,X可能的结构简式为_____________________________________。
C3H6O3
HOCH2CH2COOH、CH3CH(OH)COOH
4、(1)某含C、H、O三种元素的有机物,其相对分子质量为74,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%, 则其分子式为 。
(2)写出相对分子质量为128的烃的可能分子式 。
C4H10O
【方法2】直接法
C9H20
或C10H8
(3)在同温同压下,10mL某气态烃在足量O2里充分燃烧,得到20mL气态水和10mL的二氧化碳混合气体,则该烃的分子式可能为
A、CH4 B、C2H6 C、C3H8 D、C3H6
A
【方法3】商余法
【方法1】最简式法