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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 有机化合物的分离、提纯
我国科学家屠呦呦因青蒿素的研究获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。
葛洪《肘后备急方》:“青蒿一握,以水升渍,绞取汁,尽服之。”
科学家怎样从黄花蒿中提取青蒿素,又怎样知道其结构的呢?
20世纪70年代初,我国屠呦呦等科学家使用乙醚从中药中提取并用柱色谱分离得到抗疟有效成分青蒿素。
中国科学院上海有机化学研究所和中国中医研究院中药研究所等单位的科学家们通过元素分析和质谱法分析,确定青蒿素的相对分子质量为282,分子式为C15H22O5。
经红外光谱和核磁共振谱分析,确定青嵩素分子中含有酯基和甲基等结构片段。通过化学反应证明其分子中含有过氧基(-O-O-)。1975年底, 我国科学家通过X射线衍射最终测定了青蒿素的分子结构。
青蒿素结构的测定
科学 技术 社会
分离、提纯
确定分子式
确定分子结构
研究有机化合物的基本步骤:
蒸馏
萃取
分液
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
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定分子结构
分离:把混合物的各种成分物质分开的过程,分开以后的
各物质应该尽量减少损失。
提纯:将某物质中的杂质,采用物理或化学方法除掉的过程。
不增
不减
易分离
易复原
不增加新的杂质
不减少被提纯的物质
被提纯物质和杂质易分离
被提纯物质易恢复原状态
分离、提纯的原则
分离、提纯的方法:
物理方法:利用物质与杂质物理性质差异(熔沸点、溶解性、溶解度、密度等)而将它们分开。
如:溶解、过滤、重结晶、升华、蒸发、蒸馏、萃取、分液、液化、汽化、渗析、盐析、洗气等。
化学方法:一般加入或通过某种试剂进行化学反应。
如:加热分解、氧化还原转化、生成沉淀、酸碱中和、络合、水解、化学方法洗气等。
过 滤
1、原理:根据固体的溶解度不同,将不溶性固体从溶液中分离出来的方法。
2、范围:适用于不溶固体和液体的分离。
3、仪器:铁架台、烧杯、漏斗、玻璃棒
4、注意:一贴二低三靠
例:除去粗盐中的不溶性固体杂质(如泥沙)
抽 滤
1、原理:利用抽气泵使抽滤瓶中的压强降低,达到固液分离的目的。
3、优点:加快过滤速度,滤出的固体
更干燥。
2、仪器:布氏漏斗、安全瓶、滤纸、抽滤瓶、胶管、抽气泵
4、注意:
①停止抽滤时,需先旋开安全瓶上的旋塞,恢复常压后关闭抽气泵。
②不宜过滤胶状沉淀或颗粒太小的沉淀。
蒸 发
1、原理:把可溶性固体从溶剂中分离出 来的方法。
2、仪器:铁架台、蒸发皿、酒精灯、
玻璃棒
3、注意:
①要用玻璃棒不断搅拌,以防溶液因局部过热而造成液体飞溅。
②加热至剩余少量液体时,停止加热。
蒸 馏
1.原理:
利用有机物与杂质的沸点差异,将有机物以蒸汽的形式蒸出,再冷凝、收集得到产品。
2.蒸馏提纯的条件:
(1)互溶的液体混合物或液体和可溶性固体;
(2)有机物与杂质的沸点相差较大(一般相差30℃以上)
(3)被提纯的有机物热稳定性较强(加热不分解)→
化合物未达到沸点就已受热分解或氧化→
常压蒸馏
减压蒸馏
直形冷凝管
蒸馏烧瓶
锥形瓶
温度计
碎瓷片或沸石
进水
出水
3.蒸馏装置:
牛角管(尾接管)
石棉网
使用前要检查装置的气密性:用酒精灯微热蒸馏烧瓶,若伸入到水槽的牛角管有连续均匀的气泡冒出,且停止加热后牛角管口形成一段水柱,说明气密性良好。
防止暴沸
所盛液体体积:1/3~2/3
水银球的位置在蒸馏烧瓶支管口处
减压蒸馏装置
直形冷凝管
球形冷凝管
蛇形冷凝管
冷凝管有3种类型:
多用于蒸馏操作
用于冷凝回流沸点高的液体
(横着用)
用于冷凝回流沸点低的液体
(竖着用)
(竖着用)
例如
三颈烧瓶
恒压滴液漏斗
蒸馏的实际应用—无水乙醇的制取
物质 甲醇 乙醇 水
沸点/ ℃ 64.7 78.5 100
工业乙醇
(乙醇+水、甲醇)
蒸馏
温度 馏分成分
77 ℃以下
77~79 ℃
79 ℃以上
甲醇
共沸物
主要含水
因为95.6%的酒精和4.4%的水组成一恒沸混合物,沸点是78.15℃,把这种混合物蒸馏时,乙醇和水始终以这个混合比率同时蒸出。
95.6%乙醇 和4.4%水
无水乙醇
(99.5%以上)
加CaO(吸水剂)
蒸馏
①CaO和水反应生成的Ca(OH)2是糊状物,过滤时会堵塞滤纸孔。
②Ca(OH)2微溶,少量Ca2+、OH-等离子会透过滤纸导致乙醇不纯。
思考:固液混合物分离为什么用蒸馏而不用过滤?
(双选)下列关于蒸馏的实验操作说法正确的是( )
A.蒸馏的原理是利用混合物中各组分的沸点不同实现分离
B.蒸馏烧瓶可以用酒精灯直接加热
C.开始蒸馏时,应该先加热,再通冷凝水;蒸馏完毕,应该先关冷凝水,再撤酒精灯
D.甲烷与氯气发生取代反应得到的液态混合物可以用蒸馏法分离
AD
酒精灯迟到早退、冷凝水早出晚归
萃 取
液-液萃取
固-液萃取
例如:
用水浸取甜菜中的糖类;
用酒精浸取黄豆中的豆油以提高产量;
专用仪器设备
用溶剂从固体物质中溶解出待分离组分的过程。
用乙醚浸取黄花蒿提取青蒿素。
利用待分离组分在两种不互溶的溶剂中的溶解度不同,将其从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。
萃取剂选择的条件:
①萃取剂与原溶剂不互溶、不反应;
②溶质在萃取剂中的溶解度要大于在原溶剂中的溶解度;
③溶质与萃取剂不反应。
注意:对于萃取剂与原溶剂两者密度的相对大小,无特定要求。
例如:I2微溶于水,易溶于四氯化碳,四氯化碳与水不互溶,不反应,就可以用四氯化碳萃取碘水中的I2。
常用萃取剂:CCl4、氯仿(CHCl3)、苯、汽油、乙醚等。
萃取装置:
分液漏斗(梨形)
烧杯
铁架台
(带铁圈)
分液漏斗有2种类型:
球形
梨形
多用于制气装置中滴加液体
常用做萃取操作的仪器
恒压分液漏斗
萃取装置:
分液漏斗(梨形)
铁架台
(带铁圈)
烧杯
凹槽
小孔
用CCl4萃取碘水中的I2:
萃取步骤:
振荡、排气
静置分层
检漏、装液
分 液
注意:分液和萃取是两个不同的操作方法,分液可以单独进行,但萃取之后一般要进行分液。
分 液
1、原理:将两种互不相溶(分层)的液体
混合物进行分离的操作。
2、仪器:铁架台、分液漏斗、烧杯
3、注意:
①分液时,应打开上口的玻璃塞或使塞上的凹槽对准漏斗口上的小孔,使液体能够顺利滴下;
②分液漏斗下端尖嘴部分紧靠烧杯内壁;
③分液时,下层(密度大)液体从下口流出,上层(密度小)液体从上口倒出。
分液后应如何分离碘的四氯化碳有机溶液?
已知:四氯化碳沸点:76.8 ℃ 碘单质沸点:184.35 ℃
蒸馏
水 苯 CCl4
碘(I2) 黄色 紫红色 紫红色
溴(Br2) 橙色 橙红色 橙红色
1、下列各项操作错误的是( )
A.分液时,为保证分液漏斗内的液体顺利流出,可将上面的塞子拿掉
B.进行分液时分液漏斗中下层液体从下端流出,上层液体则从上口倒出
C.萃取、分液前需对分液漏斗进行检漏
D.用乙醇萃取碘水中的碘单质时可选用分液漏斗,然后静置分液
D
2、(双选)下列每组中各有两对物质,它们都能用分液漏斗分离的是( )
A. 乙酸乙酯和水,酒精和水 B. 四氯化碳和水,植物油和水
C. 乙酸和水,乙酸和乙醇 D. 汽油和水,苯和水
BD
重 结 晶
1.提纯原理:
利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的溶解度不同而将杂质除去。
将含杂质的晶体溶于溶剂后,又重新从溶液中获得纯晶体的过程。
关键:
选择适当的溶剂
①杂质:在此溶剂中溶解度很小或很大
②被提纯的有机物:在此溶剂中的溶解度受温度影响较大,能够进行冷却结晶。
溶解度很大,留在滤液里
溶解度很小,留在滤渣里
如果重结晶所得的晶体纯度不能达到要求,可以再次重结晶以提高纯度。
课本14页
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?
加热溶解
趁热过滤
冷却结晶
过滤、
洗涤、
干燥
(除去泥沙)
(析出苯甲酸)
(除去氯化钠)
论
讨
与
考
思
课本15页
(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?
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。
加热溶解、趁热过滤、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥、称量。
(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?
加热:增大苯甲酸的溶解度,使苯甲酸充分溶解。
趁热过滤:除去泥沙,并防止苯甲酸晶体低温析出。
论
讨
与
考
思
(3)实验操作中多次用到了玻璃棒,分别起到了哪些作用?
(4)如何检验提纯后的苯甲酸中NaCl已被除净?
加热溶解→搅拌,加速苯甲酸溶解; 过滤→引流
取少量最后一次洗涤液于试管中,加入HNO3酸化的AgNO3溶液,若无白色沉淀生成,证明NaCl已经被除净。
论
讨
与
考
思
(5)冷却结晶时是不是温度越低越好?
温度过低,杂质溶解度降低易析出,达不到提纯目的。
(6)如何洗涤沉淀或晶体?
沿玻璃棒向过滤器中加蒸馏水至恰好浸没沉淀,待水自然流出后,重复操作两至三次,直至晶体被洗净。
蒸发结晶
冷却结晶
结晶
蒸发溶剂,适用于溶解度随温度变化不大的物质,
如粗盐的提纯。
将热的饱和溶液慢慢冷却后析出晶体,适用于溶解度随温度变化较大的物质。如NaCl和KNO3的分离。
拓展延伸
根据几种固体的溶解度曲线图,分析:
(1)如何从NaCl溶液析出NaCl晶体?
(2)如何从KNO3溶液中析出KNO3晶体?
溶解、蒸发结晶、趁热过滤
(3)如何除去NaCl固体中少量 KNO3?
(4)如何除去KNO3固体中少量 NaCl?
蒸发结晶
蒸发浓缩(目的:形成热的饱和溶液)、冷却结晶
首先析出的是NaCl,少量的KNO3仍残留在热的溶液中。
溶解、 蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。
过滤得到KNO3晶体,杂质NaCl留在滤液中。
1、一种溶质
3、二种溶质,大量共存
蒸发浓缩、
趁热过滤
滤渣(S随T变化小的,如NaCl)
滤液
冷却结晶、
过滤
滤渣(S随T变化大的,如KNO3)
归纳总结
(1)S随T变化小—蒸发结晶
(2)
S随T变化大、含结晶水、受热分解—
蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
(如KNO3、Na2CO3·10H2O等)
2、二种溶质,其中一种为少量杂质
主物质
(2)S随T变化大—蒸发浓缩、冷却结晶、过滤(如KNO3中少量NaCl)
(1)S随T变化小—蒸发结晶、趁热过滤(如NaCl中少量KNO3)
渗 析
1、原理:利用半透膜能透过离子或分子,不能透过胶粒
的性质分离提纯胶体的方法。
2、范围:适合分离胶体和溶液。
3、仪器:烧杯、半透膜袋
例:分离鸡蛋清中混有的少量氯化钠
混合液
1、原理:利用轻金属盐能够降低胶体的溶解度的性质,
分离提纯胶体的方法。
2、范围:适合分离胶体和溶剂。
3、注意:方法是盐析,操作是过滤!
例:硬脂酸钠中混有甘油:
加少量食盐,使硬脂酸钠析出,然后过滤分离。
盐 析
1、(双选)下列有关实验的说法错误的是( )
A.在蒸馏实验中,温度计的水银球位于蒸馏烧瓶的支管口处是为了测出馏分的沸点
B.用直接蒸馏的方法可以从含水的乙醇中得到无水乙醇
C.在重结晶的实验中,使用短颈漏斗趁热过滤是为了减少被提纯物质的损失
D.作为重结晶实验的溶剂,杂质在此溶剂中的溶解度受温度的影响应该很大
BD
选项 目的 方法 原理
A 分离溶于水的碘 用乙醇萃取 碘在乙醇中的溶解度较大
B 分离乙酸乙酯和乙醇 分液 乙酸乙酯和乙醇的密度不同
C 除去KNO3固体中混杂的NaCl 重结晶 NaCl在水中的溶解度很大
D 除去丁醇中的乙醚 蒸馏 丁醇与乙醚的沸点相差较大
2、下列实验中,所采取的分离或提纯方法与原理都正确的是( )
D
A.萃取分液 B.升华 C.重结晶 D.分液 E.蒸馏F.过滤 G.洗气(分离提纯气体混合物)(1)_____分离食盐水与沙子的混合物。(2)_____从硝酸钾和氯化钠的混合溶液中获得硝酸钾。(3)_____分离水和汽油的混合物。(4)_____分离CCl4(沸点为76.75 ℃)和甲苯(沸点为110.6 ℃)的混合物。(5)______除去混在乙烷中的乙烯。(6)_____提取碘水中的碘。(7)_____分离食盐与碘。FC FDEGAB溴水洗气瓶(长进短出)3、选择下列实验方法分离、提纯物质,将分离、提纯方法的序号填在横线上: