一、高考有机化学实验的考点分析及解答策略
有机制备实验是一类以有机物的制备为载体综合性实验试题。这类题型多以工业生产的真实过程为素材,题目情境新颖、信息量大,内容科学,能体现化学的应用价值,同时考查的落脚点又是高中学生必备的基础知识和基本技能,能很好地考察学生对考试大纲的接受、吸收及整合化学信息的能力。是近几年高考命题的热点,也是我们在高考复习中必须突破的重点和难点。
不过如果能对基本的化学制备及净化原理理解,灵活运用,解决此类问题使是一件很容易的事。
1、有机制备实验的考査方式
要通过选择正确的制备路线和合适的反应装置来制备合成。
由于制备的物质往往是混有过量的反应物及副产物的混合物,还需要通过适当的手段对物质进行分离和提纯,才能得到纯度较高的产品。
2、有机制备实验往往包括两个过程:制备合成和分离纯化。
(1)制备合成过程:
①反应原理:合成路线的选择与评价,可能的副反应控制;
②反应装置:仪器的选择、识别,装置作用分析;
③ 操作顺序:如加料顺序、点火加热顺序、反应条件的控制等。
(2)分离提纯过程:
①分析杂质:产生原理及可能混有的杂质;
②除杂试剂:所加试剂的作用及目的;
③除杂方法:操作顺序、注意事项等细节等。
④产品检验:对产品进行产率的计算、是纯度的测定等。
二、有机制备实验的应对策略
1.了解有机物制备合成的常见实验装置
①发生装置:若所制备的是气体物质,就选用气体发生装置;
②固体或液体物质装置:则需要根据反应条件、反应原料和反应产物的性质等选择合适的发生装置。
如根据反应产物与反应原料的沸点差异,制备装置可以分为两类:
蒸馏装置:一般产物的沸点明显低于反应原料的沸点,可选择蒸馏装置。
如乙酸乙酯的制备,及时地将产物蒸出有利于化学平衡正向移动从而提髙产率;
回流装置:如果产物的沸点高于反应原料的沸点,则多采用回流装置。
如硝基苯的制备,因为有机制备实验往往反应时间长,反应原料易挥发,采用回流装置能减少原料的损失。
装置主要由反应容器和冷凝(管)装置组成。
反应容器:圆底烧瓶、双颈烧瓶或三颈烧瓶等。
冷凝管:直形冷凝管、球形冷凝管、蛇形冷凝管和空气冷凝管。
使用时需要根据用途及反应混合物的沸点高低来选择。
蒸馏:多用直形冷凝管,但当被加热的液体沸点髙于140℃时,可选用空气冷凝管,以免冷凝管通水冷却时导致玻璃温差大而炸裂。
回流:多选用球形冷凝管,其受热面积大,冷凝效果好。若被加热的液体沸点很低或其中有毒性较大的物质时,则可选用蛇形冷凝管,以提高冷却效率。
此外,根据反应的不同,还可在反应容器上装配其他仪器。
如温度计、搅拌器、滴加液体的分液漏斗(或恒压滴液漏斗)、干燥管、分水器等,如果反应中有气体生成,还必须有气体吸收装置。
2. 掌握有机物分离提纯的一般步驟和方法,分析产品中的杂质:
①分析杂质:
制得的产品中的杂质主要有三个来源:
一是未反应完全的原料,包括催化剂;二是生成物中除产物外的其他物质;三是副反应产物。
②液体产物的纯化:
粗分离:
液体产品的提纯往往包括粗分离和精分离两个提纯过程。在粗分离过程中,通常是三个步骤:
第一步水洗,目的是洗去大部分易溶于水的杂质;
第二步无机试剂洗涤,目的是洗去容易与无机试剂反应的杂质,如乙酸乙酯的制备中用饱和如Na2CO3溶液洗去乙酸,制取溴苯后加NaOH溶液洗去液溴等;
第三步再水洗,洗去第二步中加入的无机试剂。每一次洗涤后均需分液。
精分离:
一般是在粗分离后,向粗产品中先加干燥剂除去微量水,再蒸馏,收集温度为产物沸点的馏分,即得到较高纯度的产品。
③固体产物的纯化:
固体粗产物可用过滤、重结晶等方法来精制。
要注意掌握并运用过滤、分液、蒸馏、重结晶等物质分离提纯的基本方法。
④计算产率及对实验分析评价的方法:
在计算时,要判断过量与不足,应用不足量的反应物的量代入化学方程式,计算出产物的理论产量:产率=实际产量/ 理论产量×100%。
进行评价时,可以从以下几方面考虑:
①反应原理:
若可逆反应,反应物不可能全部转化成产物;
若有副反应,一部分原料消耗在副反应中。
②实验操作:
在制备反应中,若反应时间不足、温度控制不好或搅拌不够充分等都会引起实验产率降低;
此外,分离和提纯过程中也可能造成较大的损失。
三、有关实验中常用的实验方法:
1、有机化学反应加热方法:
一般不采用明火直接加热,许多有机物易挥发、易燃,容易造成安全问题;另外仪器也容易受热不均匀而破裂。如果要控制加热的温度,增大受热面积,使反应物质受热均匀,避免局部过热而分解,常采用减压蒸馏、或回流,但低沸点易燃物等不适用,最好用适当的热浴加热。
(1)水浴:适用于加热温度不超过100℃的反应可用沸水浴或蒸汽浴加热。
(2)油浴:加热温度在100℃-250℃时,可用油浴。常用的油类有液体石蜡、植物油、硬化油、硅油和真空泵油,后两者在250℃以上时仍较稳定。
(3)砂浴:当加热温度必须达到数百度以上时,往往使用砂浴。
(4)熔盐浴:当反应温度在几百度以上时,也可采用熔盐浴加热。熔盐在700℃以下是稳定的,但使用时必须小心,防止溅到皮肤上造成严重的烧伤。
(5)电热套:电热套加热已成为实验室常用的加热装置。尤其在加热和蒸馏易燃有机物时,由于它不是明火,因此具有不易引起着火的优点,热效率也高。加热温度可通过调压器控制,最高温度可达400℃左右。
2、沸石的作用:
沸石就是未上釉的瓷片敲碎而成的小粒。它上面有很多毛细孔,当液体加热时,能产生细小的气泡,成为沸腾中心。这样可以防止液体加热时产生过热现象,防止暴沸,使沸腾保持平稳。
一般加热回流、蒸馏、分馏、水蒸汽发生器产生水蒸汽都需要加沸石。但减压蒸馏、水蒸气蒸馏、电动搅拌反应不需要加沸石。
如果事先忘了加沸石,决不能在液体加热到沸腾时补加。因为这样会引起剧烈暴沸,使液体冲出瓶外,还容易发生着火事故。故应该在冷却一段时间后再补加。
2、无水CaCl2等有机干燥剂:
由于醇、酚、胺类物质能与CaCl2形成络合物,故无水CaCl2不能干燥这些物质。由于工业CaCl2中含有氢氧化钙和氧化钙,故也不能干燥酸类物质。
3、冷凝回流装置:
在室温下反应速度很慢或难以进行,为了使反应尽快地进行,常常需要使反应物质较长时间保持沸腾。在这种情况下,就需要使用回流冷凝装置,使蒸气不断地在冷凝管内冷凝后返回反应器中,以防止反应瓶中的物料逃逸损失。
回流装置一般用球形冷凝管,自下而上通冷却水,水流速度不必很快。物料加量一般约占反应瓶容量的1/3至1/2,最多不超过2/3。
4、蒸馏装置构造、安装及注意事项:
蒸馏装置主要包括蒸馏烧瓶、蒸馏头、温度计、直形冷凝管、接液管和接受瓶。
安装时注意事项:
(1)一般的安装顺序是自下而上,从左到右安装。先固定热源的高度,以它为基准,再顺次安装其它仪器。
(2)不允许铁夹子直接夹玻璃仪器,应在夹子上衬垫橡皮、石棉等,以防止夹破仪器。
(3)常压蒸馏装置必须与大气相通。
(4)蒸馏瓶中的物料量应占蒸馏瓶容积的1/3~2/3。
(5)温度计安装的标准高度是:水银球的上端应与蒸馏头支管的下沿在一条水平线上。
(6)一般蒸馏时,要加沸石。在一次持续蒸馏时,沸石一直有效;一旦中途停止沸腾或蒸馏,原有沸石即失效,再次加热蒸馏时,应补加新沸石。如果事先忘了加沸石,决不能在液体加热到沸腾时补加。因为这样会引起剧烈暴沸,使液体冲出瓶外,还容易产生着火事故。故应该在冷却一段时间后再补加。
(7)蒸馏的产品如果没干燥彻底,会有前馏分,应另瓶接收,接收产品的瓶子应事先称重。
(8)当蒸馏沸点高于140℃的物质时,应该换用空气冷凝管。
5、萃取分液注意事项:
洗涤和萃取时注意事项:
(1)分液漏斗在长期放置时,为防止盖子的旋塞粘接在一起,一般都衬有一层纸。使用前,要先去掉衬纸,检查盖子和旋塞是否漏水。如果漏水,应涂凡士林后,再检验,直到不漏才能用。涂凡士林时,应在旋塞上涂薄薄一层,插上旋转几周;但孔的周围不能涂,以免堵塞孔洞。
(2)萃取时要充分振摇,注意正确的操作姿势和方法。
(3)振摇时,往往会有气体产生,要及时放气。
(4)分液时,下层液体应从旋塞放出,上层液体应从上口倒出。
(5)分液时,先把顶上的盖子打开,或旋转盖子,使盖子上的凹缝或小孔对准漏斗上口颈部的小孔,以便与大气相通。
(6)在萃取和分液时,上下两层液体都应该保留到实验完毕。以防止操作失误时,能够补救。
(7)分液漏斗用毕,要洗净,将盖子和旋塞分别用纸条衬好。
6、分液漏斗和滴液漏斗的区别:
分液漏斗主要用于分离和萃取液体有机物质。而滴液漏斗主要用于反应时滴加反应物料。滴液漏斗分为球形滴液漏斗和恒压滴液漏斗。球形滴液漏斗的旋塞下面有一个小玻璃泡,通过它可以观察和控制滴加速度。恒压滴液漏斗适用于滴加低沸点易挥发、不能与空气接触的物料。
7、直形冷凝管和空气冷凝管区别:
直形冷凝管主要用于蒸馏;球形冷凝管主要用于回流,它的内夹层为球状,增加了冷却的面积。但不能用于蒸馏,因为在小球部会残留物料。
8、蒸馏和分馏的区别:
普通蒸馏法只能分离液体和不挥发的物质、或混合物中各组分沸点相差较大的液体。如果混合物中各组分的沸点相差不太大,用普通蒸馏法就难以分开,这时就需要用分馏方法进行分离。
分馏的原理就是在分馏柱中进行多次气化和冷凝,相当于进行多次的蒸馏,而把各组分分开。分馏的效率视分馏柱的类型和高度而定。目前,最精密的分馏设备能把沸点相差1-2℃的混合物分开。
9、测定有机化合物熔点的目的:
测定有机化合物熔点的目的是初步鉴定有机化合物,并能初步判断其纯度。因纯度越高,距标准值越接近,熔程越小。
10、重结晶原理:
固体有机物在溶剂中的溶解度与温度有关,一般温度升高,溶解度增大。若把样品溶解在热溶剂中达到饱和,冷却时由于溶解度的降低,溶液变成过饱和而析出晶体。利用溶剂对被提纯物质和杂质的溶解度不同,可使被提纯物质从过饱和溶液中析出,而让杂质全部或大部分仍留在溶液中,从而达到提纯的目的。
11、乙酸乙酯制备时提高产率的措施:
让乙醇过量,边反应边蒸出反应生成的酯和水,使平衡向右移动。
12、粗乙酸乙酯纯化:
分别用饱和Na2CO3溶液洗涤除去乙酸、饱和食盐水洗涤残余的Na2CO3、饱和CaCl2溶液洗涤除去乙醇、无水硫酸镁干燥除去残余的水。
13、升华法纯化固体物质满足条件及特点:
被升华的物质只有在其熔点温度以下具有相当高的蒸气压(高于2.67KPa),才可用升华法纯化。升华可除去不挥发的杂质,常可得到较高纯度的产物,但其操作时间长,损失也较大,在实验室里只适用于较少量物质的纯化。
14、减压蒸馏适用物质:
减压蒸馏特别适用于那些在常压蒸馏时,未达到沸点即已受热分解、氧化或聚合的物质的纯化。也适应于那些沸点较高,常压不容易蒸出的物质的蒸馏。
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