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title: 研究有机化合物的一般方法
description: "介绍有机化合物的分离和提纯方法，包括蒸馏的原理、装置和注意事项，以及萃取的原理、萃取剂选择和操作步骤。"
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## 有机化合物的分离、提纯
### 蒸馏
1. **蒸馏原理**：利用有机物与杂质的沸点差异，将有机化合物以蒸汽的形式蒸出，然后冷凝得到产品
2. **适用对象**：互相溶解、沸点不同的液态有机混合物
3. **适用条件**：1. 用于分离互溶的液体混合物 2. 有机物的热稳定性较强 3. 有机物与杂质的沸点相差较大(一般约大于 $30\ce{^\circ C}$ )
> 无水乙醇的制取：
> 会先加入 $\ce{CaO}$（吸水剂）$\ce{CaO}\stackrel{\ce{H2O}}{\longrightarrow}\ce{Ca(OH)2}(s)$，直接蒸馏出乙醇
4. **实验装置与注意事项**
1. 蒸馏操作使用 **直形冷凝管**（不得使用球形冷凝管，其可能导致液体残留，影响蒸馏效果）
2. 回流操作**回流直形、球形冷凝管**都可以，但多使用球形冷凝管（因为其冷却面积大，冷却效果好）
3. 使用 **锥形瓶**（不用烧杯，烧杯口大，散热快，且不易密封，容易导致蒸汽逸出和冷凝液飞溅）
4. 蒸馏烧瓶里盛液体的用量不超 $\frac{2}{3}$，不少于 $\frac{1}{3}$
5. 加入沸石或碎瓷片，**防止暴沸**，若忘记加沸石，应停止加热，待冷却之后再补加
6. 温度计水银球应与蒸馏烧瓶的支管口平齐
7. 冷凝水应 **下口进入**，**上口流出**，与蒸汽流向相反，以充分冷凝
8. 蒸馏烧瓶需要垫石棉网加热
9. 实验开始时，**先通冷凝水，后加热**；实验结束时，**先停止加热，后停止通冷凝水**
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### 萃取
1. **原理**：
1. 液 $-$ 液萃取：利用待分离组分在两种不互溶的溶剂中的 **溶解性不同**，使待分离组分从 **溶解度较小** 的溶剂中转移到 **溶解度较大** 的溶剂中
2. 固 $-$ 液萃取：用溶剂从固体物质中溶解出待分离组分
2. **萃取剂**：
1. 选择原则：
1. 与原溶剂 **互不相溶**
2. 与溶质、原溶剂均不反应
3. 溶质在萃取剂中的溶解度远大于原溶剂
2. 常用萃取剂：乙醚( $C_2H_5OC_2H_5$ )、乙酸乙酯、二氯甲烷等
3. **检漏**：
1. 关闭下方活塞，加入适量蒸馏水，静置，如没有水流下，说明活塞处不漏水
2. 塞上上方玻璃塞，倒置，如没有水流出，将分液漏斗正立，把玻璃塞旋转 $180°$，再倒置，如仍没有水流出，说明玻璃塞处不漏水
4. **主要仪器**：**分液漏斗**
5. **实验装置与注意事项**
操作步骤：检漏 $\longrightarrow$ 加试剂振荡 $\longrightarrow$ 静置分层 $\longrightarrow$ 分液
1. 分液漏斗使用之前必须检漏
2. 使用时需将漏斗上口的玻璃塞打开，或使玻璃塞上的凹槽对准分液漏斗上的小孔
3. 漏斗下端管口紧靠烧怀内壁，分液时首先让**下层液体从下口流出**，**上层液体从上口倒出**
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6. 举例：
1. 用苯萃取溴水中的溴：溴水橙（红）色，苯无色，萃取后，苯密度小于水，溴的苯溶液处于上层橙（红）色，下层为水无色
2. 用苯萃取碘水中的碘：碘水为棕黄色，萃取后，碘的苯溶液在上层紫红色，水在下层无色
3. 用四氯化碳萃取溴水中的溴：萃取后，四氯化碳的密度大于水，溴的四氯化碳溶液处于下层橙（红）色，水在上层无色
4. 用四氯化碳萃取碘水中的碘：萃取后，碘的四氯化碳溶液在下层紫红色，水在上层无色
### 重结晶
1. **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
2. **适用对象**：固体有机化合物
3. **溶剂选择**：要求杂质在此溶剂中溶解度很小或溶解度很大，易于除去；**被提纯的有机化合物在此溶剂中的溶解度受温度的影响较大，能够进行冷却结晶**
4. **操作步骤**
使用重结晶法分离固体化合物时，根据杂质的溶解度不同，应选择不同的操作步骤
1. **杂质的溶解度很小**：加热溶解 $-$ 趁热过滤（滤去部分杂质，目标产物在溶液中）$-$ 冷却结晶
2. **杂质的溶解度很大**：加热溶解 $-$ 蒸发浓缩 $-$ 冷却结晶（杂质在溶液中，目标产物结晶析出）
5. **注意**
1. 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
2. 若第一步「加热溶解」得到的是饱和溶液，过滤时会因溶液的温度降低而析出一部分溶质，造成损失，所以通常再加入少量蒸馏水，减少趁热过滤过程中的损失
> 以重结晶法提纯苯甲酸为例
>
> 1. 实验目的：提纯含有少量氯化钠和泥沙杂质的苯甲酸
> 2. 资料：纯净的苯甲酸为无色结晶，其结构可表示为 {style="height:25px"}
> 熔点 $122\ce{^\circ C}$，沸点 $249\ce{^\circ C}$。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：
>
> | 温度 $/\ce{^\circ C}$ | $25$ | $50$ | $75$ |
> | --------------------- | ---------- | ---------- | --------- |
> | **溶解度 $/g$** | **$0.34$** | **$0.85$** | **$2.2$** |
>
> 3. 实验操作：
> $$粗苯甲酸\ce{->[加热溶解]}溶液+泥沙\ce{->[趁热过滤]}溶液\ce{->[冷却结晶]}苯甲酸晶体$$
> > 趁热过滤：避免苯甲酸因降温析出，影响产率
### 除杂实验
| 有机物（杂质） | 除杂方式 |
| ------------------------------ | ------------------------------------- |
| $\ce{CH3COOC2H5}$(乙醇、乙酸） | 加入饱和碳酸氢钠溶液 $^1$ |
| 苯（苯酚） | 加入氢氧化钠溶液，分液 $^2$ |
| $\ce{C2H5OH}$（甲醇、水） | 先加氧化钙（不必过滤），然后蒸馏 $^3$ |
| $\ce{CH4}$（$\ce{C2H4}$） | 通入高锰酸钾溶液，然后通过碱石灰 $^4$ |
| 苯（$\ce{Br2}$) | 先加氢氧化钠溶液，然后分液 $^5$ |
| 乙炔（硫化氢、磷化氢） | 通过硫酸铜溶液 $^6$ |
| 乙烯（二氧化硫） | 通过碱石灰或加入氢氧化钠溶液 $^7$ |
> $^1:$ 乙醇溶于水；乙酸与碳酸氢钠反应，并降低乙酸乙酯的溶解度，分液后在上层
>
> $^2:\ce{C6H5-OH +NaOH = C6H5-ONa + H2O}$；苯酚钠不溶于苯
>
> $^3:\ce{CaO}$ 作吸水剂；蒸馏以除去甲醇
>
> $^4:$ 由于甲烷可溶于四氯化碳因此不能用溴的四氯化碳溶液来除去乙烯，但是可以使用溴水
>
> $^5:\ce{Br2 + NaOH = NaBr + NaBrO3 + H2O}$，$\ce{NaBr 、 NaBrO3}$ 可溶于水
>
> $^6:\ce{H2S + CuSO4 = CuS\downarrow + H2SO4}\quad\ce{PH3 + CuSO4\rightarrow Cu3P + H3PO4}$
>
> $^7:\ce{2NaOH + SO2 = Na2SO3 + H2O;CaO +SO2=CaSO3}$
> 气体杂质不得使用气体除杂
### 实验设计
| 实验目标 | 实验设计 |
| -------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ |
| 检测溴乙烷中的溴 | 加入 $NaOH$ 溶液共热，**然后加入足量硝酸酸化(该句考察时常被删去)**
再加入 $\ce{AgNO3}$ 溶液，产生淡黄色沉淀
$\ce{C2H5Br + NaOH->[H2O][\Delta]C2H5OH + NaBr}$ |
| 粗苯甲酸的提纯 | 重结晶（具体步骤：加热溶解，趁热过滤，冷却结晶） |
| 检验淀粉是否水解完全 | 加入碘液，观察颜色，溶液出现蓝色 |
| 检验溴乙烷发生消去反应生成的乙烯 | 先通过水除杂，然后通过酸性溶液 $\ce{KMnO4}$ ，紫色逐渐褪去
（或通过 $\ce{Br2}$ 的 $\ce{CCl4}$ 溶液，橙色逐渐褪去） |
| 鉴别甲烷、乙烯和乙炔 | 分别点燃，观察黑烟的浓度和火焰的亮度 |
| 乙烯的实验室制取 | 利用乙醇的消去反应
$\ce{CH3CH2OH \xlongequal{浓硫酸，170℃}CH2=CH2 + H2O}$ |
| 工业制备乙烯 | 石油裂解 |
## 有机化合物的组成、结构、反应的研究
### 核磁共振氢谱
1. **应用：测定有机化合物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目**
2. **原理**：氢原子核具有磁性，如用电磁波照射含氢元素的化合物，其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象。用核磁共振仪可以记录到有关信号，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，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，具有不同的化学位移（用 $δ$ 表示），而且吸收峰的面积与氢原子数成正比
3. 关系：吸收峰数目 $=$ 氢原子种类数，吸收峰面积比 $=$ 不同种类的氢原子个数比
> 乙醇和二甲醚的核磁共振氢谱
> {style="height:180px"}
> $A:\ce{CH3CH2OH}$（乙醇）分子中有 $3$ 种处于不同化学环境的氢原子，对应的核磁共振氢谱图中只有 $3$ 个峰，强度比为 $3:1:2$
> $B:\ce{CH3-O-CH3}$（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
### 红外光谱法
1. 作用：初步判断某有机物分子中所含有的 **化学键** 或 **官能团**
2. 原理：不同的化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置
> 例如：分子式为 C, H, O 的红外光谱上发现有 $O—H$、$C—H$ 和 $C-O$ 的吸收峰，可推知该分子的结构简式为 $\ce{C2H5OH}$
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### 质谱法
1. **原理**：用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等，带正电荷的分子离子和碎片离子质量不同、电荷不同，因此它们在电场和磁场中的运动行为不同。它们在磁场的作用下到达检测器的时间不同，通过计算机分析得到质荷比，以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录结果，得到质谱图
2. **质荷比**：质荷比是指分子离子或碎片离子的相对质量与其电荷数的比值。在有机化合物的质谱图中，**质荷比的最大值等于该有机化合物的相对分子质量**
3. **注意** 1. 质荷比的最大值对应的相对丰度不一定最大 2. 互为同分异构体的两种分子的质谱图中，虽然二者质荷比最大值相同但是质谱图并非完全相同
> 如图所示为未知物 $A$ 的质谱图，质荷比最大值为 $46$，表示未知物 $A$ 的相对分子质量为 $46$
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### $X$ 射线衍射
1. 原理：$X$ 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图。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**
2. 应用：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
### 总结
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**谱图法在确定有机物分子结构中的应用**：
1. **核磁共振氢谱图**：**各类氢原子个数之比**
2. **红外光谱图**：推知有机物分子中含有的 **化学键、官能团**
3. **质谱图**：质荷比的最大值等于该有机化合物的 **相对分子质量**
4. **$X$ 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**