有機(jī)物制備的綜合實(shí)驗(yàn)題命題方式及應(yīng)對(duì)策略

徐海波

(湖北省宜昌市第一中學(xué) 443000)

2021年湖南卷13題(選擇題)等都分別考察了有機(jī)物制備的綜合實(shí)驗(yàn).2021年湖北省正式進(jìn)入新高考模式，《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)部分》將作為必考大題出現(xiàn)，除了傳統(tǒng)的有機(jī)合成推斷大題以外，有機(jī)物制備的綜合實(shí)驗(yàn)也可能是考察點(diǎn)之一.

1 有機(jī)制備的綜合實(shí)驗(yàn)題命題方式

科學(xué)性是高考命題的基本原則.高考中有機(jī)制備的綜合實(shí)驗(yàn)題所涉及的反應(yīng)原理、圖表、數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)事實(shí)等都是有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的，所涉及內(nèi)容科學(xué)，背景真實(shí)，大多來(lái)源于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.近些年高考更側(cè)重于考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?dòng)手能力以及學(xué)科核心素養(yǎng)，題型側(cè)重于“新”，少有課本上的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)，大多數(shù)來(lái)源于大學(xué)實(shí)驗(yàn)或中學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度改編，問(wèn)題的設(shè)置也不同于平時(shí)的訓(xùn)練，體現(xiàn)出了一定的陌生度.但是，盡管在內(nèi)容上體現(xiàn)了一定的“新”，知識(shí)考察的落腳點(diǎn)卻還是相對(duì)基礎(chǔ)，比較側(cè)重于基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)技能的考察.經(jīng)統(tǒng)計(jì)近些年的高考題發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物制備的綜合實(shí)驗(yàn)題的命題特點(diǎn)及考察方式還是基本遵循下面三個(gè)基本步驟來(lái)進(jìn)行的.

(1)根據(jù)反應(yīng)物的性質(zhì)，分析反應(yīng)原理，選擇實(shí)驗(yàn)儀器；

(2)根據(jù)粗產(chǎn)品的成分，比較物質(zhì)性質(zhì)，進(jìn)行分離提純；

(3)根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量，結(jié)合理論產(chǎn)量，計(jì)算實(shí)際產(chǎn)率.

2 有機(jī)制備的綜合實(shí)驗(yàn)題應(yīng)對(duì)策略

2.1 分析反應(yīng)原理，選擇實(shí)驗(yàn)儀器

有機(jī)物制備的綜合實(shí)驗(yàn)題反應(yīng)原理中，反應(yīng)類(lèi)型常涉及取代反應(yīng)、加成反應(yīng)、消去反應(yīng)、氧化反應(yīng)等.其一般特征是反應(yīng)緩慢、副反應(yīng)多、可逆反應(yīng)多、需要催化劑、反應(yīng)物易揮發(fā)等等.

(1)反應(yīng)緩慢.為了適當(dāng)加快反應(yīng)速率，需要選用合適的催化劑、選用攪拌器或是采取加熱的方式等.其中常用的加熱方式有水浴加熱、直接加熱或其他方式.加熱過(guò)程中一般都需要使用溫度計(jì)，并且溫度計(jì)的位置也有明確的要求.如實(shí)驗(yàn)室制硝基苯，采用水浴加熱方式，溫度計(jì)位于水中；實(shí)驗(yàn)室制乙烯，采用直接加熱方式，溫度計(jì)的液泡位于反應(yīng)液的中央位置等.攪拌器的使用也是常用方法之一，對(duì)一些反應(yīng)比較緩慢的，如2020年全國(guó)Ⅱ卷第27題(見(jiàn)后例題)苯甲酸的制備實(shí)驗(yàn)，就用到攪拌器以加快反應(yīng)速率.

(2)副反應(yīng)多.為了減少副反應(yīng)的發(fā)生，常需要控制反應(yīng)溫度、使用合適的催化劑、選擇好反應(yīng)物的濃度以及注意加料順序等.如實(shí)驗(yàn)室制乙烯，需要迅速升溫至170℃，避免在140℃時(shí)反應(yīng)生成乙醚等.

(3)可逆反應(yīng)多.很多有機(jī)制備反應(yīng)如酯化反應(yīng)等均是可逆反應(yīng).結(jié)合可逆反應(yīng)的特點(diǎn)，為了提高產(chǎn)物的產(chǎn)率，可以采取適當(dāng)增大反應(yīng)物的濃度、不斷移出(導(dǎo)出)生成物、控制反應(yīng)溫度等.如實(shí)驗(yàn)室制乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)中，就采用乙酸稍過(guò)量的方式來(lái)提高乙醇的轉(zhuǎn)化率.

(4)需要催化劑.在很多有機(jī)反應(yīng)中，會(huì)選擇合適的催化劑來(lái)使反應(yīng)更容易進(jìn)行.如酯化反應(yīng)和苯的硝化反應(yīng)中常用濃硫酸作催化劑(還作脫水劑)；實(shí)驗(yàn)室制溴苯需要加入鐵粉；醇的催化氧化需要用到銅絲或銀絲等.

(5)反應(yīng)物易揮發(fā).因?yàn)榇蟛糠钟袡C(jī)物的沸點(diǎn)較低，導(dǎo)致在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物因大量揮發(fā)而造成損耗，常采用控制反應(yīng)溫度和冷凝回流的方法減少反應(yīng)物的損耗.如制取溴苯實(shí)驗(yàn)中，用到長(zhǎng)玻璃管，其作用是冷凝回流(減少苯和液溴的揮發(fā))和導(dǎo)氣(導(dǎo)出溴化氫).對(duì)于有些揮發(fā)性更強(qiáng)的有機(jī)物，反應(yīng)裝置中還常借助冷凝管來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)中常用的冷凝管一般有5種，其中直形冷凝管和空氣冷凝管常用于冷凝.當(dāng)有機(jī)物的沸點(diǎn)低于140℃時(shí)，用直形冷凝管；超過(guò)140℃時(shí)，用空氣冷凝管，以防止因溫差過(guò)大而導(dǎo)致冷凝管炸裂.回流時(shí)則一般用球形冷凝管，因其受熱面積大，冷凝效果好；但若被加熱的液體沸點(diǎn)低或是毒性較大時(shí)，則一般選用蛇形冷凝管代替球形冷凝管，以提高冷凝效率；刺形分餾柱則常用于精餾操作中，即用于沸點(diǎn)差別不太大的液體混合物的分離操作中.

根據(jù)有機(jī)反應(yīng)不同的反應(yīng)類(lèi)型和反應(yīng)特點(diǎn)，可以選擇合適的實(shí)驗(yàn)儀器，目的在于控制好反應(yīng)條件，提高反應(yīng)物利用率，提高產(chǎn)品的產(chǎn)率.經(jīng)歸納總結(jié)，常用的有機(jī)制備裝置一般主要有圖1所示幾種.

圖1

2.2 比較物質(zhì)性質(zhì)、分離提純產(chǎn)物

有機(jī)制備產(chǎn)物中一般所含雜質(zhì)較多，主要來(lái)源于反應(yīng)物的揮發(fā)(過(guò)量)、副反應(yīng)的產(chǎn)物、添加的催化劑等.因而需要確定產(chǎn)物中雜質(zhì)的成分，并比較其性質(zhì)然后進(jìn)行分離提純，其一般步驟如下：

(1)明確產(chǎn)物中可能含有的雜質(zhì).首先要確定產(chǎn)物是在反應(yīng)裝置中還是在收集裝置中，反應(yīng)物是不是易揮發(fā)、有沒(méi)有過(guò)量、副反應(yīng)主要生成了什么、催化劑是否殘留在產(chǎn)物中等.

(2)明確有機(jī)物常用的分離方法：分液——用于分離互不溶解的物質(zhì)、蒸餾——用于分離沸點(diǎn)相差較大的有機(jī)物、重結(jié)晶——用于固體有機(jī)物的分離等.

在確定產(chǎn)物中所含有的雜質(zhì)后，結(jié)合有機(jī)物的性質(zhì)，一般采用以下三種方式進(jìn)行分離提純.

(1)利用“分液”進(jìn)行分離.產(chǎn)物一般需要經(jīng)洗滌之后進(jìn)行再分液，常用的洗滌方法有“水洗”，主要洗去易溶于水的酸、堿和可溶性的鹽等；“堿洗”或鹽“洗”，主要是洗去酸性雜質(zhì)等；還有些需要特殊的試劑洗滌.洗滌的目的要從洗去雜質(zhì)并減少產(chǎn)品的損失的角度來(lái)考慮，洗滌后分液進(jìn)行初次提純.

(2)利用“分餾”進(jìn)行分離.分液后的粗產(chǎn)品中一般還含有其他有機(jī)物，可以利用有機(jī)物之間的沸點(diǎn)差異采用分餾或蒸餾的方法進(jìn)行分離.其中需要注意的有：①分餾時(shí)溫度計(jì)的液泡正對(duì)蒸餾燒瓶的支管口處；②蒸餾前一般需要將有機(jī)混合物干燥，大多是用無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行干燥；③部分實(shí)驗(yàn)中需要用到分水器.主要是因?yàn)橛袡C(jī)物(常見(jiàn)的有甲苯)與水形成了共沸物，當(dāng)有機(jī)物的密度小于水且不溶于水時(shí)，會(huì)用到分水器.

(3)利用“重結(jié)晶”進(jìn)行分離.要根據(jù)產(chǎn)品的物理常數(shù)來(lái)選擇，如在冷水或熱水中結(jié)晶，或是在某些特殊試劑中結(jié)晶、重結(jié)晶等.注意得到的晶體要洗滌，一般用醇或其他有機(jī)物洗滌以減少有機(jī)產(chǎn)物的損失.

例2020年全國(guó)Ⅱ卷第27題(節(jié)選其中基本制備流程和分離過(guò)程):

苯甲酸可用作食品防腐劑.實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)甲苯氧化制苯甲酸，其反應(yīng)原理簡(jiǎn)示如下……

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)在裝有溫度計(jì)、冷凝管和攪拌器的三頸燒瓶中加入1.5mL甲苯、100mL水和4.8g (約0.03mol)高錳酸鉀，慢慢開(kāi)啟攪拌器，并加熱回流至回流液不再出現(xiàn)油珠.

(2)停止加熱，繼續(xù)攪拌，冷卻片刻后，從冷凝管上口慢慢加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液，并將反應(yīng)混合物趁熱過(guò)濾，用少量熱水洗滌濾渣.合并濾液和洗滌液，于冰水浴中冷卻，然后用濃鹽酸酸化至苯甲酸析出完全.將析出的苯甲酸過(guò)濾，用少量冷水洗滌，放在沸水浴上干燥.稱(chēng)量，粗產(chǎn)品為1.0g.

本題以苯甲酸的制備為素材.按以上步驟分析可知，分離提純過(guò)程中的操作方法和目的分別為：加適量飽和亞硫酸氫鈉溶液——還原過(guò)量的高錳酸鉀溶液，避免鹽酸酸化時(shí)產(chǎn)生氯氣；趁熱過(guò)濾——濾掉二氧化錳，同時(shí)減少苯甲酸的損耗；熱水洗滌——將二氧化錳表面殘留的有機(jī)物與濾液合并，減少苯甲酸損耗；冰水冷卻、濃鹽酸酸化——降溫結(jié)晶析出晶體；過(guò)濾——得到苯甲酸晶體；冷水洗滌——除去表面易溶雜質(zhì)，減少苯甲酸損失；重結(jié)晶——進(jìn)一步提純苯甲酸.分析清楚了基本操作目的，此題得分就比較容易.

2.3 根據(jù)公式、計(jì)算產(chǎn)率

產(chǎn)率=(實(shí)際產(chǎn)量)/(理論產(chǎn)量)×100%

純度=(純產(chǎn)品質(zhì)量)/(粗產(chǎn)品質(zhì)量)×100%

在計(jì)算時(shí)，首先要判斷反應(yīng)物物質(zhì)的量之間的關(guān)系.一般來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中至少會(huì)有一種反應(yīng)物過(guò)量，要找準(zhǔn)用于計(jì)算的具體數(shù)值.其次，在得出結(jié)果分析產(chǎn)量不高的問(wèn)題時(shí)，要充分考慮到有機(jī)反應(yīng)的特點(diǎn)如可逆、伴隨有副反應(yīng)等，還要考慮反應(yīng)是否不充分如溫度控制不當(dāng)、攪拌不夠充分或反應(yīng)時(shí)間不足等問(wèn)題.另外，分離提純過(guò)程中也可能造成較大的損失.最后，在計(jì)算過(guò)程中需要注意有效數(shù)字等問(wèn)題.