有機化學探究性實驗題例析

摘" 要：有機化學探究性實驗題，以考查有機物結構與性質、反應類型及本質為素材，重在考查學生的證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng).

關鍵詞：探究性實驗；例題分析；高中化學

中圖分類號：G632""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1008-0333（2024）16-0131-04

收稿日期：2024-03-05

作者簡介：邊永平（1971.12—），男，河北省承德人，本科，中學一級教師，從事高中化學教學研究.

有機化學實驗題，試題取材多以探究有機物的結構與性質、有機反應的原理為主，重在考查學生的證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)，現(xiàn)舉幾例并作簡析.

1" 探究有機物的結構

例1" 為探究乙醇的結構，進行了如下實驗設計（圖1）：

（1）根據(jù)碳元素的價態(tài)原理，寫出C2H6O可能的結構簡式.

（2）圖中盛裝乙醇的儀器名稱是；實驗中要將鈉粉碎成很細小的顆粒，其理由是.

（3）本實驗進行了2次，平均消耗乙醇2.30 g，量氣管收集到H2體積平均為0.56 L（已換算成標準狀況）.由上述實驗數(shù)據(jù)推測乙醇的結構式為.

解析" （1）根據(jù)C、H、O 3種元素的價態(tài)原理，分子式為C2H6O其可能的結構有2種，分別為：CH3—CH2—OH，CH3—O—CH3 .（2）圖1中盛裝乙醇的儀器是分液漏斗；實驗中要將金屬鈉粉碎成細小的顆粒，目的是增大接觸面積，加快反應.（3）本實驗中每次平均消耗乙醇的物質的量為0.05 mol，產(chǎn)生H2為0.025 mol，即相當于每1個乙醇分子中只有1個H轉化為H2，對比乙醇和二甲醚的結構簡式可知：二甲醚分子中的6個H位置均相同，而乙醇分子中羥基上的H與眾不同，因此可知，乙醇的結構簡式為：CH3—CH2—OH.

答案見解析.

2" 探究有機反應原理

例2" 乙醇在有濃硫酸存在時加熱會產(chǎn)生乙烯，該反應屬于消去反應.某化學小組在實驗室進行乙醇的消去反應實驗，裝置如下圖（圖2）.

部分實驗操作和實驗現(xiàn)象見表1.

表1" 實驗操作和現(xiàn)象

實驗操作實驗現(xiàn)象

給燒瓶加熱，使燒瓶中液體快速升高到170 ℃

Ⅰ：燒瓶中的液體漸漸變?yōu)楹谏?/p>

Ⅱ：溴水中有氣泡產(chǎn)生，溴水褪色

……

實驗結束，清洗燒瓶Ⅲ：A中燒瓶內壁上附著少量黑色小顆粒，同時聞到有刺激性氣味

（1）由乙醇制乙烯的化學方程式為，燒瓶內產(chǎn)生刺激性氣味氣體的無機反應化學方程式為.

（2）燒瓶內的溶液“漸漸變黑”，表明濃硫酸具有性.

（3）甲同學通過B中溴水褪色的現(xiàn)象，認為制乙烯的反應屬于消去反應，甲同學認為B中溴水褪色的化學方程式為.

（4）乙同學認為此實驗設計存在不足之處，即使B中溴水褪色，也不能證明燒瓶中發(fā)生了消去反應.乙同學提出了下面2種改進措施：

①在A、B間增加一個裝有（填試劑的化學式）溶液的洗氣瓶.

②在A、B間增加一個盛有濃硫酸的洗氣瓶，并將B中的Br2的水溶液改為Br2的CCl4溶液，即可排除干擾，據(jù)實驗現(xiàn)象可證明燒瓶中發(fā)生了的是消去反應.

則乙同學認為對B中溴水褪色產(chǎn)生干擾的原因是（用化學方程式表示）， 由方案②可知不能使Br2的四氯化碳溶液褪色.

解析" （1）乙醇和濃硫酸共熱至170 ℃時，乙醇發(fā)生分子內脫水，即消去反應，化學方程式為：

CH3CH2OH濃硫酸170℃

CH2CH2↑+H2O

濃硫酸有脫水性，將部分乙醇炭化，生成的碳單質在加熱時被濃硫酸氧化，反應產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫，所以會聞到有刺激性氣味，反應的化學方程式為：

C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O

（2）依據(jù)上述分析可知，燒瓶內液體變黑表明濃硫酸具有脫水性.

（3）甲同學認為溴水褪色，是因為乙烯和溴發(fā)生了加成反應，化學方程式為：

CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br

（4）乙同學認為，制得的乙烯中混有二氧化硫雜質，也能使溴水褪色，可以通過氫氧化鈉溶液除去乙烯中的二氧化硫，以排除對檢驗乙烯的干擾；二氧化硫使溴水褪色的化學方程式為：

SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr

由方案②可知，在沒有水存在時，二氧化硫不能使溴水褪色，即干燥的SO2不能使Br2的四氯化碳溶液褪色［1］.

答案見解析過程.

例3" 某校化學興趣小組的同學將乙醛和溴水混合，發(fā)現(xiàn)溴水褪色，同學們根據(jù)乙醛的結構進行了如下探究性實驗：

實驗假設" （1）假設Ⅰ：醛基中含有不飽和鍵，可與Br2發(fā)生反應（填反應類型）.

假設Ⅱ：乙醛分子中具有α-H，能被溴取代.無論乙醛發(fā)生幾元取代反應，反應中消耗的Br2與生成的HBr物質的量之比均為.

假設Ⅲ：醛基有還原性，能被溴水氧化，此反應的化學方程式為.

實驗過程 "針對以上假設，該小組同學設計了2組方案.

方案Ⅰ：通過對比反應現(xiàn)象（表1）判斷反應類型.

表2" 實驗操作和現(xiàn)象

序號操作現(xiàn)象試管11 mL溴水+1 mL乙醛，充分振蕩后靜置褪色試管21 mL溴的CCl4溶液+1 mL乙醛，充分振蕩后靜置

結論：假設Ⅰ不成立.

（2）試管2中的實驗現(xiàn)象為.

方案Ⅱ：通過測定反應后混合液的pH（表3）判斷反應類型.

表3" 實驗操作和測定的pH

序號操作pH

試管3加入20 mL溴水，再加入10 mL苯酚溶液，待完全反應后（苯酚過量），測定混合液pH1.85試管4加入20 mL相同濃度的溴水，再加入10 mL 20%的乙醛溶液（乙醛過量），3 min后完全褪色，測定混合液pH

注：苯酚和乙酸的電離及溫度變化對混合液pH的影響可忽略不計.

（3）寫出苯酚與溴水反應的化學方程式：.

（4）若試管4中反應后混合液的pH=1.85，則證明乙醛與溴水的反應為反應（填反應類型）；若試管4中反應后混合液的pH1.85（填“大于”或“小于”），則證明乙醛與溴水的反應為氧化反應.

解析" （1）假設Ⅰ認為：乙醛中的醛基含有碳氧雙鍵，能與溴發(fā)生加成反應；假設Ⅱ認為乙醛中的α-H能被溴取代. 根據(jù)取代反應的機理，反應過程中消耗的Br2與產(chǎn)生的HBr等量，即二者物質的量之比總是1∶1. 假設Ⅲ認為醛基有還原性，能被溴水氧化，對應的化學方程式為：

CH3CHO+Br2+H2OCH3COOH+2HBr

（2）由于假設Ⅰ不成立，對比試管1和試管2，均含有溴單質，但乙醛不能與溴發(fā)生加成反應，則試管2中的實驗現(xiàn)象為：溴的四氯化碳溶液不褪色.

（3）苯酚與溴水能發(fā)生取代反應，生成三溴苯酚沉淀和溴化氫，化學方程式為：

OH+3Br2BrBrOHBr↓+3HBr

（4）試管4以試管3為參照，試管3中苯酚與溴發(fā)生的是取代反應，由于試管3和試管4中加入的溴等量，如果試管4中反應后混合液的pH也等于1.85，則可證明乙醛與溴水的反應也為取代反應；若乙醛與溴水發(fā)生氧化反應，反應生成的溴化氫的物質的量為取代反應的2倍，即生成了更多的HBr，則溶液的pH小于1.85.

答案見解析過程.

3" 比較幾種有機物的酸性強弱

例4" 為了比較乙酸、碳酸和苯酚的酸性，某校學生小組進行了以下探究實驗，實驗裝置如圖3所示.

（1）CH3COOH和CaCO3反應的化學方程式為.

（2）CO2通入苯酚鈉溶液中，實驗現(xiàn)象為，該反應的離子方程式為.

（3）該小組中有人提出本實驗設計存在不妥之處，（2）中的實驗現(xiàn)象不能說明碳酸的酸性比苯酚強，理由是，改進該裝置的方法.

解析" （1）乙酸和大理石反應的化學方程式為：

2CH3COOH+CaCO3

（CH3COO）2Ca+H2O+CO2↑

（2）CO2通入苯酚鈉溶液中，產(chǎn)生苯酚，溶液變渾濁，反應的離子方程式為：O-+CO2+H2O

OH+HCO-3

（3）由于乙酸具有揮發(fā)性，這樣A裝置中產(chǎn)生的二氧化碳氣體中混有乙酸氣體，因乙酸酸性強于碳酸，乙酸也可以與苯酚鈉溶液反應生成苯酚，即乙酸會干擾二氧化碳與苯酚鈉的反應，因此需要除去，可用飽和碳酸氫鈉溶液洗氣，改進方法為：在裝置A和B之間增加一個洗氣瓶，盛有飽和NaHCO3溶液.

答案見解析過程.

4" 探究影響淀粉水解的因素

例5" 某同學為研究影響淀粉水解的因素，進行如下實驗設計（圖4）：

試管甲和丙均在60～80 ℃的水浴中加熱5～6 min，試管乙保持在室溫下.待試管甲中的溶液冷卻后再進行后續(xù)實驗.

實驗1：取少量試管甲中的溶液，加入新制氫氧化銅懸濁液，加熱，結果沒有出現(xiàn)磚紅色沉淀.

實驗2：取少量試管乙中的溶液，滴加幾滴碘水，溶液變?yōu)樗{色，但取少量甲中溶液做此實驗時，溶液不變藍色.

實驗3：取少量丙中溶液加入NaOH溶液調節(jié)至堿性，再滴加碘水，溶液顏色無明顯變化.

（1）淀粉水解的化學方程式為.

（2）設計甲和乙是為了探究對淀粉水解的影響，設計甲和丙是為了探究對淀粉水解的影響.

（3）實驗1沒有磚紅色沉淀產(chǎn)生的原因是.

（4）實驗3中溶液的顏色無明顯變化的原因是.

解析" （1）淀粉水解的化學方程式為：

（C6H10O5）n+nH2O稀硫酸△nC6H12O6

淀粉葡萄糖

（2）試管甲和乙所加試劑及用量均相同，只是溫度不同，即設計甲和乙是為了探究溫度對淀粉水解的影響；甲和丙的不同點是甲中加了稀硫酸作催化劑，而丙中沒有加，即設計甲和丙是為了探究催化劑對淀粉水解的影響.

（3）由于淀粉在稀硫酸存在時發(fā)生水解，故水解液中存在硫酸，由于在加入新制的氫氧化銅懸濁液之前沒有用氫氧化鈉溶液中和硫酸，故沒有磚紅色沉淀出現(xiàn).

（4）丙中的淀粉沒有水解，但丙中加入氫氧化鈉溶液后，再加入碘水，I2已與NaOH反應，則溶液不會變藍.

5" 結束語

基于化學學科特點，化學實驗承載著訓練雙基、培養(yǎng)學生實驗操作技能、提高思維能力的重要教育功能.設計有機化學內容的探究性實驗，則主要通過探究有機物的結構特點、有機反應原理以及影響實驗的因素分析等問題，重點考查學生對有機物的空間結構、原子的成鍵特點、有機反應的機理、有機反應的實驗原理的掌握情況，同時考查學生信息獲取與加工、邏輯推理與論證和批判性思維能力.考查的終極目標則是對宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)的考查.在教學中，要積極創(chuàng)設條件，為學生提供便利的實驗條件，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維，提高其實踐能力.

參考文獻：［1］

北京天利考試信息網(wǎng).五年高考真題匯編詳解·綜合［M］.拉薩：西藏人民出版社，2021.

［責任編輯：季春陽］