有機物制備的綜合實驗題命題方式及應對策略

徐海波

(湖北省宜昌市第一中學 443000)

2021年湖南卷13題(選擇題)等都分別考察了有機物制備的綜合實驗.2021年湖北省正式進入新高考模式，《有機化學基礎部分》將作為必考大題出現，除了傳統的有機合成推斷大題以外，有機物制備的綜合實驗也可能是考察點之一.

1 有機制備的綜合實驗題命題方式

科學性是高考命題的基本原則.高考中有機制備的綜合實驗題所涉及的反應原理、圖表、數據、實驗事實等都是有實驗依據的，所涉及內容科學，背景真實，大多來源于實際工業生產中，充分體現了化學學科的實際應用價值.近些年高考更側重于考察學生實驗能力、動手能力以及學科核心素養，題型側重于“新”，少有課本上的演示實驗和學生實驗出現，大多數來源于大學實驗或中學實驗的深度改編，問題的設置也不同于平時的訓練，體現出了一定的陌生度.但是，盡管在內容上體現了一定的“新”，知識考察的落腳點卻還是相對基礎，比較側重于基本實驗知識技能的考察.經統計近些年的高考題發現，有機物制備的綜合實驗題的命題特點及考察方式還是基本遵循下面三個基本步驟來進行的.

(1)根據反應物的性質，分析反應原理，選擇實驗儀器；

(2)根據粗產品的成分，比較物質性質，進行分離提純；

(3)根據目標產物產量，結合理論產量，計算實際產率.

2 有機制備的綜合實驗題應對策略

2.1 分析反應原理，選擇實驗儀器

有機物制備的綜合實驗題反應原理中，反應類型常涉及取代反應、加成反應、消去反應、氧化反應等.其一般特征是反應緩慢、副反應多、可逆反應多、需要催化劑、反應物易揮發等等.

(1)反應緩慢.為了適當加快反應速率，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.加熱過程中一般都需要使用溫度計，并且溫度計的位置也有明確的要求.如實驗室制硝基苯，采用水浴加熱方式，溫度計位于水中；實驗室制乙烯，采用直接加熱方式，溫度計的液泡位于反應液的中央位置等.攪拌器的使用也是常用方法之一，對一些反應比較緩慢的，如2020年全國Ⅱ卷第27題(見后例題)苯甲酸的制備實驗，就用到攪拌器以加快反應速率.

(2)副反應多.為了減少副反應的發生，常需要控制反應溫度、使用合適的催化劑、選擇好反應物的濃度以及注意加料順序等.如實驗室制乙烯，需要迅速升溫至170℃，避免在140℃時反應生成乙醚等.

(3)可逆反應多.很多有機制備反應如酯化反應等均是可逆反應.結合可逆反應的特點，為了提高產物的產率，可以采取適當增大反應物的濃度、不斷移出(導出)生成物、控制反應溫度等.如實驗室制乙酸乙酯實驗中，就采用乙酸稍過量的方式來提高乙醇的轉化率.

(4)需要催化劑.在很多有機反應中，會選擇合適的催化劑來使反應更容易進行.如酯化反應和苯的硝化反應中常用濃硫酸作催化劑(還作脫水劑)；實驗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)反應物易揮發.因為大部分有機物的沸點較低，導致在反應過程中反應物因大量揮發而造成損耗，常采用控制反應溫度和冷凝回流的方法減少反應物的損耗.如制取溴苯實驗中，用到長玻璃管，其作用是冷凝回流(減少苯和液溴的揮發)和導氣(導出溴化氫).對于有些揮發性更強的有機物，反應裝置中還常借助冷凝管來達到實驗目的.實驗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.當有機物的沸點低于140℃時，用直形冷凝管；超過140℃時，用空氣冷凝管，以防止因溫差過大而導致冷凝管炸裂.回流時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低或是毒性較大時，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，即用于沸點差別不太大的液體混合物的分離操作中.

根據有機反應不同的反應類型和反應特點，可以選擇合適的實驗儀器，目的在于控制好反應條件，提高反應物利用率，提高產品的產率.經歸納總結，常用的有機制備裝置一般主要有圖1所示幾種.

圖1

2.2 比較物質性質、分離提純產物

有機制備產物中一般所含雜質較多，主要來源于反應物的揮發(過量)、副反應的產物、添加的催化劑等.因而需要確定產物中雜質的成分，并比較其性質然后進行分離提純，其一般步驟如下：

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

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

在確定產物中所含有的雜質后，結合有機物的性質，一般采用以下三種方式進行分離提純.

(1)利用“分液”進行分離.產物一般需要經洗滌之后進行再分液，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等；還有些需要特殊的試劑洗滌.洗滌的目的要從洗去雜質并減少產品的損失的角度來考慮，洗滌后分液進行初次提純.

(2)利用“分餾”進行分離.分液后的粗產品中一般還含有其他有機物，可以利用有機物之間的沸點差異采用分餾或蒸餾的方法進行分離.其中需要注意的有：①分餾時溫度計的液泡正對蒸餾燒瓶的支管口處；②蒸餾前一般需要將有機混合物干燥，大多是用無機鹽進行干燥；③部分實驗中需要用到分水器.主要是因為有機物(常見的有甲苯)與水形成了共沸物，當有機物的密度小于水且不溶于水時，會用到分水器.

(3)利用“重結晶”進行分離.要根據產品的物理常數來選擇，如在冷水或熱水中結晶，或是在某些特殊試劑中結晶、重結晶等.注意得到的晶體要洗滌，一般用醇或其他有機物洗滌以減少有機產物的損失.

例2020年全國Ⅱ卷第27題(節選其中基本制備流程和分離過程):

苯甲酸可用作食品防腐劑.實驗室可通過甲苯氧化制苯甲酸，其反應原理簡示如下……

實驗步驟：

(1)在裝有溫度計、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，慢慢開啟攪拌器，并加熱回流至回流液不再出現油珠.

(2)停止加熱，繼續攪拌，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，并將反應混合物趁熱過濾，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.將析出的苯甲酸過濾，用少量冷水洗滌，放在沸水浴上干燥.稱量，粗產品為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——還原過量的高錳酸鉀溶液，避免鹽酸酸化時產生氯氣；趁熱過濾——濾掉二氧化錳，同時減少苯甲酸的損耗；熱水洗滌——將二氧化錳表面殘留的有機物與濾液合并，減少苯甲酸損耗；冰水冷卻、濃鹽酸酸化——降溫結晶析出晶體；過濾——得到苯甲酸晶體；冷水洗滌——除去表面易溶雜質，減少苯甲酸損失；重結晶——進一步提純苯甲酸.分析清楚了基本操作目的，此題得分就比較容易.

2.3 根據公式、計算產率

產率=(實際產量)/(理論產量)×100%

純度=(純產品質量)/(粗產品質量)×100%

在計算時，首先要判斷反應物物質的量之間的關系.一般來說實驗過程中至少會有一種反應物過量，要找準用于計算的具體數值.其次，在得出結果分析產量不高的問題時，要充分考慮到有機反應的特點如可逆、伴隨有副反應等，還要考慮反應是否不充分如溫度控制不當、攪拌不夠充分或反應時間不足等問題.另外，分離提純過程中也可能造成較大的損失.最后，在計算過程中需要注意有效數字等問題.