建立解題思維模型 突破有機實驗難點

吉林 王永波

隨著新課程改革的推進，高考試題的考查方向逐漸趨近于發展化學學科核心素養，其中，有機實驗類綜合題在一定程度上體現了學生的關鍵能力和必備品格，因而近幾年在高考試題中頻繁出現，是高考試題的難點，主要考查有機物的制備、分離提純和計算能力等。解決此類問題的關鍵即在備考過程中積累必備知識，培養關鍵能力，建立解題思維模型。學生要具有證據意識，能基于有機物官能團的性質，通過分析推理認識有機反應原理，從教材中的有機實驗常見問題中辯證地分析不同物質之間的相互區別和聯系，建立解題思維模型，運用模型突破有機化學實驗試題中涉及的難點。在備考過程中筆者發現該類試題存在幾個難點問題：陌生實驗原理的確定、實驗發生裝置的選擇、有機產物的分離提純等。下面是針對以上難點問題逐一進行梳理，運用模型認知的方法解決此類問題，以期對師生有所幫助。

模型一、陌生實驗原理的確定

有機實驗題中涉及的反應原理通常不是教材中出現的原型，如何確定反應原理呢？下面以三個考題為例，分析反應原理，寫出相應的化學方程式。

考題1：化學小組采用類似實驗室制乙烯的原理，用環己醇和濃硫酸混合加熱至85℃制備環己烯。

考題2：乙酸丁酯是具有果香味的香精，利用實驗室制取乙酸乙酯的原理可進行乙酸丁酯的合成。

圖1

請回答：實驗過程中可能生成的副產物是什么？為什么將Na2Cr2O7酸性溶液放入儀器B中，將正丁醇放入儀器A中，二者能否調換，為什么？

【分析】官能團是代表有機物特殊性質的原子或原子團，因此要依據官能團的性質及其常見的反應類型并結合信息進行綜合分析。

考題3的原理題目中已經給出，但并不是教材中經常出現的化學方程式，而是乙醇催化氧化生成乙醛的變形，氧化劑不是氧氣，而是強氧化劑酸性重鉻酸鉀溶液，因此考生要有一定的知識遷移能力，聯想到醇的氧化反應的思維模型。

關于副產物的確定：題干中出現濃硫酸，考生很容易聯想到醇發生消去反應生成烯烴或發生取代反應生成醚，但是濃硫酸的體積只有5 mL，且被30 mL Na2Cr2O7溶液稀釋，因此，濃H2SO4只能起到酸化Na2Cr2O7溶液以提高其氧化性的作用，并不能使正丁醇發生消去反應或取代反應。已知乙醇能被酸性Na2Cr2O7溶液等強氧化劑氧化為乙酸，由此類推正丁醇也能被氧化為正丁酸，因此副產物為正丁酸。

關于正丁醇和強氧化劑分別盛放在哪個容器中，要依據官能團的性質進行分析。醛比醇更易發生氧化反應，因此，要將酸性Na2Cr2O7溶液滴入正丁醇中，否則正丁醛還未被蒸餾出體系就會被氧化。

由此可見，無論是反應原理的書寫還是副產物的確定，都需依據官能團的性質進行判定，熟練掌握官能團的性質和有機物間的轉化關系十分必要。筆者總結出如下思維模型。

【思維模型】根據官能團分析有機物的結構和性質，恰當運用題目信息，進行類比和知識遷移，從而得出結論。

模型二、實驗發生裝置的選擇

確定實驗原理后，依據題目信息中有機物的物理性質參數，正確選擇發生裝置。下面結合教材中的重要液態有機物制備實驗進行分析。表1列舉了實驗室制備溴苯、硝基苯和乙酸乙酯的發生裝置。

表1

實驗①中有機產物乙酸乙酯在加熱條件下被蒸餾到儀器b中，離開試管a；實驗②和實驗③的有機產物溴苯和硝基苯一直存在于發生裝置a中。因此可根據產物是否離開發生裝置將以上三個實驗的發生裝置可分為兩類：一類是以實驗①為代表的蒸餾式，另一類是實驗②和實驗③為代表的回流式。如何區分兩種發生裝置呢？大多有機反應需要加熱，有機物的沸點低，容易汽化，因此要通過分析反應物和生成物的沸點差異選擇發生裝置。表2列舉了溴苯和乙酸乙酯制備實驗中部分物質的沸點：

表2

由表2數據可知溴苯的沸點高于苯和溴單質的沸點，反應過程中需要將揮發的反應物冷凝回流到發生裝置中繼續反應，因此必須用回流式，以提高反應物的利用率。實驗③中硝基苯的沸點遠高于反應物苯和硝酸的沸點，因此其發生裝置也采用回流式。實驗①中乙酸乙酯的沸點低于反應物乙醇和乙酸的沸點，且酯化反應為可逆反應，故需要將沸點低的有機產物乙酸乙酯蒸餾出來，讓其離開體系，因此必須用蒸出式，減少生成物的濃度使平衡正向進行，提高反應物的轉化率。

甲

乙

由以上分析不難得出選擇制備液態有機物的發生裝置的關鍵，即區分有機產物和反應物的沸點關系，因此可建立如下思維模型。

【思維模型】制備液態有機物常見發生裝置的選擇

沸點關系選擇裝置有機產物<反應物蒸出式(如圖甲)有機產物>反應物回流式(如圖乙)

利用以上思維模型，可準確快速地確定陌生有機反應的發生裝置，例如：結合表3數據分析實驗室制取乙酸丁酯的發生裝置。

表3

【分析】制取乙酸丁酯的裝置應選用回流式，因為乙酸丁酯的沸點高于反應物乙酸和丁醇的沸點，利用此裝置可將反應物回流，提高原料的利用率。

模型三、產物分離提純過程

有機反應相對復雜，并伴隨著副反應的發生，產物中所含雜質較多，因而分離提純產物的步驟也較為復雜。若制備常溫呈氣態的有機物，如乙烯、乙炔等，由于氣體沸點低，為得到純凈的產物只需要選擇合理試劑進行洗氣即可。若制備常溫呈液態的有機物，分離過程相對復雜，下面以硝基苯的制備為例進行分析。

硝基苯的制備采取回流式，因此反應物和生成物都存在于發生裝置中，所得混合體系中主要有兩類，一類為含有溶于水的濃硫酸和濃硝酸的混合溶液，一類為難溶于水的苯和硝基苯。分離時，首先進行水洗分液，洗去混酸，再用堿液洗滌后分液，洗去剩余的少量混酸，然后進行水洗分液，除去可溶性的無機離子，最后加入無水氯化鈣等無水鹽作干燥劑，過濾，蒸餾，即可得純品目標產物。溴苯和乙酸乙酯的分離提純過程基本同上，基于以上操作步驟，進行總結，可得如下思維模型。

【思維模型】液態有機物分離提純的一般過程：

分離過程中用到的分離方法主要有分液和蒸餾，其中，主要的實驗儀器有分液漏斗、蒸餾燒瓶、冷凝管等，常見的干燥劑有氯化鈣、硫酸鎂、硫酸鈉等無水鹽。