有机物制备的综合实验题命题方式及应对策略

徐海波

摘要：近些年高考中多次出现以有机物制备为情境的综合性实验题.一方面，这类题目非常符合高考化学命题要求，所涉及的反应原理、图表、数据、实验事实等都有实验依据，内容科学，背景真实，命题灵活多变，能突出考查关键能力，发挥化学学科独特的育人功能，促进素质教育的实施.另一方面，教师对这类试题研究不够，学生动手参与有机实验的机会也较少，知识积累和综合能力不到位，导致高考得分率极低.而高考新方案的实施，将更聚焦学科实践，考查关键能力，体现高考内容改革要求，因此有机物制备的综合实验应是高考备考的重点.

关键词：制备实验;仪器;反应原理;分离提纯;分液;蒸馏;重结晶

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2022）16-0133-03

2021年湖南卷13题（选择题）等都分别考察了有机物制备的综合实验.2021年湖北省正式进入新高考模式，《有机化学基础部分》将作为必考大题出现，除了传统的有机合成推断大题以外，有机物制备的综合实验也可能是考察点之一.

1 有机制备的综合实验题命题方式

科学性是高考命题的基本原则.高考中有机制备的综合实验题所涉及的反应原理、图表、数据、实验事实等都是有实验依据的，所涉及内容科学，背景真实，大多来源于实际工业生产中，充分体现了化学学科的实际应用价值.近些年高考更侧重于考察学生实验能力、动手能力以及学科核心素养，题型侧重于“新”，少有课本上的演示实验和学生实验出现，大多数来源于大学实验或中学实验的深度改编，问题的设置也不同于平时的训练，体现出了一定的陌生度.但是，尽管在内容上体现了一定的“新”，知识考察的落脚点却还是相对基础，比较侧重于基本实验知识技能的考察.经统计近些年的高考题发现，有机物制备的综合实验题的命题特点及考察方式还是基本遵循下面三个基本步骤来进行的.

（1）根据反应物的性质，分析反应原理，选择实验仪器;

（2）根据粗产品的成分，比较物质性质，进行分离提纯;

（3）根据目标产物产量，结合理论产量，计算实际产率.

2 有机制备的综合实验题应对策略

2.1 分析反应原理，选择实验仪器

有机物制备的综合实验题反应原理中，反应类型常涉及取代反应、加成反应、消去反应、氧化反应等.其一般特征是反应缓慢、副反应多、可逆反应多、需要催化剂、反应物易挥发等等.

（1）反应缓慢.为了适当加快反应速率，需要选用合适的催化剂、选用搅拌器或是采取加热的方式等.其中常用的加热方式有水浴加热、直接加热或其他方式.加热过程中一般都需要使用温度计，并且温度计的位置也有明确的要求.如实验室制硝基苯，采用水浴加热方式，温度计位于水中;实验室制乙烯，采用直接加热方式，温度计的液泡位于反应液的中央位置等.搅拌器的使用也是常用方法之一，对一些反应比较缓慢的，如2020年全国Ⅱ卷第27题（见后例题）苯甲酸的制备实验，就用到搅拌器以加快反应速率.

（2）副反应多.为了减少副反应的发生，常需要控制反应温度、使用合适的催化剂、选择好反应物的浓度以及注意加料顺序等.如实验室制乙烯，需要迅速升温至170℃，避免在140℃时反应生成乙醚等.

（3）可逆反应多.很多有机制备反应如酯化反应等均是可逆反应.结合可逆反应的特点，为了提高产物的产率，可以采取适当增大反应物的浓度、不断移出（导出）生成物、控制反应温度等.如实验室制乙酸乙酯实验中，就采用乙酸稍过量的方式来提高乙醇的转化率.

（4）需要催化剂.在很多有机反应中，会选择合适的催化剂来使反应更容易进行.如酯化反应和苯的硝化反应中常用浓硫酸作催化剂（还作脱水剂）;实验室制溴苯需要加入铁粉;醇的催化氧化需要用到铜丝或银丝等.

（5）反应物易挥发.因为大部分有机物的沸点较低，导致在反应过程中反应物因大量挥发而造成损耗，常采用控制反应温度和冷凝回流的方法减少反应物的损耗.如制取溴苯实验中，用到长玻璃管，其作用是冷凝回流（减少苯和液溴的挥发）和导气（导出溴化氢）.对于有些挥发性更强的有机物，反应装置中还常借助冷凝管来达到实验目的.实验中常用的冷凝管一般有5种，其中直形冷凝管和空气冷凝管常用于冷凝.当有机物的沸点低于140℃时，用直形冷凝管;超过140℃时，用空气冷凝管，以防止因温差过大而导致冷凝管炸裂.回流时则一般用球形冷凝管，因其受热面积大，冷凝效果好;但若被加热的液体沸点低或是毒性较大时，则一般选用蛇形冷凝管代替球形冷凝管，以提高冷凝效率;刺形分馏柱则常用于精馏操作中，即用于沸点差别不太大的液体混合物的分离操作中.

根据有机反应不同的反应类型和反应特点，可以选择合适的实验仪器，目的在于控制好反应条件，提高反应物利用率，提高产品的产率.经归纳总结，常用的有机制备装置一般主要有图1所示几种.

2.2 比较物质性质、分离提纯产物

有机制备产物中一般所含杂质较多，主要来源于反应物的挥发（过量）、副反应的产物、添加的催化剂等.因而需要确定产物中杂质的成分，并比较其性质然后进行分离提纯，其一般步骤如下：

（1）明确产物中可能含有的杂质.首先要确定产物是在反应装置中还是在收集装置中，反应物是不是易挥发、有没有过量、副反应主要生成了什么、催化剂是否残留在产物中等.

（2）明确有机物常用的分离方法：分液——用于分离互不溶解的物质、蒸馏——用于分离沸点相差较大的有机物、重结晶——用于固体有机物的分离等.

在确定产物中所含有的杂质后，结合有机物的性质，一般采用以下三种方式进行分离提纯.

（1）利用“分液”进行分離.产物一般需要经洗涤之后进行再分液，常用的洗涤方法有“水洗”，主要洗去易溶于水的酸、碱和可溶性的盐等;“碱洗”或盐“洗”，主要是洗去酸性杂质等;还有些需要特殊的试剂洗涤.洗涤的目的要从洗去杂质并减少产品的损失的角度来考虑，洗涤后分液进行初次提纯.

（2）利用“分馏”进行分离.分液后的粗产品中一般还含有其他有机物，可以利用有机物之间的沸点差异采用分馏或蒸馏的方法进行分离.其中需要注意的有：①分馏时温度计的液泡正对蒸馏烧瓶的支管口处;②蒸馏前一般需要将有机混合物干燥，大多是用无机盐进行干燥;③部分实验中需要用到分水器.主要是因为有机物（常见的有甲苯）与水形成了共沸物，当有机物的密度小于水且不溶于水时，会用到分水器.

（3）利用“重结晶”进行分离.要根据产品的物理常数来选择，如在冷水或热水中结晶，或是在某些特殊试剂中结晶、重结晶等.注意得到的晶体要洗涤，一般用醇或其他有机物洗涤以减少有机产物的损失.

例2020年全国Ⅱ卷第27题（节选其中基本制备流程和分离过程）：

苯甲酸可用作食品防腐剂.实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸，其反应原理简示如下……

实验步骤：

（1）在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5mL甲苯、100mL水和4.8g （约0.03mol）高锰酸钾，慢慢开启搅拌器，并加热回流至回流液不再出现油珠.

（2）停止加热，继续搅拌，冷却片刻后，从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液，并将反应混合物趁热过滤，用少量热水洗涤滤渣.合并滤液和洗涤液，于冰水浴中冷却，然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全.将析出的苯甲酸过滤，用少量冷水洗涤，放在沸水浴上干燥.称量，粗产品为1.0g.

本题以苯甲酸的制备为素材.按以上步骤分析可知，分离提纯过程中的操作方法和目的分别为：加适量饱和亚硫酸氢钠溶液——还原过量的高锰酸钾溶液，避免盐酸酸化时产生氯气;趁热过滤——滤掉二氧化锰，同时减少苯甲酸的损耗;热水洗涤——将二氧化锰表面残留的有机物与滤液合并，减少苯甲酸损耗;冰水冷却、浓盐酸酸化——降温结晶析出晶体;过滤——得到苯甲酸晶体;冷水洗涤——除去表面易溶杂质，减少苯甲酸损失;重结晶——进一步提纯苯甲酸.分析清楚了基本操作目的，此题得分就比较容易.

2.3 根据公式、计算产率

产率=（实际产量）/（理论产量）×100%

纯度=（纯产品质量）/（粗产品质量）×100%

在计算时，首先要判断反应物物质的量之间的关系.一般来说实验过程中至少会有一种反应物过量，要找准用于计算的具体数值.其次，在得出结果分析产量不高的问题时，要充分考虑到有机反应的特点如可逆、伴随有副反应等，还要考虑反应是否不充分如温度控制不当、搅拌不够充分或反应时间不足等问题.另外，分离提纯过程中也可能造成较大的损失.最后，在计算过程中需要注意有效数字等问题.

参考文献：

[1] 贺文风.有机物制备实验综合题的命题特点及复习建议＼[J＼].试题与研究（高考），2014（05）：1-6.

[2] 王永波，牛雁昭.有機实验题解题策略＼[J＼].教学考试，2018（32）：37-39.

[责任编辑：季春阳]