Question

3．羧酸通常用芳香烴的氧化來制備．芳香烴的苯環比較穩定，難于氧化，而環上的支鏈不論長短，在強烈氧化時，最終都氧化成羧基．某同學用甲苯的氧化反應制備苯甲酸．反應原理：


芳香族反應試劑、產物的物理常數：

名稱	相對分 子質量	性狀	熔點	沸點	密度	溶解度
						水	乙醇	乙醚
甲苯	92	無色液體易燃易揮發	-95	110.6	0.8669	不溶	易溶	易溶
苯甲酸	122	白色片狀或針狀晶體	122.4	248	1.2659	微溶	易溶	易溶

主要實驗裝置和流程如下：
圖1回流攪拌裝置
圖2抽濾裝置
實驗方法：一定量的甲苯和KMnO₄溶液置于圖1裝置中，在90℃時，反應一段時間，再停止反應，按如下流程分離出苯甲酸和回收未反應的甲苯．

（1）無色液體A的結構簡式為．操作Ⅱ為蒸餾．
（2）如果濾液呈紫色，要先加亞硫酸氫鉀，然后再加入濃鹽酸酸化，加亞硫酸氫鉀的目的是除去未反應的高錳酸鉀氧化劑，否則用鹽酸酸化時會發生鹽酸被高錳酸鉀所氧化，產生氯氣．
（3）下列關于儀器的組裝或者使用正確的是ABD．
A．抽濾可以加快過濾速度，得到較干燥的沉淀
B．安裝電動攪拌器時，攪拌器下端不能與三頸燒瓶底、溫度計等接觸
C．圖1回流攪拌裝置應采用直接加熱的方法
D．冷凝管中水的流向是下進上出
（4）除去殘留在苯甲酸中的甲苯應先加入NaOH溶液，分液，水層再加入濃鹽酸酸化，然后抽濾，干燥即可得到苯甲酸．
（5）純度測定：稱取1.220g產品，配成100mL溶液，取其中25.00mL溶液，進行滴定，消耗KOH物質的量為2.4×10^-3mol．產品中苯甲酸質量分數為96%．

Answer 1

分析 一定量的甲苯和適量的KMnO₄溶液在100℃反應一段時間后停止反應，按如圖流程分離出苯甲酸和回收未反應的甲苯，苯甲酸能溶于水，甲苯不溶于水，互不相溶的液體采用分液方法分離，根據實驗目的知，從而得到有機層和水層，有機層中含有甲苯、水層中含有苯甲酸，有機層中的甲苯采用蒸餾方法得到無色液體A，A是甲苯，將水層鹽酸酸化再蒸發濃縮，根據苯甲酸的溶解度知，得到的固體B是苯甲酸，
（1）A是甲苯；分離互溶且沸點不同的液體采用蒸餾方法；
（2）如果濾液呈紫色，說明高錳酸鉀過量，要先加亞硫酸氫鉀，將高錳酸鉀還原，否則濃鹽酸可能被氧化成氯氣；
（3）A．抽濾時，瓶中壓強較小，可以加快過濾速度；
B．為了防止攪拌棒下端打壞三頸燒瓶底或溫度計，因此不能與它們接觸；
C．圖1回流攪拌裝置應采用水浴加熱的方法；
D．冷凝管中水的流向與蒸汽的流向相反；
（4）甲苯與NaOH不反應，苯甲酸與NaOH反應生成苯甲酸鈉，分液，苯甲酸鈉溶液中加鹽酸可以制得苯甲酸；
（5）苯甲酸和KOH溶液發生酸堿中和反應，根據苯甲酸和KOH之間的關系式計算苯甲酸的質量，從而計算苯甲酸的質量分數．

解答 解：一定量的甲苯和適量的KMnO₄溶液在100℃反應一段時間后停止反應，按如圖流程分離出苯甲酸和回收未反應的甲苯，苯甲酸能溶于水，甲苯不溶于水，互不相溶的液體采用分液方法分離，根據實驗目的知，從而得到有機層和水層，有機層中含有甲苯、水層中含有苯甲酸，有機層中的甲苯采用蒸餾方法得到無色液體A，A是甲苯，將水層鹽酸酸化再蒸發濃縮，根據苯甲酸的溶解度知，得到的固體B是苯甲酸，
（1）A是甲苯，其結構簡式為：；有機層中物質互溶且沸點不同，所以可以采用蒸餾方法分離，則操作II為蒸餾
故答案為：；蒸餾；
（2）如果濾液呈紫色，說明高錳酸鉀過量，要先加亞硫酸氫鉀，除去未反應的高錳酸鉀，否則濃鹽酸酸化時可能被高錳酸鉀氧化成氯氣，
故答案為：除去未反應的高錳酸鉀氧化劑，否則用鹽酸酸化時會發生鹽酸被高錳酸鉀所氧化，產生氯氣；
（3）A．抽濾時，瓶中壓強較小，可以加快過濾速度，得到較干燥的沉淀，故A正確；
B．為了防止攪拌棒下端打壞三頸燒瓶底或溫度計，因此不能與它們接觸，所以在攪拌時，攪拌棒下端不能與三頸燒瓶底、溫度計等接觸，故B正確；
C．沸水浴加熱便于控制溫度和使容器受熱均勻，圖1回流攪拌裝置應采用水浴加熱的方法，故C錯誤；
D．冷凝管中水的流向與蒸汽的流向相反，則冷凝管中水的流向是下進上出，故D正確；
故答案為：ABD；
（4）除去殘留在苯甲酸中的甲苯應先加入，應該先加NaOH溶液，甲苯與NaOH不反應，苯甲酸與NaOH反應生成苯甲酸鈉，分液，苯甲酸鈉溶液中加鹽酸可以制得苯甲酸，
故答案為：NaOH溶液；濃鹽酸酸化；
（5）設苯甲酸的物質的量濃度為x，則25mL苯甲酸溶液中苯甲酸的物質的量為0.025xmol，
C₆H₅COOH+KOH→C₆H₅COOK+H₂O
1mol           1mol
0.025xmol    2.40×10^-3mol
1mol：1mol=0.025xmol：2.40×10^-3mol
x=$\frac{2.4×1{0}^{-3}mol×1mol}{1mol×0.025mol}$=0.96，
則100mL苯甲酸中苯甲酸的質量=0.096mol/L×0.1L×122g/mol=1.1712g，其質量分數=$\frac{1.1712g}{1.220g}$=96%，
故答案為：96%．

點評 本題考查了實驗方案設計、混合物的分離和提純，側重考查分析問題能力、計算能力，明確物質的性質是解本題關鍵，知道根據物質的性質選取合適的分離方法，題目難度中等．