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2011年第八屆清華盃全國高級中學化學科能力競賽決賽試題

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Academic year: 2021

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(1)

第八屆清華盃

全國高級中學化學科能力競賽

(2)

實作一題目 

Base‐Catalyzed Oxidation‐Reduction of Aldehydes by The 

Cannizzaro Reaction 

義大利化學家斯塔尼斯拉奧․坎尼乍若利用草木灰處理苯甲醛,得到了苯甲酸和苯 甲醇,首先發現了這個反應,反應名稱 Cannizzaro Reaction 也由此得來。 此反應是無α活化氫的醛化合物在強鹼作用下發生分子間氧化還原反應,生成一分 子羧酸和一分子醇的有機自身氧化還原反應。

本實作將以對-溴苯甲醛(4-Bromobenzaldehyde)為反應物,進行 Cannizzaro Reaction, 反應式如下:

4-Bromobenzaldehyde 4-Bromobenzyl alcohol 4-Bromobenzoic acid + Br Br Br CHO CH2OH COOH KOH

2

  本實作的目的是依合成步驟合成產物並做分離,得到純度較高的產物並做產率的計算。 合成步驟:

1.

請攜答案卷跟監考人員領取對

-

溴苯甲醛

(4-Bromobenzaldehyde)

並作記

錄。

(

最多取三次

)

1 2. 秤重 1.0g 對-溴苯甲醛(4-Bromobenzaldehyde)至圓底瓶中,加入 2.5mL 甲醇(Methanol) 及攪拌子,攪拌至固體溶解。 3. 在室溫下緩慢加入 1.5mL 50%(w/w) 氫氧化鉀水溶液(KOH(aq))。(此步驟會大量放熱, 請小心加入!) 4. 讓反應攪拌 30 分鐘後,加入 15mL 的水中止反應。 5. 用二氯甲烷( Dichloromethane)進行萃取。 問題:將其中一種產物分離並計算出此 30 分鐘反應的標準產率。請簡述產物的分離方 式、種類、產率與純度。(詳見答案卷) 註 1:最多取三次,乃指實驗結果不佳者,須先將有機層及水層繳回,方可再取起始物, 僅有三次機會。 註 2:分離出的固體若有需要烘乾的,請放置於培養皿(已秤重)中交給監考人員。烘乾 時間請自行決定。 註 3:純度量測以熔點為準,最後之產物請直接交與監試人員紀錄產物的重量與熔點的 測量,請確定交產物時機,一旦將產物交與監試人員,產物將不再發回,最後送 產物時間為下午 4 點整。 註 4:評分方式:純度比產率重要。

(3)

實作一解答

本組用來計算產率的產物為:4-bromobenzoic acid

依據其性質及 pKa 可知其在水層中有較高的純度。

平均產率:84%。

熔點:252~254°C。

占總分比例:40%。

 

實作二題目 

本實作將以對-氯苯甲醛(4-Chlorobenzaldehyde)為反應物,進行 Cannizzaro Reaction,反應式如下:   請設計一種以上之實驗,測出此反應對對-氯苯甲醛(4-Chlorobenzaldehyde)的反應級 數,並利用現有的實驗器材及藥品進行實作。請詳述所設計的實驗方法與實作過程。 註:評分方式:將所設計的實驗並完成實作的方法越多越優。

實作二解答

此反應為一級反應,可利用分離產物或藉由滴定法或其他實驗方法取得

4-Chlorobenzoic acid 的產量,進而得知反應的關係級數。

占總分比例:40%。

(4)

實作三題目

The Partition of Organic Acid between Water and Organic 

Solvent 

將一溶質溶於兩種不互溶的混合溶劑中,此溶質在兩相間會有一平衡存在。當系統 達到平衡時,可用分配係數 D 來表示溶質在兩相間濃度的比值。例如:溴(Br2)在水 及四氯化碳(CCl4)間之分佈可由下式來表示: Br2 (aq)  Br2 (CCl4) ) ( 2 ) ( 2 ] [ ] [ 4 aq CCl Br Br D 本實作的目的在於測定化合物在兩不互溶的溶液中的分配係數。請利用現有的實驗 器材及藥品,自行設計實驗,在室溫下,測定在不同條件下間-甲基苯甲酸(3-toluic acid) 在水及正己烷(n-hexane)的分配係數。 測定條件如下,分別求出間-甲基苯甲酸(3-toluic acid)在此兩條件下的分配係數。請 詳細寫下所設計的量測方法及計算過程,未解說者將不予計分。 條件一:水及正己烷的體積比為3:1。 條件二:水及正己烷的體積比為1:3。 註:系統在均勻混合條件下達平衡需要至少 20 分鐘的時間。

 

實作三解答

水:正己烷=1:3 的分配係數(

) ( ) ( ] 3 [ ] 3 [ aq hexane n toluic toluic D    

)為 33 。

水:正己烷=3:1 的分配係數(

) ( ) ( ] 3 [ ] 3 [ aq hexane n toluic toluic D    

)為 4.89 。

占總分比例:20%。

參考文獻

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