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溴乙烷消去反应演示实验的再改进

作者:杨玉峰 更新时间:2017-5-2 9:41:30

  摘要:针对现行教材中溴乙烷消去反应演示实验存在耗时长、实验现象不够明显等不足,依据演示实验的原理,设计了演示实验的装置,采用强碱氢氧化钾、气(蒸气)-液反应的方式、高于溴乙烷沸点的反应温度以及用酸性高锰酸钾溶液润湿的棉团检验烯烃等措施,改进该演示实验。改进后的演示实验,反应速率快、反应完成的程度高、实验现象明显、装置简单、操作方便、易于推广。 
  关键词:溴乙烷消去反应;氢氧化钾、气-液反应;演示实验;实验改进 
  文章编号:1005–6629(2017)3–0069–03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B 
  高中化学课程中关于卤代烃消去反应的演示实验,许多中学教师在课堂上一般均采用溴乙烷与氢氧化钠的乙醇溶液共热、用酸性高锰酸钾溶液检验烯烃这一方法,演示实验的效果差,甚至于完全失败。为此,许多化学工作者提出了不少改进的方法[1~7],有的采用溴乙烷与氢氧化钠的乙醇溶液共热后强力振荡或磁力搅拌的方式改进演示实验,虽有一定的效果,但演示实验的安全性和可行性差。针对溴乙烷消去反应演示实验存在的问题,我们进行了认真的分析,认为:(1)从卤代烃的结构上讲,溴乙烷为一级卤代烃,很难发生消去反应;(2)从化学反应的方式液-液反应上看,溴乙烷与氢氧化钠的乙醇溶液不相溶,二者仅在界面发生接觸,接触面积小,反应物之间发生的有效碰撞次数少,故不易反应;(3)由于反应产生的乙烯量小,短时间内酸性高锰酸钾溶液褪色现象不明显。为此,我们对演示实验的装置、卤代烃与氢氧化钠的乙醇溶液反应方式及烯烃的检验方法进行了改进。改进后的演示实验,演示时间缩短、实验现象明显,有利于正确引导和帮助学生学习卤代烃的性质,对提高中学化学的教学质量有重要意义。 
  1 实验原理 
  卤代烃的消去反应是指卤代烃在碱性条件下,脱去卤化氢,生成烯烃的反应。图1是溴乙烷与氢氧化钠的乙醇溶液作用生成烯烃的反应历程。   
  从上述溴乙烷发生反应的机理可以看出,溴乙烷的亲核取代反应和消去反应为一对竞争反应,二者同时发生。不同的反应条件或有利于取代反应或有利于消去反应。一般地,在卤代烃结构一定的情况下,试剂的碱性强,有利于消去反应。氢氧化钾的碱性强于氢氧化钠,且在乙醇溶液中的溶解度高于氢氧化钠,因而溴乙烷的消去反应采用氢氧化钾的乙醇溶液效果更好;溴乙烷消去反应历程过渡态的极性较亲核取代反应历程过渡态的极性弱,故强极性分子的溶剂有利于亲核取代反应,弱极性分子的溶剂有利于消去反应,这就是为什么溴乙烷的取代反应(如水解)常以水作溶剂,而溴乙烷的消去反应用乙醇作溶剂;溴乙烷在不同的温度下取代反应和消去反应的比例不同,溴乙烷发生消去反应的活化能高于发生取代反应的活化能,故高温下有利于消去反应,低温下有利于亲核取代反应。 
  溴乙烷在碱性条件下即便采用强碱氢氧化钾、弱极性分子的乙醇作溶剂、在较高的温度下仍有取代反应的发生,且取代反应占有相对较高的比例[8]。这也是我们中学化学教师做这一演示实验时常常失败的主要原因。在对上述原理充分认识的基础上,我们对该实验设计进行了改进。 
  2 改进后的实验 
  2.1 实验药品及仪器 
  溴乙烷(分析纯);氢氧化钾(分析纯);乙醇(分析纯);1%酸性高锰酸钾溶液;药棉等 
  冷凝管、试管、圆底烧瓶、空气冷凝管、滴液漏斗等 
  2.2 实验装置 
  图3为改进的卤代烃的性质演示实验装置示意图,由圆底烧瓶、空气冷凝管、冷凝管、滴液漏斗、试管组成。其中,在空气冷凝管的下端塞进一团玻璃丝作支撑,从上口加满填料,填料是粒径为0.5~1.0mm陶瓷小球或玻璃珠或河砂;试管中放入用酸性高锰酸钾溶液润湿的棉团。 
  2.3 实验步骤 
  (1)按图3连接好装置。  
  (2)在圆底烧瓶中加入10~15mL溴乙烷和2粒沸石。 
  (3)滴液漏斗中加入20~30mL(预热至65℃)25%氢氧化钾乙醇溶液。 
  (4)冷凝管夹层通冷却水。 
  (5)加热圆底烧瓶中的溴乙烷液体至沸腾。 
  (6)当冷凝管内有回流液,打开滴液漏斗的活塞开关,慢慢均匀地滴加25%氢氧化钾乙醇溶液。 
  (7)保持圆底烧瓶中的反应液沸腾回流状态,冷凝液返回圆底烧瓶中,气体经导管进入试管中,观察试管中用酸性高锰酸钾溶液润湿的紫红色的棉团颜色变化情况。 
  2.4 实验现象及结论 
  (1)实验现象:反应开始1min后,试管底部紫红色的棉团颜色变浅,5min后,整个试管紫红色的棉团变为无色。 
  (2)实验结论:说明产物有烯烃生成,溴乙烷发生了消去反应。 
  2.5 注意事项 
  (1)空气冷凝管外保温 
  为减少热损失、反应温度平稳、缩短演示时间,应对空气冷凝管采取外保温措施,如用石棉布包裹空气冷凝管。 
  (2)控制氢氧化钾乙醇溶液的滴加速度 
  若滴加氢氧化钾乙醇溶液的速度过快,氢氧化钾乙醇溶液与卤代烃蒸气接触时间短,来不及反应;若滴加速度过慢,氢氧化钾乙醇溶液在空气冷凝管中的填料表面易出现断流,卤代烃的反应速度缓慢。故以控制滴加氢氧化钾乙醇溶液速度能在空气冷凝管中的填料表面形成均匀、薄薄的液膜为宜,这是该实验成功的关键。 
  3 实验创新点 
  3.1 实验装置  演示实验的装置是演示实验的物质基础,是确保演示实验成功的关键。改进后的演示装置由反应部分、分离部分和检验部分组成。反应部分由圆底烧瓶和加有填料的空气冷凝管组成,填料不仅增大了液态反应物的比表面积,而且填料的主要成分是硅类化合物,对溴乙烷中溴的活化离去也有一定的催化作用;分离部分为防止乙醇蒸气和烯烃一起逸出,干扰烯烃的鉴定,顶端装有冷凝管,烯烃常温、常压下为不可凝性气体,经导管进入检验装置,乙醇蒸气经冷凝后变为液体返回圆底烧瓶中;检验药品用酸性高锰酸钾溶液润湿的棉团,演示实验操作简单、方便,使用安全。改进后的装置既简约,又可满足实验原理的教学需求。 
  3.2 反应方式 
  化学反应的方式一般有液-液、气(蒸气)-液、气-气、液-固、固-固、气-固几种方式,常见的反应方式以液-液、气(蒸气)-液居多。溴乙烷在碱性條件下的消去反应,若采用常规的液-液反应方式,由于溴乙烷与碱的乙醇溶液不相溶,反应速率慢。本实验溴乙烷的消去反应,采用气(蒸气)-液的方式进行,加热圆底烧瓶中的卤代烃液体至沸腾,卤代烃蒸气自下而上进入装有填料的空气冷凝管中;与此同时滴加氢氧化钾的乙醇溶液,液体沿着空气冷凝管中填料表面自上而下流动,卤代烃的蒸气与氢氧化钾乙醇溶液逆向接触,极大地提高了两相的接触面积,故反应快,进行程度高。 
  3.3 消去反应可在较高的温度下进行 
  采用常规的溴乙烷与氢氧化钾的乙醇溶液共热的方式进行反应,由于溴乙烷的沸点仅有38.4℃,故反应的最高温度只能在溴乙烷的沸点温度下进行反应。改进后的实验采用溴乙烷的蒸气与氢氧化钾乙醇溶液反应,可用具有一定温度的氢氧化钾乙醇溶液(高于溴乙烷的沸点)与溴乙烷蒸气反应,升高反应温度不仅有利于溴乙烷的消去反应,使得消去产物的比例增加,而且反应速率可大大提高。 
  3.4 检验方法 
  用酸性高锰酸钾溶液检验烯烃,由于溴乙烷的消去反应程度低,加热过程易发生“倒吸”现象,导致实验失败。采用酸性高锰酸钾溶液润湿的棉团代替酸性高锰酸钾溶液,不仅可杜绝“倒吸”现象,而且由于棉团有较好的透气性能,可保持反应体系在常压下进行,易于烯烃逸出,可增大卤代烃消去反应的取向;再者,棉团吸附的高锰酸钾的量较少,即便遇到少量的烯烃也可使其褪色,检验的灵敏度高、现象明显。 
  4 小结 
  溴乙烷消去反应的演示实验是为了演示乙烯生成的原理和过程,帮助学生正确认识溴乙烷的性质。经笔者改进后的实验,实验装置简单、使用方便;在较高的温度下反应、气(蒸气)-液反应方式极大地提高了溴乙烷的消去反应的速率和取向;烯烃的检验方法高效、绿色环保,实验现象明显。总之,改进后的演示实验,能节省课堂中的宝贵时间,具有较高的实用性、安全性、可操作性和科学性。 
  参考文献: 
  [1]杨玉峰.浅谈溴乙烷在强碱——乙醇溶液中的反应[J].化学教学,2012,(12):75~76. 
  [2]谢劲松,丁渝.溴乙烷消去反应的创新[J].中学化学教学参考,2009,(5):49. 
  [3]王金龙,丁爱军.溴乙烷消去反应的实验探究与反思[J].化学教育,2009,(2):62~64. 
  [4]但世辉,陈莉莉.溴乙烷消去反应的实验的改进[J].中学化学,2014,(9):22. 
  [5]龚晓娟.对新教材卤代烃性质实验的理解[J].化学教学,2010,(4):47~48. 
  [6]杨广斌.溴乙烷消去反应制乙烯实验的改进[J].化学教育,2010,(2):67. 
  [7]胡再洪,鲍正荣.溴乙烷消除反应的实验的改进[J].中小学实验与装备,2012,22(6):13.