羅兵

摘要：利用圓底燒瓶、分水器、球形分液漏斗設(shè)計出一種自分離式的溴乙烷制備裝置，改進加熱方式、減少Br-的氧化，適當(dāng)增大NaBr的用量，制備得到更多的溴乙烷，新設(shè)計的裝置簡潔、美觀、便于觀察、便于操作、便于及時分離出溴乙烷。

關(guān)鍵詞：溴乙烷；自分離裝置；實驗改進與創(chuàng)新

文章編號：1008-0546（2016）08-0091-02 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.030

一、問題的提出

溴乙烷的制備實驗是一個利用親核取代原理進行合成的基礎(chǔ)有機實驗，是上教版中學(xué)化學(xué)拓展性課程“第8章烴的衍生物第8.2節(jié)醇和酚”中一個重要的課堂演示實驗，旨在說明乙醇的醇羥基在一定條件下可以被溴原子取代形成溴乙烷[1]，這個有機實驗也常見于高等教育有機化學(xué)的實驗教科書[2-4]中。已有部分文獻對這個實驗進行了多角度的討論與研究。比如：《溴乙烷制備實驗的改進》一文主要從反應(yīng)裝置的改進、加料順序的變化來提高反應(yīng)速率和節(jié)省反應(yīng)物用量[5]；《溴乙烷制備實驗的重新設(shè)計》一文主要從改進反應(yīng)裝置、加料順序以節(jié)省反應(yīng)試劑、充分利用反應(yīng)物質(zhì)混合時放出的熱量和減少環(huán)境污染[6]；《關(guān)于乙醇與氫溴酸反應(yīng)制備溴乙烷的討論》一文主要從針對刊登在《化學(xué)教學(xué)》1998年第2期《一道考核多種能力的有機試題》中典型習(xí)題的若干質(zhì)疑而產(chǎn)生系列討論，論文主要從反應(yīng)的親核取代原理、反應(yīng)裝置選擇、產(chǎn)物分離方式、涉及本實驗知識點考查注意要點等方面予以討論[7]。這些研究都從不同視角在一定程度上優(yōu)化了溴乙烷制備實驗及其教學(xué)。上教版中學(xué)化學(xué)教材關(guān)于溴乙烷制備實驗裝置如圖1所示：裝置由酒精燈、圓底燒瓶、長導(dǎo)管、試管組成；需要的藥品及用量教材描述為：2～3 g（0.02 mol～0.03 mol）固體NaBr、少量乙醇（未告知用量）、體積比為1：1的硫酸（要求體積是乙醇用量的2倍）、冰水混合物（置于如圖1所示的試管中）。按照教材所提供的實驗條件進行實驗時發(fā)現(xiàn)：所用時間較長；產(chǎn)生的溴乙烷含量少，試管底部無色油狀液體的高度接近0.5 cm，不便于學(xué)生觀察；且教材裝置圖中所提供的圓底燒瓶過大，與試劑用量不匹配，使得一部分溴乙烷留在圓底燒瓶中難以揮發(fā)出來、有不妥之處。為彌補這兩處缺陷，針對課堂演示實驗的特點，實驗時適當(dāng)改變了藥品的用量。設(shè)計出一種制備溴乙烷的自分離裝置，如圖2所示。

二、實驗內(nèi)容

1. 實驗原理

乙醇是伯醇，它與氫溴酸的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，屬于 SN2（雙分子親核取代）機理，反應(yīng)底物乙醇的空間位阻較小，利于Br-的親核進攻，這促使反應(yīng)速率較快；其次，產(chǎn)物溴乙烷沸點較低（38.4℃），容易蒸出，這就決定溴乙烷制備時采用邊加熱邊蒸出的方式，可促使反應(yīng)進行得更徹底；再次，溴乙烷有很強的揮發(fā)性（4.5℃時，蒸汽壓為26.7 kPa；20℃時，蒸汽壓為51.5kPa），其蒸氣有一定毒性，并能和空氣形成爆炸性混合物（爆炸極限為6.75%～11.25%），故反應(yīng)裝置必須充分體現(xiàn)防止溴乙烷外逸?？紤]到溴乙烷密度比水大，難溶解于水的特點，反應(yīng)裝置設(shè)計時采取如下措施：引入分水器，分水器帶活塞部分注入冰水、分水器上置球型冷凝管并通過冷凝水冷卻，將冷凝后下沉到分水器活塞下端的溴乙烷水封。由于氫溴酸揮發(fā)性很強，難以保存，實驗室沒有現(xiàn)存的氫溴酸，且市場上也難以買到制備好的氫溴酸，因此，一般通過在反應(yīng)瓶中現(xiàn)制氫溴酸，再立即與乙醇發(fā)生取代反應(yīng)。制備氫溴酸一般選用濃硫酸與蒸餾水配制而成的體積比為1：1的中等濃度的硫酸，從而可以防止乙醇被碳化和溴化氫被氧化的程度。方程式為：

2.實驗裝置

自分離式溴乙烷制備裝置主要由100 mL圓底燒瓶、分水器、球形冷凝管、夾持儀器構(gòu)成，上圖2所示的實驗裝置中帶鐵夾的鐵架臺等夾持儀器省略，實驗時按照圖2所示，組裝儀器。

3.實驗步驟

（1）配制體積比為1：1的硫酸：備50 mL小燒杯一只，量筒量取10 mL蒸餾水注入其中，再用量筒量取10 mL 98%的濃硫酸，沿?zé)诼⑷氲叫?，用玻璃棒不斷攪拌，冷卻到室溫、備用。

（2）調(diào)整鐵夾高度至合理位置，鐵夾夾持住100 mL圓底燒瓶，向其中加入6.00 g NaBr（0.06 mol）固體，加入10 mL無水乙醇（0.17 mol），再慢慢加入20 mL已配制好的1：1硫酸。

（3）圓底燒瓶上端接分水器，關(guān)閉分水器活塞，內(nèi)注入2mL蒸餾水，備用。

（4）分水器上端接球形冷凝管，接通冷凝水。（注：若要在課堂上演示，可先將球形冷凝管進水端用塑料膠頭封住，從出水端注入冷水或冰水。）

（5）用酒精燈或用熱風(fēng)槍加熱燒瓶，3 min后即可有明顯現(xiàn)象。

4. 實驗現(xiàn)象

（1）酒精燈加熱圓底燒瓶，過程中混合液體逐漸變微黃，約3 min后，混合液開始沸騰，分水器上部空間有大量氣體冷凝為油狀液體，油狀液體沿分水器壁自動下沉到帶活塞部分的底端而與反應(yīng)液分離。后改為間歇式加熱至第7 min，油狀液體明顯減少，液面分層明顯，停止加熱，冷卻后測量油狀液體高度為2.5 cm。

（2）若用熱風(fēng)槍加熱，混合液基本不變黃，測得油狀液體高度為3 cm。

三、實驗改進與創(chuàng)新之處

1. 新設(shè)計的自分離式溴乙烷制備裝置結(jié)構(gòu)美觀，做演示實驗時，將兩套裝置對比研究，易于激起學(xué)生的興趣、促進學(xué)生的仔細觀察和認真思考。

2. 由于分水器獨特的構(gòu)造，使得產(chǎn)物在冷凝后自動聚集在分水器帶活塞的尖嘴部分，與開始加入的水形成清晰的界面，便于觀察，便于學(xué)生思考和歸納溴乙烷的物理性質(zhì)。

3. 教材實驗圖1所示中儀器連接處用橡皮管，易于被有機物腐蝕，圖2所示裝置采用標(biāo)準(zhǔn)玻璃接口有效避免了這個問題。

4. 增加了NaBr固體的用量，使得產(chǎn)生的溴乙烷比教材實驗制得的溴乙烷多幾倍，更利于學(xué)生的觀察。

5. 改用酒精燈或熱風(fēng)槍間歇式加熱，大大減少了Br-的氧化，使得反應(yīng)完畢后得到的溴乙烷為無色。

6. 本套實驗裝置還可用來制備乙酸丁酯、乙酸乙酯，實現(xiàn)裝置運用的普遍化。

參考文獻

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[3] 谷亨杰等. 有機化學(xué)實驗 [M].北京：高等教育出版社，1993：126

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[6] 秦序.溴乙烷制備實驗的重新設(shè)計[J].太原師范學(xué)院學(xué)報，2014，13，（2）：76-77

[7] 索福喜.關(guān)于乙醇與氫溴酸反應(yīng)制備溴乙烷的討論[J].化學(xué)教學(xué)，1999，（4）：44-45