乙酸乙酯制備演示實驗的改進(jìn)

朱志榮

摘要：就中學(xué)化學(xué)教材中乙酸乙酯制備演示實驗的裝置、反應(yīng)物用量、催化劑選擇、操作方法等相關(guān)問題，結(jié)合自身教學(xué)實踐，闡述了作者的觀點(diǎn)和改進(jìn)措施，力求乙酸乙酯制備演示實驗的經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全高效、可觀察性和可操作性。

關(guān)鍵詞：乙酸乙酯；制備；演示實驗；實驗改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2015）2–0059–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

乙酸乙酯的制備方法比較多[1]，適用于中學(xué)化學(xué)課堂演示的一般是用乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)來制備乙酸乙酯。關(guān)于該反應(yīng)所用催化劑以及加熱方法，不同的資料或教科書均有不同的方式方法。目前魯教版[2]、蘇教版[3]、人教版[4]高中化學(xué)必修2均采取濃硫酸作催化劑、酒精燈加熱法；上科版[5]采用水浴加熱法，并且針對該法還有文章作出了改進(jìn)[6]。通過教學(xué)實踐，這些方法仍存在一些值得商榷的地方。筆者就上科版、蘇教版等教材關(guān)于乙酸乙酯制備課堂演示實驗結(jié)合自己教學(xué)實踐談一些看法。

1 催化劑的選擇

酯化反應(yīng)原理是：

質(zhì)子（H+）是反應(yīng)中的催化劑，就一般中學(xué)實驗室條件而言，濃硫酸是最常用易得的催化劑，事實上大多數(shù)教材也都首選濃硫酸作催化劑。濃硫酸既是催化劑也是反應(yīng)中的吸水劑，加快速率也能使酯化反應(yīng)正向移動，利于酯的生成，但使用濃硫酸作催化劑的缺點(diǎn)一直為人詬?。喝菀壮霈F(xiàn)反應(yīng)物碳化現(xiàn)象，生成乙醚、二氧化硫等，副反應(yīng)較多、影響觀察。實踐證明減少濃硫酸用量能有效減少副反應(yīng)，對酯的生成影響也不大。選用固體酸、雜多酸、無水四氯化錫（路易斯酸）做催化劑雖然效果不錯，但受成本和藥品來源等因素影響，事實上并不易成行。稀硫酸（8 mol/L）或其他無機(jī)酸也可以作為催化劑，催化效果也不錯。

2 加熱方式的對比

如果側(cè)重于考慮酯的產(chǎn)率和質(zhì)量，先回流后蒸餾法無疑是首選，酯的產(chǎn)率高、純度好但操作較繁瑣。為減少反應(yīng)步驟節(jié)省課堂授課時間，目前符合課堂演示“短平快”特點(diǎn)的較普遍的制備方法是連續(xù)操作的酯化蒸餾法，即酯的生成和酯的蒸餾在同一裝置中不間斷進(jìn)行，但這存在著在反應(yīng)溫度較高情況下酯化反應(yīng)未達(dá)到平衡反應(yīng)物就被蒸出反應(yīng)器影響酯的產(chǎn)率問題，如酒精燈加熱法（如圖1）。選擇水浴加熱法（如圖2），雖易于控制溫度且給熱均勻，能夠大大減少酸、醇的蒸發(fā)，但受到水浴溫度低（最高100℃）、給熱環(huán)境開放、玻璃材質(zhì)不易導(dǎo)熱、蒸氣流過線路長（用于反應(yīng)器的大試管一般20cm）等限制，反應(yīng)液實際受熱溫度難以達(dá)到酯化反應(yīng)溫度的要求，反應(yīng)慢，時間長，特別是成酯后不容易被蒸出，實際出酯較少，反應(yīng)現(xiàn)象大打折扣。實驗證明，在近100℃水浴中，反應(yīng)液不易沸騰，加熱較長時間后，反應(yīng)器壁上才有油狀物回流，很少有餾出液，在接收試管中收集到的酯微乎其微，因此敞開環(huán)境下的水浴加熱法不十分理想。李嘉改進(jìn)后的套管水浴加熱法效果不錯，值得推廣[7]。油浴加熱法也見諸一些文章，油浴法溫度高、加熱均勻但缺少可操作性和安全性，作為課堂演示實驗一般也不宜采用。而酒精燈加熱法雖然給熱不很均勻，但操作方便，可保證反應(yīng)和蒸餾的溫度要求，耗時少、出酯快。利用溫度計控制酒精燈加熱時間，在加熱的試管下方墊石棉網(wǎng)（熱容大），采用空氣浴、間歇式加熱等方式可避免溫度過高、受熱不均勻等缺陷。同時，調(diào)整反應(yīng)裝置，將導(dǎo)氣管豎直方向設(shè)計長一點(diǎn)，也可有效減少酸和醇的揮發(fā)。這種加熱法實用性強(qiáng)，實際使用效果利大于弊（如圖3）。

3 用料量的確定

乙酸和乙醇理論用量為1：1（物質(zhì)的量之比），考慮酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，增大一種反應(yīng)物濃度可提高酯的產(chǎn)率。研究資料表明[8]，等物質(zhì)的量酸和醇反應(yīng)酯的產(chǎn)率最低，酸或醇過量均可提高酯的產(chǎn)率，但醇過量的產(chǎn)率優(yōu)于酸過量的產(chǎn)率，當(dāng)乙醇對乙酸過量1.5倍時產(chǎn)率最高（如表1），所以選n（乙醇）：n（乙酸）=3：2，由無水乙醇57.20 mL/mol，冰醋酸62.13 mL/mol，可得V（乙醇）： V（乙酸）=1.38：1，鑒于演示實驗常用試管規(guī)格、考慮取用方便以及應(yīng)取得明顯的現(xiàn)象等要求，確定3mL乙醇和2mL冰醋酸為宜。這也是大多數(shù)教材演示實驗所確定的用料量。

4 幾組實驗數(shù)據(jù)的比較

每組用料：3mL無水乙醇+2mL冰醋酸+5mL飽和碳酸鈉溶液（加幾滴酚酞）

裝置如圖3：反應(yīng)器試管規(guī)格2cm×20cm，接收酯試管規(guī)格1.4cm×15cm，除第8組外，每組停止收集餾出液以控制90℃左右時餾出液不再明顯滴入為準(zhǔn)，以減少對比誤差。

5 實驗條件的綜合考量

5.1 溫度

與先回流后蒸餾法不同，采用連續(xù)操作的酯化蒸餾法演示酯的生成既要考慮加快速率，又要盡可能減少反應(yīng)液的揮發(fā)確保一定量酯的生成，決定了反應(yīng)溫度不宜太高或太低。溫度太低則反應(yīng)慢，成酯等待時間長，酯難以被蒸出；溫度太高，副反應(yīng)多，原料蒸發(fā)嚴(yán)重，酯的產(chǎn)率反而大大降低。實踐證明，在演示實驗現(xiàn)有條件下（藥品用量、反應(yīng)器試管長度等）進(jìn)行酯化反應(yīng)的溫度大約在70～80℃之間為宜，這個溫度是減少乙醇（沸點(diǎn)是78.4℃）揮發(fā)的最高溫度區(qū)間。從1、4、5、7四組實驗來看，情況基本類似：反應(yīng)液受熱不到1分鐘，溫度迅速上升，70℃左右微沸，80℃左右劇烈沸騰，83℃左右溫度上升較慢（酯被蒸出），由于反應(yīng)液與蒸氣出口有段空間距離且部分餾出液被冷凝回流，到85℃左右才有大量餾出液?？刂品磻?yīng)液溫度停留在85～90℃足夠長時間（實際上此時蒸氣出口溫度在80℃左右）。待酯蒸出后，餾出液會驟然減少，這是停止收集餾出液的時刻，如果讓溫度繼續(xù)攀升越過85～90℃溫度區(qū)間延長收集餾出液時間則會影響酯的產(chǎn)率和純度，第8組實驗數(shù)據(jù)證實這點(diǎn)。準(zhǔn)確控制溫度是本次試驗的關(guān)鍵，這是在裝置中加入一支溫度計的原因，使用溫度計控制溫度也使實驗更安全。由于100℃水浴作為熱源不能保證餾出液的蒸出，酒精燈加熱法便成為一種可靠的熱源，但加熱過程中要處理好反應(yīng)快慢和化學(xué)平衡間的關(guān)系。在低溫段（70～80℃）控制溫度停留時間盡可能長一點(diǎn)，以保證酯化反應(yīng)的平衡狀態(tài)的形成，提高酯的產(chǎn)率；在控制高溫段（85～90℃）足夠長時間（保證酯的濃度減少）后，一旦發(fā)現(xiàn)餾出液明顯減少即可停止反應(yīng)。所有溫控要求都是通過溫度計調(diào)節(jié)酒精燈焰大小以及間歇式加熱操作方式來實現(xiàn)。

5.2 催化劑

“3mL無水乙醇+2mL冰醋酸+2mL濃硫酸”這種配比物料的催化劑用量確實值得商榷[9～11]，從實驗結(jié)果看，2mL濃硫酸給酯的制備帶來較多的副反應(yīng)，既造成環(huán)境污染也造成原料浪費(fèi)。而減少濃硫酸的用量（0.2mL濃硫酸）、降低濃度（8 mol/L 2mL硫酸）來作催化劑并不顯著減少酯的產(chǎn)率，且經(jīng)濟(jì)環(huán)保、簡約安全，應(yīng)該得到推廣和應(yīng)用。第5組實驗是為了驗證無水硫酸鈉在反應(yīng)中能否顯示吸水作用，從第4、5、6組實驗對比結(jié)果看，其吸水性并不明顯。而值得注意的是，從第1、7組數(shù)據(jù)結(jié)果來看，相對于8 mol/L硫酸，等體積的濃硫酸的吸水作用并不明顯，其中原因有待于繼續(xù)研究。

5.3 其他改進(jìn)

在接收酯的裝置中，如果導(dǎo)管口置于飽和碳酸鈉溶液液面上，餾出物蒸氣難免逸散到空氣中，造成產(chǎn)品損失和空氣污染；直接插入吸收液中又容易引起倒吸。如果導(dǎo)管上接入一個干燥管浸在吸收液中，可以起到冷凝餾出物使蒸氣完全吸收和防止倒吸問題。

6 演示實驗的改進(jìn)措施

實驗改進(jìn)裝置如圖3。

乙酸乙酯制備演示實驗是為了演示酯的生成原理和過程，在一般情況下，能有目的地引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗中酯的生成狀態(tài)，認(rèn)識酸、醇、酯的性質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、安全環(huán)保意識和綠色化學(xué)思想。筆者提出的改進(jìn)措施使乙酸乙酯課堂演示制備實驗具有較好的實用性、可操作性和科學(xué)性，更符合課堂教學(xué)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁愛軍，王金龍.制備乙酸乙酯的新研究和反思[J].化學(xué)教育，2010，（5）：13.

[2][9]王磊主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（必修）[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2007：80.

[3][10]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2007：71.

[4][11]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2004：69.

[5]姚子鵬主編.化學(xué)（高中二年級第二學(xué)期）[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2004：13.

[6][7]李嘉.制備乙酸乙酯演示實驗的改進(jìn)[J].實驗教學(xué)與儀器，2013，（1）：27.

[8]刁開盛等.實驗室制備乙酸乙酯的改進(jìn)[J].廣西民族學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，12（1）：55～58.