溴乙烷制備實驗的自分離裝置設計

羅兵

摘要：利用圓底燒瓶、分水器、球形分液漏斗設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，適當增大NaBr的用量，制備得到更多的溴乙烷，新設計的裝置簡潔、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有機實驗，是上教版中學化學拓展性課程“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》一文主要從反應裝置的改進、加料順序的變化來提高反應速率和節(jié)省反應物用量[5]；《溴乙烷制備實驗的重新設計》一文主要從改進反應裝置、加料順序以節(jié)省反應試劑、充分利用反應物質混合時放出的熱量和減少環(huán)境污染[6]；《關于乙醇與氫溴酸反應制備溴乙烷的討論》一文主要從針對刊登在《化學教學》1998年第2期《一道考核多種能力的有機試題》中典型習題的若干質疑而產生系列討論，論文主要從反應的親核取代原理、反應裝置選擇、產物分離方式、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。上教版中學化學教材關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：所用時間較長；產生的溴乙烷含量少，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，實驗時適當改變了藥品的用量。設計出一種制備溴乙烷的自分離裝置，如圖2所示。

二、實驗內容

1. 實驗原理

乙醇是伯醇，它與氫溴酸的反應是可逆反應，屬于 SN2（雙分子親核取代）機理，反應底物乙醇的空間位阻較小，利于Br-的親核進攻，這促使反應速率較快；其次，產物溴乙烷沸點較低（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%），故反應裝置必須充分體現防止溴乙烷外逸?？紤]到溴乙烷密度比水大，難溶解于水的特點，反應裝置設計時采取如下措施：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，一般通過在反應瓶中現制氫溴酸，再立即與乙醇發(fā)生取代反應。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，沿燒杯壁慢慢注入到小燒杯中，用玻璃棒不斷攪拌，冷卻到室溫、備用。

（2）調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，關閉分水器活塞，內注入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）用酒精燈或用熱風槍加熱燒瓶，3 min后即可有明顯現象。

4. 實驗現象

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

2. 由于分水器獨特的構造，使得產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，便于學生思考和歸納溴乙烷的物理性質。

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所示裝置采用標準玻璃接口有效避免了這個問題。

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

5. 改用酒精燈或熱風槍間歇式加熱，大大減少了Br-的氧化，使得反應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，實現裝置運用的普遍化。

參考文獻

[1] 上海市中小學（幼兒園）課程改革委員會.高級中學課本化學拓展性課程[M].上海：上?？茖W技術出版社，2008：162

[2] 曾昭瓊.有機化學實驗[M].北京：高等教育出版社，1999：102

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

[4] 吳泳.大學化學新體系實驗[M].北京：科學出版社，1999：123

[5] 王建平，田欣哲. 溴乙烷制備實驗的改進[J].洛陽師范學院學報，2002，（5）：55-56

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

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