溴乙烷制乙烯演示實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(330022) 吳 晨 張小蘭 劉曉玲 盛壽日

1 背景

溴乙烷制取乙烯作為學(xué)生學(xué)習(xí)鹵代烴消去反應(yīng)的典型反應(yīng)，在各大版本化學(xué)教材中都有介紹，對(duì)比人教版和蘇教版的課本，人教版僅給出了該反應(yīng)的反應(yīng)原理和乙烯的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)；蘇教版則開展了實(shí)驗(yàn)的裝置設(shè)計(jì)和探究。筆者按照該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)溴乙烷會(huì)溶解在乙醇溶液中，且密度比氫氧化鉀密度要小，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，當(dāng)溫度升高后，溴乙烷來(lái)不及反應(yīng)就氣化成氣體，造成實(shí)驗(yàn)獲得的乙烯的量太低，并不能使高錳酸鉀溶液褪色。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)很多化學(xué)教育工作者對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)，如：加長(zhǎng)導(dǎo)管起到回流冷凝作用；加入10cm以上的軟橡皮管，對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行震蕩，促進(jìn)溴乙烷與氫氧化鉀的接觸；采用氣—液反應(yīng)的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等。雖然這些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方式能夠達(dá)到一定的效果，但從實(shí)驗(yàn)裝置可操作性與教學(xué)質(zhì)量上考慮，還存有一定的缺陷。

筆者結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，從實(shí)驗(yàn)裝置與乙烯檢測(cè)上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)乙烯產(chǎn)量明顯提高，乙烯檢測(cè)更加明顯，便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)更有幫助。

2 實(shí)驗(yàn)原理

溴乙烷消去反應(yīng)是利用在強(qiáng)堿性條件下，溴乙烷脫去溴化氫，產(chǎn)生乙烯的過(guò)程，通過(guò)查閱大學(xué)《有機(jī)化學(xué)》課本可知，該反應(yīng)屬于雙分子消除反應(yīng)(E2)，反應(yīng)歷程如圖1所示。

圖1 溴乙烷消去反應(yīng)(E2)歷程

但溴乙烷發(fā)生消去反應(yīng)有局限性的，在溶劑極性較大、反應(yīng)溫度較低時(shí)，溴乙烷容易發(fā)生水解反應(yīng)，該反應(yīng)屬于親核取代雙分子(SN2)，反應(yīng)歷程如圖2所示。

圖2 溴乙烷水解反應(yīng)(SN2)歷程

對(duì)比兩種反應(yīng)類型可知，E2和SN2屬于一組競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，當(dāng)溶劑極性越小，親核試劑更加容易進(jìn)攻β—?dú)湓樱环粗?，?dāng)溶劑極性越大，親核試劑更加容易進(jìn)攻α—碳原子；反應(yīng)溫度較高時(shí)，同樣親核試劑更加容易進(jìn)攻β—?dú)湓?，故此在選擇溶劑時(shí)應(yīng)該選擇極性大的，反應(yīng)溫度也要盡可能高。當(dāng)反應(yīng)溫度在55℃時(shí)，SN2反應(yīng)產(chǎn)物占99%，而E2反應(yīng)則為1%。通過(guò)查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)，選擇極性較弱的乙醇與強(qiáng)堿氫氧化鉀，溫度應(yīng)控制在90℃開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

筆者結(jié)合前人實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)采用氣—液兩相法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用水浴加熱方式，防止溫度過(guò)高，導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)快；空氣冷凝管和長(zhǎng)導(dǎo)管便于冷凝；由于反應(yīng)前半段關(guān)閉止水夾2，使得整個(gè)反應(yīng)體系處于密閉狀態(tài)，氣球的目的在于控制反應(yīng)體系的壓強(qiáng)；無(wú)水乙醇和水除去反應(yīng)中的雜質(zhì)，便于獲得更加純凈的乙烯；尖嘴導(dǎo)管的目的在于控制整個(gè)氣體的流速，便于雜質(zhì)的吸收以及溴水的褪色。

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)按照如圖3所示裝置圖組裝儀器，檢驗(yàn)裝置氣密性，取10mL溴乙烷于50mL圓底燒瓶中，再取10mL飽和氫氧化鉀溶液于100mL三口燒瓶中，關(guān)閉止水夾1和2，在三口燒瓶下方水槽注入100℃的熱水，對(duì)氫氧化鉀溶液進(jìn)行預(yù)熱處理。

(2)待氫氧化鉀溫度上升到90℃以上時(shí)，取15mL無(wú)水乙醇溶液于三口燒瓶中，溶液存在分層現(xiàn)象，乙醇在上方，飽和氫氧化鉀在下方。當(dāng)氣球逐漸變大，溫度計(jì)溫度顯示達(dá)到90℃以上時(shí)，在圓底燒瓶下方水槽內(nèi)注入熱水，并打開止水夾1，使溴乙烷蒸汽進(jìn)入三口燒瓶中。

(3)當(dāng)溴乙烷完全進(jìn)入三口燒瓶中后，關(guān)閉止水夾1，觀察小球，待氣球有變小的趨勢(shì)時(shí)，打開止水夾2，10s后觀察到溴水開始褪色，40s后溴水完全褪色。

4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

由于溴乙烷密度比氫氧化鉀的密度小，溴乙烷蒸汽直接進(jìn)入飽和氫氧化鉀溶液中，可以增加兩者的接觸面積；其次氣體進(jìn)入液體中會(huì)間接起到攪拌作用，再一次加大反應(yīng)的接觸面積。

空氣冷凝管的使用，減少了使用球形冷凝管或直行冷凝管注水的過(guò)程，便于在中學(xué)課堂演示，且用空氣冷凝管和長(zhǎng)導(dǎo)管配合，起到了良好的冷凝效果。

對(duì)飽和氫氧化鉀溶液預(yù)熱的目的在于使得后續(xù)反應(yīng)溫度快速達(dá)到90℃以上，避免發(fā)生溴乙烷水解反應(yīng)，同時(shí)也可以加快乙醇的汽化，使整個(gè)反應(yīng)裝置充滿乙醇蒸汽。

由于整個(gè)反應(yīng)的溫度在90℃以上，所以體系中會(huì)有多種氣體存在，從已知的反應(yīng)物和生成物的角度，存在乙烯、乙醇、溴乙烷等氣體，密度大小對(duì)比為乙烯＜乙醇＜溴乙烷，所以最先出來(lái)的氣體一定是乙烯，實(shí)驗(yàn)效果更佳明顯，且溴乙烷會(huì)一直在乙醇的下方，充分與飽和氫氧化鉀溶液接觸，使反應(yīng)更加徹底。

由于整個(gè)反應(yīng)體系在止水夾2未開啟之前是封閉體系，內(nèi)部壓強(qiáng)要大于外部壓強(qiáng)，雖然有氣球的存在，但內(nèi)部壓強(qiáng)依舊很大，所以在止水夾2打開的瞬間，整個(gè)氣體進(jìn)入后續(xù)除雜和驗(yàn)證的速率會(huì)很快，不利于除雜和驗(yàn)證，故采用尖嘴導(dǎo)管控制流速。

乙烯的驗(yàn)證采用溴水，而不是和課本一樣采用酸性高錳酸鉀溶液，因?yàn)榉磻?yīng)中會(huì)有大量的乙醇?xì)怏w產(chǎn)生，乙醇蒸汽同樣會(huì)使酸性高錳酸鉀溶液褪色。

5 總結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為溴乙烷的消去反應(yīng)，由于存在競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，反應(yīng)效果達(dá)不到理想狀態(tài)，所以大部分教師并沒(méi)有做課堂演示實(shí)驗(yàn)。但化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，溴乙烷的演示實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更加直觀的認(rèn)識(shí)溴乙烷的性質(zhì)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)裝置更加簡(jiǎn)易、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯、乙烯的檢驗(yàn)更具有說(shuō)服力。