溴乙烷的水解和消去反應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究

盛林娟　李雪萍　伍曉春

摘要： 鹵代烴的水解和消去反應(yīng)是高中化學(xué)教材選修五有機(jī)化學(xué)的重要反應(yīng)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)以溴乙烷為例，針對(duì)教材演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、耗時(shí)較長(zhǎng)等不足，設(shè)計(jì)溴乙烷水解和消去反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，巧妙將溴乙烷的水解反應(yīng)產(chǎn)物乙醇收集后用于作為消去反應(yīng)的反應(yīng)物。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率快、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、操作方便，可在同一連續(xù)反應(yīng)的裝置中熟悉和掌握水解和消去反應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系，以及兩者反應(yīng)條件和產(chǎn)物的差異，有助于提高學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 溴乙烷; 水解反應(yīng); 消去反應(yīng); 乙烯; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2020）01005905

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1問(wèn)題提出

1.1教材地位

鹵代烴的水解和消去反應(yīng)是高中有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)之一，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》要求，“認(rèn)識(shí)取代、消去反應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律，了解有機(jī)反應(yīng)類(lèi)型和有機(jī)化合物組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的關(guān)系”[1]。溴乙烷（化學(xué)式： C2H5Br）又名乙基溴，縮寫(xiě)為EtBr，其沸點(diǎn)為38.4℃，是一種無(wú)色油狀液體，比絕大多數(shù)溴代烷的沸點(diǎn)低[2～4]。其水解反應(yīng)產(chǎn)物為乙醇，消去反應(yīng)產(chǎn)物為乙烯，兩種產(chǎn)物皆是高中有機(jī)化學(xué)內(nèi)容板塊的學(xué)習(xí)重點(diǎn)，且是鹵代烴水解和消去反應(yīng)的前序內(nèi)容。教材選擇以溴乙烷為例，讓學(xué)生通過(guò)這一板塊的學(xué)習(xí)，加深這兩種重要有機(jī)物及溴乙烷的認(rèn)識(shí)，有利于促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

1.2教材分析

首先對(duì)人教版和蘇教版中的這部分內(nèi)容進(jìn)行教材對(duì)比分析（見(jiàn)表1和表2）和文獻(xiàn)分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)鹵代烴的水解和消去反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

在人教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》“科學(xué)探究”欄目中，探究溴乙烷在不同溶劑中與NaOH發(fā)生不同類(lèi)型反應(yīng)，生成不同反應(yīng)產(chǎn)物，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水解反應(yīng)和消去反應(yīng)產(chǎn)物[5]。教材中未給出水解反應(yīng)和消去反應(yīng)的發(fā)生裝置，且驗(yàn)證過(guò)程以學(xué)生探究和問(wèn)題分析為主。反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)物的檢驗(yàn)易成為學(xué)生理解的難點(diǎn)。而蘇教版“觀察與思考”欄目中，水解反應(yīng)和消去反應(yīng)運(yùn)用同一實(shí)驗(yàn)裝置且檢驗(yàn)方法相同[6]。根據(jù)蘇教版實(shí)驗(yàn)裝置圖組裝儀器并進(jìn)行多次試驗(yàn)，均未成功。原因?yàn)椋?）鹵代烴的消去反應(yīng)速率和溫度有關(guān)，溫度越高，消去反應(yīng)速率越快，但溴乙烷由于沸點(diǎn)很低，受熱大量揮發(fā)，揮發(fā)速率快于消去反應(yīng)速率，30s左右在中間的集氣瓶中即觀察到有油狀液滴出現(xiàn)，而試管中并沒(méi)有氣體產(chǎn)生。（2）溴乙烷、1溴丙烷與飽和氫氧化鉀的水溶液、飽和氫氧化鉀乙醇溶液均不互溶，靜置時(shí)分層，反應(yīng)物處于不同相中，不利于反應(yīng)的發(fā)生。（3）酒精燈加熱溫度不易控制，加熱約2min左右，出現(xiàn)液體暴沸現(xiàn)象，混合溶液沿著導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶。（4）溴乙烷蒸氣有毒，危害師生的身體健康。

1.3文獻(xiàn)分析

查閱已有的鹵代烴水解反應(yīng)和消去反應(yīng)相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)此內(nèi)容的改進(jìn)研究有增加實(shí)驗(yàn)儀器或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、改變反應(yīng)物體積比、反應(yīng)方式和條件（溫度）、產(chǎn)物驗(yàn)證方法等，見(jiàn)表3。

文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件的改進(jìn)，改善了水解反應(yīng)和消去反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)效果，但在實(shí)際課堂演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，依然存在裝置復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性不好等缺點(diǎn)，學(xué)生在理解鹵代烴水解和消去反應(yīng)時(shí)，容易將兩個(gè)反應(yīng)的條件和產(chǎn)物混淆記憶。因此，本文針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)鹵代烴的水解和消去反應(yīng)進(jìn)行研究，以溴乙烷為例，設(shè)計(jì)更為合理、簡(jiǎn)單的水解和消去反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

鹵代烴分子中的鹵素原子被其他原子或基團(tuán)取代的反應(yīng)為取代反應(yīng)，溴乙烷與氫氧化鈉水溶液發(fā)生取代反應(yīng)，也稱為水解反應(yīng)。鹵代烴脫去小分子化合物鹵化氫而生成烯烴的反應(yīng)稱為消去反應(yīng)。溴乙烷的水解反應(yīng)與消去反應(yīng)都是由親核試劑的進(jìn)攻引起的，當(dāng)親核試劑進(jìn)攻α碳原子時(shí)發(fā)生取代反應(yīng)，進(jìn)攻β氫原子時(shí)發(fā)生消去反應(yīng)，溴乙烷水解與消去反應(yīng)區(qū)別與機(jī)理解釋見(jiàn)表4。這兩種反應(yīng)常常是同時(shí)發(fā)生和相互競(jìng)爭(zhēng)的，產(chǎn)物的比例常受反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)、試劑的堿性、溶劑的極性和反應(yīng)溫度等因素的影響[27，28]。

溴乙烷與氫氧化鈉水溶液的取代反應(yīng)歷程為：

2.2實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器： 圓底燒瓶、蒸餾頭、玻璃塞、牛角管、橡膠管、冷凝管、球形干燥管、鑷子、量筒、玻璃棒、分析天平、燒杯、膠頭滴管、試管、磁力攪拌器（帶恒溫水浴槽）

實(shí)驗(yàn)藥品： 溴乙烷、無(wú)水乙醇，氫氧化鈉、硝酸銀溶液、高錳酸鉀、溴水、硫酸、蒸餾水

2.3實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖1、圖2和圖3。

2.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)象

（1） 配制10%的氫氧化鈉溶液和酸性高錳酸鉀溶液。

（2） 在圓底燒瓶中加入3mL 10%氫氧化鈉溶液、9mL溴乙烷溶液、6mL蒸餾水。圓底燒瓶中溶液互不相溶，靜置片刻后出現(xiàn)分層。

（3） 按圖1連接實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)啟冷凝水，將恒溫磁力攪拌器水浴溫度調(diào)至40℃，轉(zhuǎn)速600rpm。將圓底燒瓶置于恒溫磁力攪拌器水浴上恒溫?cái)嚢?，約4min后，關(guān)閉攪拌器，取出靜置。

（4） 取圓底燒瓶上層清液1mL放入小試管中，加入硝酸進(jìn)行酸化，再滴加2～3滴硝酸銀溶液，產(chǎn)生淡黃色沉淀。取下層清液進(jìn)行上述操作，無(wú)明顯變化。

（5） 按圖2連接實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)啟冷凝水，將恒溫磁力攪拌器水浴溫度調(diào)至80℃，進(jìn)行蒸餾，右側(cè)的圓底燒瓶中收集有無(wú)色透明的液體并伴有特殊的氣味。

（6） 蒸餾結(jié)束后，向右側(cè)的圓底燒瓶中加入0.5g固體氫氧化鈉，攪拌使其溶解，形成飽和氫氧化鈉的乙醇溶液。再加入7mL溴乙烷溶液，按圖3連接實(shí)驗(yàn)裝置，繼續(xù)攪拌，使反應(yīng)物充分混合，試管內(nèi)的導(dǎo)管嘴處有氣泡冒出。

（7） 將恒溫磁力攪拌器水浴溫度調(diào)至95℃， 30s之后，右側(cè)試管內(nèi)的導(dǎo)管尖嘴口冒出大量的氣泡，約2min左右，浸有酸性高錳酸鉀溶液的棉花褪色，右側(cè)試管中溴水褪色。

3實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單化

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了教材實(shí)驗(yàn)中未說(shuō)明的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置和收集裝置，將水解反應(yīng)在回流條件下進(jìn)行，減少溴乙烷的揮發(fā);通過(guò)攪拌器充分?jǐn)嚢?，使溴乙烷的水解反?yīng)進(jìn)行得更加完全。將水解反應(yīng)與消去反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，將水解反應(yīng)的產(chǎn)物乙醇進(jìn)行蒸餾，收集后重新利用為消去反應(yīng)提供溶劑條件。學(xué)生在同一裝置中可對(duì)比理解水解反應(yīng)與消去反應(yīng)發(fā)生的條件與產(chǎn)物的不同，更加直觀地觀察到反應(yīng)現(xiàn)象，有利于提高“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

改進(jìn)后的裝置操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能幫助學(xué)生理解有機(jī)反應(yīng)條件不同產(chǎn)物也不同這一規(guī)律，便于學(xué)生總結(jié)溴乙烷的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

3.2檢驗(yàn)方法便捷安全，綠色環(huán)保

已有文獻(xiàn)中關(guān)于溴乙烷水解反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗(yàn)方法均為取清液先加入硝酸酸化，再滴加2～3滴硝酸銀溶液的方法，但實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象不明顯。

本實(shí)驗(yàn)采取靜置后分層，分別取上層和下層清液作對(duì)照試驗(yàn)，現(xiàn)象明晰。

實(shí)驗(yàn)將水解反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行蒸餾，利用水解所得乙醇為消去反應(yīng)的發(fā)生提供條件。根據(jù)消去反應(yīng)原理可得，反應(yīng)產(chǎn)物為乙烯、溴化氫和水，將教材中的高錳酸鉀溶液改為高錳酸鉀溶液浸潤(rùn)的棉花，產(chǎn)生乙烯氣體時(shí)，有明顯的褪色現(xiàn)象，不僅減少高錳酸鉀溶液的用量，體現(xiàn)綠色環(huán)保理念，而且可防止因氣壓改變產(chǎn)生溶液倒吸現(xiàn)象。最后試管中溴水褪色，進(jìn)一步證明產(chǎn)生了乙烯氣體，同時(shí)防止多余的乙烯氣體外逸。

4小結(jié)

學(xué)生在學(xué)習(xí)選修五“烴及其烴的衍生物性質(zhì)”相關(guān)知識(shí)時(shí)，容易對(duì)水解反應(yīng)和消去反應(yīng)的條件、產(chǎn)物產(chǎn)生混淆。本實(shí)驗(yàn)將鹵代烴水解和消去反應(yīng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)水解反應(yīng)與消去反應(yīng)實(shí)質(zhì)的理解，分別同時(shí)對(duì)反應(yīng)后兩層清液進(jìn)行檢測(cè)，其中一層立即出現(xiàn)淡黃色沉淀，

另一層無(wú)明顯變化，證明確實(shí)發(fā)生了水解反應(yīng)。

消去反應(yīng)開(kāi)始后，2min左右即可看到浸有酸性高錳酸鉀溶液的棉花以及溴水褪色。學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)水解反應(yīng)與消去反應(yīng)發(fā)生的條件、反應(yīng)現(xiàn)象和產(chǎn)物的不同，結(jié)合宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析微觀反應(yīng)歷程，有助于“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，可作為該核心素養(yǎng)培育的典型教學(xué)案例。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)充分，有害氣體揮發(fā)少，有利于教師在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

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