有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中平衡可逆思維的建立

[摘 要]在有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，特別是典型的酯的合成制備，培養(yǎng)平衡可逆的思維，能更好的理解有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)之間的差異。

[關(guān)鍵詞]有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn) 平衡 可逆

[中圖分類號(hào)]G424 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5489(2009)12-0098-02

有機(jī)化學(xué)是中學(xué)化學(xué)的一個(gè)重要組成部分。由于有機(jī)化學(xué)與無機(jī)化學(xué)的差別較大，分析比較近年來的高考化學(xué)試題，其中有機(jī)化學(xué)試題是高考化學(xué)必考內(nèi)容，所占分?jǐn)?shù)也一直穩(wěn)定，一般占全卷的15%左右。有機(jī)化學(xué)掌握得好，考生可比較容易得分;反之，失分也比較容易。2006年《考試說明》對化學(xué)部分知識(shí)點(diǎn)的降低要求并對題型分量和難度分布上作了調(diào)整。選擇題的減小和非選擇題的增加，以及難度系數(shù)由原來的易、中、難題的比例3:6:1調(diào)整為2:6:2，有機(jī)化學(xué)在試卷中的份量有可能增加，難度也可能有所提高。因此，學(xué)好有機(jī)化學(xué)對提高考生高考化學(xué)成績有著重要的意義。而對于有機(jī)化學(xué)的平衡問題，初學(xué)有機(jī)的同學(xué)理解上是會(huì)有難度的。在少量酸(H2SO4或HCl)催化下，羧酸和醇反應(yīng)生成酯，這個(gè)反應(yīng)叫做酯化反應(yīng)(esterification)。結(jié)構(gòu)不同的酸和醇酯化反應(yīng)的速率有差異，平衡常數(shù)也不同。通過典型的有機(jī)可逆平衡實(shí)驗(yàn)乙酸乙酯的合成來理解體會(huì)這個(gè)概念，了解提高可逆反應(yīng)轉(zhuǎn)換率的實(shí)驗(yàn)方法。重點(diǎn)掌握乙酸乙酯的合成法(可逆反應(yīng))及反應(yīng)條件的控制，了解提高可逆反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的實(shí)驗(yàn)方法。

一、實(shí)驗(yàn)方法的選擇

絕大部分有機(jī)化學(xué)反應(yīng)都是可逆的，利用改變反應(yīng)條件或加入某些物質(zhì)或分離出產(chǎn)物，都可以使平衡移動(dòng)。用酸和醇直接制備酯，在實(shí)驗(yàn)室中有三種方法。第一種是共沸蒸餾分水法，生成的酯和水以共沸物的形式蒸出來，冷凝后通過分水器分出水，油層回到反應(yīng)器中。第二種是提取酯化法，加入溶劑，使反應(yīng)物，生成的酯溶于溶劑中，和水層分開。第三種是直接回流法，一種反應(yīng)物過量，直接回流。影響酯化反應(yīng)的因素很多，比如溫度的影響，一般來說，溫度每升高10攝氏度，酯化速率可增加1倍。例如等物質(zhì)量的乙酸與乙醇反應(yīng)，在室溫下經(jīng)過368天才轉(zhuǎn)化了55%，達(dá)到平衡可能需要15年之久;在100℃時(shí)經(jīng)過32h轉(zhuǎn)化率可達(dá)55.7%;在150℃時(shí)只要24h就能達(dá)到平衡。除提高溫度加快反應(yīng)速率外，酯化反應(yīng)還需要加催化劑，常用的催化劑是酸。除這兩個(gè)因素之外，還要采用各種方法，促進(jìn)平衡移動(dòng)，提高原料轉(zhuǎn)化率。常用的促進(jìn)平衡移動(dòng)的方法有兩種。第一種是反應(yīng)物過量，可以提高另一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。第二種促進(jìn)平衡移動(dòng)的方法是，隨著反應(yīng)的進(jìn)行及時(shí)地把反應(yīng)物之一或全部從反應(yīng)體系中移出。

在本實(shí)驗(yàn)中，我們是利用冰乙酸和乙醇反應(yīng)，得到乙酸乙酯。反應(yīng)式如下:

CH3COOH+CH3CH2OHH2SO4110—120℃CH3COOC2H5+H2O

二、實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程主要試劑及產(chǎn)品的物理常數(shù)(文獻(xiàn)值)

名稱分子量性狀折光率比重熔點(diǎn)℃沸點(diǎn)℃溶解度:g/100mL水醇醚

冰醋酸60.05無色液體1.36981.04916.6118.1∞∞∞

乙醇46.07無色液體1.36140.780-11778.3∞∞∞

乙酸乙酯88.10無色液體1.37220.905-8477.158.6∞∞

1.反應(yīng)

在100mL三口燒瓶中的一側(cè)口裝配一恒壓滴液漏斗，滴液漏斗的下端通過一橡皮管連接一J形玻璃管，伸到三口燒瓶內(nèi)離瓶底約3mm處，另一側(cè)口固定一個(gè)溫度計(jì)，中口裝配一分餾柱、蒸餾頭、溫度計(jì)及直型冷凝管。冷凝管的末對端連接接引管及錐形瓶，錐形瓶用冰水浴冷卻。

在一小錐形瓶中放入3mL乙醇，一邊搖動(dòng)，一邊慢慢加入3mL濃硫酸，并將此溶液倒入三口燒瓶中。配制20mL乙醇和14.3mL冰醋酸的混合溶液倒入滴液漏斗中。用油浴加熱燒瓶，保持油浴溫度在140℃左右，反應(yīng)體系溫度約為120℃左右。然后把滴液漏斗中的混合溶液慢慢滴加到三口燒瓶中。調(diào)節(jié)加料的速度，使和酯蒸出的速度大致相等。加料約70min。這時(shí)保持反應(yīng)物溫度120—125℃。滴加完畢后，繼續(xù)加熱約10min，直到不在有液體流出為止。

2.純化

將餾出液先用飽和NaCO3溶液中和餾出液中的酸，直到無CO2氣體溢出為止;之后在分液漏斗中依次用等體積的飽和NaCl溶液(洗滌碳酸鈉溶液)，飽和CaCl2溶液(洗滌醇，CaCl2可與醇生成絡(luò)合物)洗滌餾出液，最后將上層的乙酸乙酯倒入干燥的小錐形瓶中，加入無水K2CO干燥30min。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過程中，反應(yīng)混合物的溫度通常控制在120—125℃，溫度過低，酯化反應(yīng)不完全;溫度過高，會(huì)發(fā)生醇的脫水和氧化，副產(chǎn)物增多，也會(huì)降低轉(zhuǎn)化率。催化劑通常選用濃硫酸，滴加時(shí)必須慢慢加入并充分振蕩燒瓶，使之與乙醇均勻混合，以免在加熱時(shí)因局部酸過濃引起有機(jī)物碳化等副反應(yīng)。通過不同的乙酸和乙醇的量加以討論，等物質(zhì)量的乙酸和乙醇酯化反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，乙酸轉(zhuǎn)化率是65%;乙醇過量99倍時(shí)乙酸的平衡轉(zhuǎn)化率達(dá)99.3%。哪種物料過量，取決于物料來源是否方便，價(jià)格是否便宜，產(chǎn)物分離純化呵過量物料分離回收的難易程度，同時(shí)還要考慮對環(huán)境的綠色環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展性的影響等因素。過量多少也取決于具體的反應(yīng)和具體的物料的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中，我們是利用過量的乙醇來增大反應(yīng)物的濃度，使平衡右移;另外隨著反應(yīng)的進(jìn)行，醇還可以和生成的水、乙酸乙酯生成二元或三元共沸物而蒸餾出去，從而促使酯化反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，常常是幾種破壞平衡的方法同時(shí)使用。

四、結(jié)語

有機(jī)化學(xué)平衡遵循化學(xué)平衡原理，不同的條件可使反應(yīng)向不同的方向移動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)通過有機(jī)化學(xué)一類典型的酯化反應(yīng)——乙酸乙酯的制備的討論。通過對反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間，催化劑，特別是不同物料比等影響因素的考察，深入理解有機(jī)反應(yīng)和無機(jī)反應(yīng)的最大差異，即反應(yīng)的可逆性及平衡轉(zhuǎn)化率等概念。對高考中的有機(jī)化學(xué)部分的考察有很大的幫助。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)題可能源于課本，但不排除在課本驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，改編成探究性題目，這類題型出現(xiàn)的可能性較大。

[參考文獻(xiàn)]

曾昭瓊:《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》(第3版)，高等教育出版社2000年版。