甲烷與氯氣取代反應實驗的改進

文章編號:1005-6629(2010)07-0017-03 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:C

甲烷與氯氣取代反應的實驗是高中化學中的一個重要實驗，這不僅是學生學習有機化學接觸到的第一個有機反應，也是烷烴的一個重要性質實驗。做好本實驗對于剛剛涉足有機化學的學生來說具有非常重要的意義。本文對該實驗的相關問題進行了討論，并對該實驗作了改進。

1 實驗原理

甲烷與氯氣的混合氣體在光照條件下可發生取代反應，反應歷程屬于自由基鏈反應:

CH4+Cl2→Cl·CH4+Cl·CH4→2CH3·Cl+2HCl;

CH3·Cl+Cl2→Cl·CH3Cl+Cl·…CCl3·+Cl·→ CCl4

要使反應進行，需要一定的能量，這些能量來自光照或受熱。能說明取代反應已經發生的指標性現象是:1. 氯氣黃綠色褪去，2. 有油狀液體生成，3. 有氯化氫氣體生成。4. 氣體體積減少。

2 常見幾種實驗的討論

蘇教版教材化學(2)專題3第一單元中，甲烷性質的實驗，采用的是在集氣瓶中，用排飽和食鹽水法收集氯氣與甲烷(體積比為4︰1)的混合氣體(見圖1所示)， 也有一些資料介紹，用100 mL 的量筒來收集混合氣體(甲烷20 mL氯氣80 mL，如圖2所示)，對混合氣體進行光照，然后觀察反應現象。

采用教材中的實驗裝置(如圖1)進行實驗，觀察到的實驗現象是瓶內氣體體積減少、氯氣的黃綠色褪去、瓶壁上有液滴。但存在三個疑點: (1)生成的氯化氫氣體溶解在水中無法檢驗，也沒有證據可證明有氯化氫氣體生成。(2)混合氣體是用排飽和食鹽水方式取得的， 瓶壁上會殘留水珠，實驗時無法辨認是有機生成物還是殘留的水珠，不能確信有氯代物生成。(3)如果用液面上升的現象說明氣體體積減少了，以此來說明取代反應已發生，也缺乏說服力。即使沒有甲烷，單是氯氣裝在瓶中倒插在水里，給予光照，液面也會上升。因為氯氣可與水反應生成鹽酸和次氯酸，次氯酸又能分解生成氧氣，最終體積是原體積的一半，且氯氣的黃綠色也褪去，相關的反應方程式如下:

Cl2+H2O=HCl+HClO

2HClO 2HCl+O2↑

按圖2的實驗裝置，觀察到的反應現象及存在的問題與上述一樣。

按圖3的實驗裝置，選用燒瓶， 先用排飽和食鹽水法收集氯氣與甲烷(體積比為4︰1)的混合氣體，滿瓶后，再塞上帶有導氣管的膠塞、倒置，導氣管下端插入盛有紫色石蕊試液的水槽中，然后，對混合氣體進行光照，觀察反應現象。當用250 W的高壓汞燈照射時，光照約一分鐘左右，出現紅色噴泉，這說明有氯化氫氣體生成，但看不到無色油狀液滴。

利用上述實驗裝置，筆者進行多次實驗，雖能看到部分實驗現象，但總覺得不盡理想?？梢?，上述三個實驗裝置都不能達到預期的效果，存在某些不足的地方。因此，希望通過改進實驗，能得到理想的實驗效果。筆者對該實驗做了如下的改進。

3 改進后的實驗

(1)實驗材料:①用100 mL注射器作為反應器;②250 W的高壓汞燈;③氯氣與甲烷體積比為3︰1(75 mL氯氣， 25 mL甲烷)， 實驗裝置如圖4所示。

實驗操作過程:用100 mL注射器從儲氣袋中抽取氯氣75 mL，再在儲氣瓶中抽取甲烷25 mL，把針頭插進橡膠塞內密封好針頭，然后，在注射器內塞與外筒交界處涂上少量的機油，旋轉內塞，使機油均勻涂在注射器內塞與外筒交界處，這樣既密封又潤滑。接著，把注射器按圖4所示裝在鐵架臺上，用250 W的高壓汞燈照射，光源離注射器距離15 cm左右。如果室溫較低，可縮短光源離注射器的距離，如10 cm左右。光照約半分鐘左右，活塞開始上升，1分鐘左右，體積可上升至140 mL左右，隨后緩慢回落到100 mL，此時可看到注射器內氣體黃綠色褪去，說明氯氣已反應。注射器筒內壁有少量的無色油狀液滴，說明有氯代甲烷生成。冷卻片刻，筒內氣體體積仍然在100 mL。反應后氣體體積與反應前氣體體積相同(或很接近)的原因，主要是有氯化氫氣體，同時，生成的一氯甲烷常溫下是氣體，而二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷等在常溫雖是液體，由于生成的量少，且它們易揮發，很大部分以氣體形式存在，因此，反應氣體體積改變不大。檢驗筒內氣體，把針頭靠近盛濃氨水的試劑瓶口，緩慢推動活塞可看到有濃煙產生，注入硝酸酸化的硝酸銀溶液有白色沉淀產生。雖然用氯氣進行上述實驗也會出現相同的現象，但從顏色上可以區別氯氣與氯化氫氣體。去掉針頭，將針筒插入滴有石蕊試液的水中，可形成紅色噴泉(如圖5所示)，這一現象可有力證明該無色氣體是氯化氫氣體。

噴泉實驗后，發現注射器內尚有15毫升左右的無色氣體。檢驗該氣體:把針頭插入澄清的石灰水，緩慢推動活塞，澄清石灰水未見渾濁現象，說明不是二氧化碳;把針頭靠近酒精燈火焰，緩慢推動活塞，未見燃燒現象，說明不是未反應的甲烷;也沒有看到酒精火焰明顯變亮，說明氣體不助燃，也不是氧氣。這主要是在制取甲烷和氯氣氣體時，不可能得到很純的氣體，有空氣混雜在其中，最后剩余的可能是氮氣等。

可見，改進后的實驗，上述四個指標性現象都能很好地實現。

4 做好本實驗的關鍵及相應措施:

要使本實驗現象明顯，必須做到以下三點:

(1)所用的甲烷與氯氣的純度要高，盡可能不含氧氣，因為甲烷與氯氣的反應歷程是自由基鏈反應，氧氣會消耗自由基，中斷反應鏈，從而阻止反應。

(2)容器要密封，且活塞要能輕松活動。

(3)要有足夠的光照強度。

5實驗改進的理由

(1)實驗裝置的改進。改用注射器作反應器，是為了使反應氣體與液體隔離，這樣，反應后在原先干燥的注射器內出現油狀液體，能有力說明氯代烷的生成。同時，又能很方便地檢驗氯化氫氣體的存在，證明有氯化氫氣體生成。

(2)原料比例的改進。氯氣與甲烷體積比由4︰1改為3︰1，主要是為了增加甲烷的濃度，以便增加反應速率。改進后的實驗，操作方便，反應速度快，現象明顯，證據有力可靠，方便課堂演示實驗。

(3)原料的改進。若用乙烷代替甲烷，用同樣的方法來做本實驗，效果更好。在甲烷與氯氣反應中，由于一氯甲烷常溫下是氣體，二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷等部分以氣體形式存在，因此，反應后看到的油狀液體量不多，且反應前后氣體體積改變也不大。若改用乙烷，由于一氯乙烷常溫下就是液體，多氯代乙烷顯然是液體，這樣，可以增加生成物的液體量，且反應前后氣體體積變化增大，現象也更為明顯。

附:乙烷制取及乙烷與氯氣的取代反應

1. 乙烷的制取，

(1)實驗儀器:硬質玻璃管，碾缽，酒精燈，鐵架臺，導管，儲氣瓶

(2)藥品:丙酸鈉，氫氧化鈉，氧化鈣

(3)反應方程式: CH3CH2COONa+NaOH→Na2CO3+C2H6

根據方程式可知，丙酸鈉與的氫氧化鈉恰好完全反應的質量比為96︰40。筆者按這個質量比例進行實驗，用24克丙酸鈉、10克氫氧化鈉、10克氧化鈣。先稱取氫氧化鈉10克，氧化鈣10克，在碾缽中碾細拌勻。再稱取丙酸鈉24克與之混合拌勻，裝入硬質玻璃管， 按圖(6)搭好實驗裝置。 用酒精燈加熱，加熱時先移動酒精燈，使玻璃管受熱均勻，然后定點加熱。

經過多次反復實驗，結果不盡理想，產生氣體速度慢，量也少。通過調整丙酸鈉、氫氧化鈉 、氧化鈣這三中物質的質量比例，終于得到一個比較理想的結果。

在調整這三中物質的質量比例關系時，基于以下幾方面的考慮:

(1)這是固體與固體之間的反應，反應物之間的接觸沒有液體之間接觸充分;同時丙酸鈉脫羧較難，應適當增加氫氧化鈉的量，丙酸鈉與氫氧化鈉質量比采用5︰3。

(2)為了增加反應混合物的吸水性，應提高氧化鈣的質量比，氧化鈣與氫氧化鈉的質量比采用4︰3。按這樣的質量比例投入實驗，在多次的實驗中，結果比較理想，放出的氣體速度快，量也多。在本實驗中，先稱取氫氧化鈉 15克 ， 氧化鈣20克，在碾缽中碾細拌勻，再稱取丙酸鈉25克與之混合拌勻，裝入硬質玻璃管，所用的實驗裝置如圖6。把制得的乙烷氣體儲藏在儲氣瓶中備用。

(2)乙烷與氯氣取代反應

使乙烷全部被氯氣取代，氯氣與乙烷的體積比應為6︰1，但按這樣的體積比來取料(即用85 mL氯氣與15 mL乙烷)，反應速度慢，最后氯氣的黃綠色也沒有完全褪盡，其主要原因是乙烷的量少，在光照條件下產生的乙烷自由基濃度低，影響反應速度。再者，當有一氯乙烷、二氯乙烷生成時易凝結成液體，這樣會影響氯氣與氯烷自由基的進一步取代，造成氯氣不能完全反應，最后氯氣的黃綠色不能完全褪盡。經過多次的實驗，不斷調整氯氣與乙烷的體積比例，氯氣與乙烷的體積按3︰2的比例(即在100 mL的針筒中吸入60 mL的氯氣和40 mL的乙烷氣體)，反應現象最理想。反應速度也快。實驗裝置如圖4。當光照一分鐘左右活塞開始上升，立即升至140 mL左右，活塞馬上開始回落至100 mL，等待片刻，冷卻后，針筒內混合氣體體積減為95 mL左右。同時看到針筒內氣體漫漫凝結成黃綠色小霧滴，且在針筒的中心黃綠色小霧滴不斷上升，而在四周不斷回落，這樣的現象持續約一分鐘左右，然后黃綠色褪盡，針筒壁上出現明顯的無色油狀液滴。這種細微的精彩現象，是甲烷與氯氣反應所看不到的，無色油狀液滴的量比甲烷與氯氣反應要多的多。反應前后氣體的體積差也比甲烷與氯氣反應的體積差大的多。對針筒內氯化氫氣體的檢驗，與甲烷與氯氣取代反應實驗相同。