乙酸乙酯制備演示實驗的改進

朱志榮

摘要：就中學化學教材中乙酸乙酯制備演示實驗的裝置、反應物用量、催化劑選擇、操作方法等相關問題，結合自身教學實踐，闡述了作者的觀點和改進措施，力求乙酸乙酯制備演示實驗的經濟環保、安全高效、可觀察性和可操作性。

關鍵詞：乙酸乙酯；制備；演示實驗；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）2–0059–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

乙酸乙酯的制備方法比較多[1]，適用于中學化學課堂演示的一般是用乙酸和乙醇的酯化反應來制備乙酸乙酯。關于該反應所用催化劑以及加熱方法，不同的資料或教科書均有不同的方式方法。目前魯教版[2]、蘇教版[3]、人教版[4]高中化學必修2均采取濃硫酸作催化劑、酒精燈加熱法；上科版[5]采用水浴加熱法，并且針對該法還有文章作出了改進[6]。通過教學實踐，這些方法仍存在一些值得商榷的地方。筆者就上科版、蘇教版等教材關于乙酸乙酯制備課堂演示實驗結合自己教學實踐談一些看法。

1 催化劑的選擇

酯化反應原理是：

質子（H+）是反應中的催化劑，就一般中學實驗室條件而言，濃硫酸是最常用易得的催化劑，事實上大多數教材也都首選濃硫酸作催化劑。濃硫酸既是催化劑也是反應中的吸水劑，加快速率也能使酯化反應正向移動，利于酯的生成，但使用濃硫酸作催化劑的缺點一直為人詬病：容易出現反應物碳化現象，生成乙醚、二氧化硫等，副反應較多、影響觀察。實踐證明減少濃硫酸用量能有效減少副反應，對酯的生成影響也不大。選用固體酸、雜多酸、無水四氯化錫（路易斯酸）做催化劑雖然效果不錯，但受成本和藥品來源等因素影響，事實上并不易成行。稀硫酸（8 mol/L）或其他無機酸也可以作為催化劑，催化效果也不錯。

2 加熱方式的對比

如果側重于考慮酯的產率和質量，先回流后蒸餾法無疑是首選，酯的產率高、純度好但操作較繁瑣。為減少反應步驟節省課堂授課時間，目前符合課堂演示“短平快”特點的較普遍的制備方法是連續操作的酯化蒸餾法，即酯的生成和酯的蒸餾在同一裝置中不間斷進行，但這存在著在反應溫度較高情況下酯化反應未達到平衡反應物就被蒸出反應器影響酯的產率問題，如酒精燈加熱法（如圖1）。選擇水浴加熱法（如圖2），雖易于控制溫度且給熱均勻，能夠大大減少酸、醇的蒸發，但受到水浴溫度低（最高100℃）、給熱環境開放、玻璃材質不易導熱、蒸氣流過線路長（用于反應器的大試管一般20cm）等限制，反應液實際受熱溫度難以達到酯化反應溫度的要求，反應慢，時間長，特別是成酯后不容易被蒸出，實際出酯較少，反應現象大打折扣。實驗證明，在近100℃水浴中，反應液不易沸騰，加熱較長時間后，反應器壁上才有油狀物回流，很少有餾出液，在接收試管中收集到的酯微乎其微，因此敞開環境下的水浴加熱法不十分理想。李嘉改進后的套管水浴加熱法效果不錯，值得推廣[7]。油浴加熱法也見諸一些文章，油浴法溫度高、加熱均勻但缺少可操作性和安全性，作為課堂演示實驗一般也不宜采用。而酒精燈加熱法雖然給熱不很均勻，但操作方便，可保證反應和蒸餾的溫度要求，耗時少、出酯快。利用溫度計控制酒精燈加熱時間，在加熱的試管下方墊石棉網（熱容大），采用空氣浴、間歇式加熱等方式可避免溫度過高、受熱不均勻等缺陷。同時，調整反應裝置，將導氣管豎直方向設計長一點，也可有效減少酸和醇的揮發。這種加熱法實用性強，實際使用效果利大于弊（如圖3）。

3 用料量的確定

乙酸和乙醇理論用量為1：1（物質的量之比），考慮酯化反應為可逆反應，增大一種反應物濃度可提高酯的產率。研究資料表明[8]，等物質的量酸和醇反應酯的產率最低，酸或醇過量均可提高酯的產率，但醇過量的產率優于酸過量的產率，當乙醇對乙酸過量1.5倍時產率最高（如表1），所以選n（乙醇）：n（乙酸）=3：2，由無水乙醇57.20 mL/mol，冰醋酸62.13 mL/mol，可得V（乙醇）： V（乙酸）=1.38：1，鑒于演示實驗常用試管規格、考慮取用方便以及應取得明顯的現象等要求，確定3mL乙醇和2mL冰醋酸為宜。這也是大多數教材演示實驗所確定的用料量。

4 幾組實驗數據的比較

每組用料：3mL無水乙醇+2mL冰醋酸+5mL飽和碳酸鈉溶液（加幾滴酚酞）

裝置如圖3：反應器試管規格2cm×20cm，接收酯試管規格1.4cm×15cm，除第8組外，每組停止收集餾出液以控制90℃左右時餾出液不再明顯滴入為準，以減少對比誤差。

5 實驗條件的綜合考量

5.1 溫度

與先回流后蒸餾法不同，采用連續操作的酯化蒸餾法演示酯的生成既要考慮加快速率，又要盡可能減少反應液的揮發確保一定量酯的生成，決定了反應溫度不宜太高或太低。溫度太低則反應慢，成酯等待時間長，酯難以被蒸出；溫度太高，副反應多，原料蒸發嚴重，酯的產率反而大大降低。實踐證明，在演示實驗現有條件下（藥品用量、反應器試管長度等）進行酯化反應的溫度大約在70～80℃之間為宜，這個溫度是減少乙醇（沸點是78.4℃）揮發的最高溫度區間。從1、4、5、7四組實驗來看，情況基本類似：反應液受熱不到1分鐘，溫度迅速上升，70℃左右微沸，80℃左右劇烈沸騰，83℃左右溫度上升較慢（酯被蒸出），由于反應液與蒸氣出口有段空間距離且部分餾出液被冷凝回流，到85℃左右才有大量餾出液。控制反應液溫度停留在85～90℃足夠長時間（實際上此時蒸氣出口溫度在80℃左右）。待酯蒸出后，餾出液會驟然減少，這是停止收集餾出液的時刻，如果讓溫度繼續攀升越過85～90℃溫度區間延長收集餾出液時間則會影響酯的產率和純度，第8組實驗數據證實這點。準確控制溫度是本次試驗的關鍵，這是在裝置中加入一支溫度計的原因，使用溫度計控制溫度也使實驗更安全。由于100℃水浴作為熱源不能保證餾出液的蒸出，酒精燈加熱法便成為一種可靠的熱源，但加熱過程中要處理好反應快慢和化學平衡間的關系。在低溫段（70～80℃）控制溫度停留時間盡可能長一點，以保證酯化反應的平衡狀態的形成，提高酯的產率；在控制高溫段（85～90℃）足夠長時間（保證酯的濃度減少）后，一旦發現餾出液明顯減少即可停止反應。所有溫控要求都是通過溫度計調節酒精燈焰大小以及間歇式加熱操作方式來實現。

5.2 催化劑

“3mL無水乙醇+2mL冰醋酸+2mL濃硫酸”這種配比物料的催化劑用量確實值得商榷[9～11]，從實驗結果看，2mL濃硫酸給酯的制備帶來較多的副反應，既造成環境污染也造成原料浪費。而減少濃硫酸的用量（0.2mL濃硫酸）、降低濃度（8 mol/L 2mL硫酸）來作催化劑并不顯著減少酯的產率，且經濟環保、簡約安全，應該得到推廣和應用。第5組實驗是為了驗證無水硫酸鈉在反應中能否顯示吸水作用，從第4、5、6組實驗對比結果看，其吸水性并不明顯。而值得注意的是，從第1、7組數據結果來看，相對于8 mol/L硫酸，等體積的濃硫酸的吸水作用并不明顯，其中原因有待于繼續研究。

5.3 其他改進

在接收酯的裝置中，如果導管口置于飽和碳酸鈉溶液液面上，餾出物蒸氣難免逸散到空氣中，造成產品損失和空氣污染；直接插入吸收液中又容易引起倒吸。如果導管上接入一個干燥管浸在吸收液中，可以起到冷凝餾出物使蒸氣完全吸收和防止倒吸問題。

6 演示實驗的改進措施

實驗改進裝置如圖3。

乙酸乙酯制備演示實驗是為了演示酯的生成原理和過程，在一般情況下，能有目的地引導學生觀察實驗中酯的生成狀態，認識酸、醇、酯的性質，培養學生實事求是的科學態度、安全環保意識和綠色化學思想。筆者提出的改進措施使乙酸乙酯課堂演示制備實驗具有較好的實用性、可操作性和科學性，更符合課堂教學的要求。

參考文獻：

[1]丁愛軍，王金龍.制備乙酸乙酯的新研究和反思[J].化學教育，2010，（5）：13.

[2][9]王磊主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2007：80.

[3][10]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2007：71.

[4][11]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2004：69.

[5]姚子鵬主編.化學（高中二年級第二學期）[M].上海：上海科學技術出版社，2004：13.

[6][7]李嘉.制備乙酸乙酯演示實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2013，（1）：27.

[8]刁開盛等.實驗室制備乙酸乙酯的改進[J].廣西民族學院學報（自然科學版），2006，12（1）：55～58.