溴乙烷制備實(shí)驗(yàn)的自分離裝置設(shè)計(jì)

羅兵

摘要：利用圓底燒瓶、分水器、球形分液漏斗設(shè)計(jì)出一種自分離式的溴乙烷制備裝置，改進(jìn)加熱方式、減少Br-的氧化，適當(dāng)增大NaBr的用量，制備得到更多的溴乙烷，新設(shè)計(jì)的裝置簡(jiǎn)潔、美觀、便于觀察、便于操作、便于及時(shí)分離出溴乙烷。

關(guān)鍵詞：溴乙烷；自分離裝置；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

文章編號(hào)：1008-0546（2016）08-0091-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.030

一、問(wèn)題的提出

溴乙烷的制備實(shí)驗(yàn)是一個(gè)利用親核取代原理進(jìn)行合成的基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)，是上教版中學(xué)化學(xué)拓展性課程“第8章烴的衍生物第8.2節(jié)醇和酚”中一個(gè)重要的課堂演示實(shí)驗(yàn)，旨在說(shuō)明乙醇的醇羥基在一定條件下可以被溴原子取代形成溴乙烷[1]，這個(gè)有機(jī)實(shí)驗(yàn)也常見(jiàn)于高等教育有機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教科書[2-4]中。已有部分文獻(xiàn)對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多角度的討論與研究。比如：《溴乙烷制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)》一文主要從反應(yīng)裝置的改進(jìn)、加料順序的變化來(lái)提高反應(yīng)速率和節(jié)省反應(yīng)物用量[5]；《溴乙烷制備實(shí)驗(yàn)的重新設(shè)計(jì)》一文主要從改進(jìn)反應(yīng)裝置、加料順序以節(jié)省反應(yīng)試劑、充分利用反應(yīng)物質(zhì)混合時(shí)放出的熱量和減少環(huán)境污染[6]；《關(guān)于乙醇與氫溴酸反應(yīng)制備溴乙烷的討論》一文主要從針對(duì)刊登在《化學(xué)教學(xué)》1998年第2期《一道考核多種能力的有機(jī)試題》中典型習(xí)題的若干質(zhì)疑而產(chǎn)生系列討論，論文主要從反應(yīng)的親核取代原理、反應(yīng)裝置選擇、產(chǎn)物分離方式、涉及本實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)考查注意要點(diǎn)等方面予以討論[7]。這些研究都從不同視角在一定程度上優(yōu)化了溴乙烷制備實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)。上教版中學(xué)化學(xué)教材關(guān)于溴乙烷制備實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：裝置由酒精燈、圓底燒瓶、長(zhǎng)導(dǎo)管、試管組成；需要的藥品及用量教材描述為：2～3 g（0.02 mol～0.03 mol）固體NaBr、少量乙醇（未告知用量）、體積比為1：1的硫酸（要求體積是乙醇用量的2倍）、冰水混合物（置于如圖1所示的試管中）。按照教材所提供的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：所用時(shí)間較長(zhǎng)；產(chǎn)生的溴乙烷含量少，試管底部無(wú)色油狀液體的高度接近0.5 cm，不便于學(xué)生觀察；且教材裝置圖中所提供的圓底燒瓶過(guò)大，與試劑用量不匹配，使得一部分溴乙烷留在圓底燒瓶中難以揮發(fā)出來(lái)、有不妥之處。為彌補(bǔ)這兩處缺陷，針對(duì)課堂演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)適當(dāng)改變了藥品的用量。設(shè)計(jì)出一種制備溴乙烷的自分離裝置，如圖2所示。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1. 實(shí)驗(yàn)原理

乙醇是伯醇，它與氫溴酸的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，屬于 SN2（雙分子親核取代）機(jī)理，反應(yīng)底物乙醇的空間位阻較小，利于Br-的親核進(jìn)攻，這促使反應(yīng)速率較快；其次，產(chǎn)物溴乙烷沸點(diǎn)較低（38.4℃），容易蒸出，這就決定溴乙烷制備時(shí)采用邊加熱邊蒸出的方式，可促使反應(yīng)進(jìn)行得更徹底；再次，溴乙烷有很強(qiáng)的揮發(fā)性（4.5℃時(shí)，蒸汽壓為26.7 kPa；20℃時(shí)，蒸汽壓為51.5kPa），其蒸氣有一定毒性，并能和空氣形成爆炸性混合物（爆炸極限為6.75%～11.25%），故反應(yīng)裝置必須充分體現(xiàn)防止溴乙烷外逸。考慮到溴乙烷密度比水大，難溶解于水的特點(diǎn)，反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)時(shí)采取如下措施：引入分水器，分水器帶活塞部分注入冰水、分水器上置球型冷凝管并通過(guò)冷凝水冷卻，將冷凝后下沉到分水器活塞下端的溴乙烷水封。由于氫溴酸揮發(fā)性很強(qiáng)，難以保存，實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有現(xiàn)存的氫溴酸，且市場(chǎng)上也難以買到制備好的氫溴酸，因此，一般通過(guò)在反應(yīng)瓶中現(xiàn)制氫溴酸，再立即與乙醇發(fā)生取代反應(yīng)。制備氫溴酸一般選用濃硫酸與蒸餾水配制而成的體積比為1：1的中等濃度的硫酸，從而可以防止乙醇被碳化和溴化氫被氧化的程度。方程式為：

2.實(shí)驗(yàn)裝置

自分離式溴乙烷制備裝置主要由100 mL圓底燒瓶、分水器、球形冷凝管、夾持儀器構(gòu)成，上圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置中帶鐵夾的鐵架臺(tái)等夾持儀器省略，實(shí)驗(yàn)時(shí)按照?qǐng)D2所示，組裝儀器。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配制體積比為1：1的硫酸：備50 mL小燒杯一只，量筒量取10 mL蒸餾水注入其中，再用量筒量取10 mL 98%的濃硫酸，沿?zé)诼⑷氲叫校貌ＡО舨粩鄶嚢瑁鋮s到室溫、備用。

（2）調(diào)整鐵夾高度至合理位置，鐵夾夾持住100 mL圓底燒瓶，向其中加入6.00 g NaBr（0.06 mol）固體，加入10 mL無(wú)水乙醇（0.17 mol），再慢慢加入20 mL已配制好的1：1硫酸。

（3）圓底燒瓶上端接分水器，關(guān)閉分水器活塞，內(nèi)注入2mL蒸餾水，備用。

（4）分水器上端接球形冷凝管，接通冷凝水。（注：若要在課堂上演示，可先將球形冷凝管進(jìn)水端用塑料膠頭封住，從出水端注入冷水或冰水。）

（5）用酒精燈或用熱風(fēng)槍加熱燒瓶，3 min后即可有明顯現(xiàn)象。

4. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）酒精燈加熱圓底燒瓶，過(guò)程中混合液體逐漸變微黃，約3 min后，混合液開(kāi)始沸騰，分水器上部空間有大量氣體冷凝為油狀液體，油狀液體沿分水器壁自動(dòng)下沉到帶活塞部分的底端而與反應(yīng)液分離。后改為間歇式加熱至第7 min，油狀液體明顯減少，液面分層明顯，停止加熱，冷卻后測(cè)量油狀液體高度為2.5 cm。

（2）若用熱風(fēng)槍加熱，混合液基本不變黃，測(cè)得油狀液體高度為3 cm。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新之處

1. 新設(shè)計(jì)的自分離式溴乙烷制備裝置結(jié)構(gòu)美觀，做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩套裝置對(duì)比研究，易于激起學(xué)生的興趣、促進(jìn)學(xué)生的仔細(xì)觀察和認(rèn)真思考。

2. 由于分水器獨(dú)特的構(gòu)造，使得產(chǎn)物在冷凝后自動(dòng)聚集在分水器帶活塞的尖嘴部分，與開(kāi)始加入的水形成清晰的界面，便于觀察，便于學(xué)生思考和歸納溴乙烷的物理性質(zhì)。

3. 教材實(shí)驗(yàn)圖1所示中儀器連接處用橡皮管，易于被有機(jī)物腐蝕，圖2所示裝置采用標(biāo)準(zhǔn)玻璃接口有效避免了這個(gè)問(wèn)題。

4. 增加了NaBr固體的用量，使得產(chǎn)生的溴乙烷比教材實(shí)驗(yàn)制得的溴乙烷多幾倍，更利于學(xué)生的觀察。

5. 改用酒精燈或熱風(fēng)槍間歇式加熱，大大減少了Br-的氧化，使得反應(yīng)完畢后得到的溴乙烷為無(wú)色。

6. 本套實(shí)驗(yàn)裝置還可用來(lái)制備乙酸丁酯、乙酸乙酯，實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)用的普遍化。

參考文獻(xiàn)

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