溴乙烷與氫氧化鈉在不同溶劑中發生的反應

孟令澍

摘 要：化學是一門以實驗為基礎的科學。化學實驗在化學教學中占有十分重要的地位。通過比較溴乙烷的取代反應和消去反應實驗可得出這樣的結論：溴乙烷與氫氧化鈉在水和乙醇兩種不同的溶劑中的反應情況不同，說明溶劑對反應有影響，溶劑極性越強越有利于溴乙烷的取代反應，越不利于消去反應。

關鍵詞：高中化學 化學實驗 溴乙烷 氫氧化鈉

在學習人教版選修5《有機化學基礎》第二章第三節“鹵代烴”時，教材42頁中的“思考與交流”部分的內容（比較溴乙烷的取代反應和消去反應）引起了我的注意，教材中沒有演示實驗，于是我想親自動手完成這兩個實驗并解決心中的疑問，如“反應中氫氧化鈉、水和乙醇各有什么作用”“反應歷程是怎樣的”“實驗的生成物如何檢驗”“實驗條件如何控制”等。

教材中沒有明確溴乙烷性質的實驗方案，所以需要自己來設計實驗方案。在設計實驗方案之前，我主要考慮的問題有：氫氧化鈉水溶液濃度為多少最適宜？反應物的用量分別為多少適宜？實驗是否需要加熱？預測生成物及如何檢驗生成物？檢驗時藥品加入順序？產物中可能含有哪些副產物？溴乙烷有哪些物理性質？實驗中要采取哪些措施來保證人身和實驗的安全？帶著這些問題我仔細閱讀了教材，并查閱了相關資料。溴乙烷的沸點是38.4℃，較易揮發，密度比水大，難溶于水，溶于多種有機溶劑，溴乙烷蒸氣有讓人不愉快的氣味，且溴乙烷蒸氣有毒（這些性質在實驗時都有所感受），所以做實驗時我戴上了簡易防毒面具。用滴管取溴乙烷時它容易從滴管中自動滴落，且滴到實驗臺上的藥品迅速揮發。

一、溴乙烷在氫氧化鈉水溶液中的取代反應

實驗儀器：小試管、膠頭滴管。試劑：溴乙烷、10%的氫氧化鈉溶液、稀硝酸、硝酸銀溶液。反應條件：常溫。在具體操作中應完成以下四組對比實驗，具體操作、觀察到的現象和解釋（結論）如下。

實驗1：取少量溴乙烷于試管中加幾滴硝酸銀溶液，無明顯現象。由此可知溴乙烷中只有溴原子。

實驗2：取少量溴乙烷于試管中，再加適量水并振蕩，幾分鐘后，用膠頭滴管取少量上層液體于另一支試管中，滴加硝酸銀溶液，無明顯現象。由此可知溴乙烷不溶于水，也不與水發生反應。

實驗3：取少量溴乙烷，再加入氫氧化鈉溶液（體積比1∶3）于試管中并振蕩，幾分鐘后用膠頭滴管取少量上層液體于另一支試管中，滴加硝酸銀溶液，出現黑褐色沉淀。

解釋：加入的硝酸銀與溶液中剩余的氫氧化鈉反應生成氫氧化銀，氫氧化銀立即分解為氧化銀。未能檢驗出反應的產物。

實驗4：取少量溴乙烷，再加入氫氧化鈉溶液（體積比1∶3）于試管中，幾分鐘后，用膠頭滴管取少量上層液體于另一支試管中，先加稀硝酸，并用pH試紙檢驗，若呈酸性，再滴加硝酸銀溶液，出現淡黃色沉淀。

解釋：反應中溴乙烷中的溴原子轉變為溴離子進入溶液，溴原子的位置被羥基所取代生成乙醇。

至此，我心中還有一個疑問：溴乙烷轉變為乙醇，那么溴乙烷中的溴到底是被氫氧化鈉中的氫氧根取代了還是被水中的羥基取代了呢？我帶著疑問，開始查閱大學教材《有機化學》，以尋找答案。

原來溴乙烷的取代反應屬于親核取代SN2型（雙分子）歷程，氫氧化鈉中的OH-進攻碳溴鍵的碳原子導致溴原子以溴離子脫離分子，水提供了極性溶劑的環境。又因為碳溴鍵的極性較強，較容易被取代。此反應在常溫下即可發生（但實驗中油狀物的量并沒有明顯減少，可見反應也不是特別快），可適當加熱以加快反應速率。

二、溴乙烷在氫氧化鈉乙醇溶液中的消去反應

這個實驗幾經周折，經歷多次失敗，我絞盡腦汁查找資料、調整方案和裝置，最后收獲了成功。我精心準備第一批實驗藥品：溴乙烷、飽和氫氧化鈉的乙醇溶液（溶解時需要不斷加熱至沸騰）、0.001%酸性高錳酸鉀溶液。實驗裝置分三部分：制氣裝置（制乙烯）——除雜（除乙醇蒸氣）——檢驗乙烯。儀器選擇的原則是盡量簡易，根據實驗中要使用帶導管的單孔或雙孔膠塞的要求，我選用了短而粗的試管。反應條件：水浴加熱，簡易裝置圖如圖1：

第一次實驗：水浴溫度從室溫開始逐漸升溫。在大試管中加入5 mL溴乙烷和15 mL飽和氫氧化鈉乙醇溶液，水浴加熱，溫度逐漸升高，當升溫至40℃開始有氣泡冒出。導出氣體先通入盛有水的試管中除雜，再通入0.001%高錳酸鉀溶液中，氣泡量較少并沒有使高錳酸鉀溶液褪色。繼續升溫至60℃，產生氣泡量逐漸增多，但高錳酸鉀溶液依舊未褪色。繼續升溫至70℃，產生氣泡開始增多，但又逐漸減少，高錳酸鉀溶液依舊未褪色，而且除雜裝置中的水開始發生倒吸，實驗被迫終止，實驗失敗。

失敗原因：實驗中制氣裝置反應很明顯有氣泡產生，除雜試管中氣泡量也較大，但進入檢驗的小試管中的氣體量很少，酸性高錳酸鉀溶液不褪色，說明乙烯的產率很低。乙烯產率低的原因是溫度逐漸升高，加熱時間過長，溴乙烷揮發過多，反應速率較慢導致的。

改進措施：水浴溫度直接選取了60℃～70℃，以加快反應速率。

第二次實驗：水浴溫度直接選取了60℃～70℃，實驗果然劇烈了許多，氣泡量增加，我滿懷欣喜地盯著酸性高錳酸鉀溶液的顏色，5分鐘后氣泡逐漸減少，但酸性高錳酸鉀溶液卻沒有褪色，裝置又開始倒吸，實驗終止，實驗失敗。

為什么產生的乙烯量還是那么少？我開始查閱《有機化學》，研究溴乙烷的消去反應歷程。該書中以1-溴丙烷為例，解釋了其消去反應為雙分子消除（E2）歷程，在1-溴丙烷與氫氧化鈉的乙醇溶液發生消去反應時，同時又發生了取代反應，其中消去反應產物占9%，而取代所得產物占91%。那么在溴乙烷與氫氧化鈉醇溶液中，消去反應和親核取代反應是同時進行的，而且相互競爭，這一類鹵代烴的反應中，消去反應不占優勢。通過這個過程，我更加深刻地理解了有機反應通常伴有副反應發生，因此化學反應方程式中用“→”表示。弄明白了溴乙烷制得乙烯的實驗不是那么容易發生的問題后，又該如何改進實驗得到更多的乙烯呢？

實驗突破：教材中的一句話提醒了我，“溴乙烷在強堿（氫氧化鈉或氫氧化鉀）的乙醇溶液中可以發生消去反應”，于是我將氫氧化鈉換成氫氧化鉀再次進行實驗。

改進措施：改用飽和氫氧化鉀的乙醇溶液（溶解時需要不斷加熱至沸騰），水浴溫度直接提高到70℃。

第三次實驗：我使用飽和氫氧化鉀的乙醇溶液，又將水浴溫度直接提高到70℃。這次實驗比前兩次更劇烈了，有大量氣泡生成，我興奮地期待酸性高錳酸鉀溶液能褪色，5分鐘后氣泡又逐漸減少，裝置又開始倒吸，酸性高錳酸鉀溶液的顏色依舊沒有褪去，實驗失敗。

實驗的溫度多少才合適呢？這樣一組數據給了我新的靈感：氫氧化鈉在100 mL無水乙醇中，沸騰狀態時溶解10.0 g，溶液沸點為85℃；氫氧化鉀在100 mL無水乙醇中，沸騰狀態時溶解47.6g，溶液沸點為116℃。

改進措施：（1）選取95℃水浴（讓酒精燈火焰盡量集中，放置網罩）。（2）將制氣裝置的導氣管上下加長，起到冷凝回流的作用，防止倒吸。

第四次實驗：在95℃水浴下，反應更加劇烈，上下加長的導氣管有效地起到了冷凝回流的作用，盡管如此，除雜試管中的水底部仍有大量溴乙烷蒸出并冷凝，隨著大量氣泡通入酸性高錳酸鉀溶液，高錳酸鉀溶液顏色逐漸變淺并最終褪色，實驗成功。

三、幾點思考和感悟

1.由于溴乙烷與氫氧化鈉在水和乙醇兩種不同的溶劑中的反應情況不同，這說明溶劑對反應有影響，溶劑極性越強越有利于溴乙烷的取代反應，越不利于消去反應。另外，實驗中溴乙烷的消去反應不容易發生，并不能推廣到所有鹵代烴，有些鹵代烴是很容易發生消去反應的，反應的難易與鹵代烴的結構有關。

2.在實驗和總結過程中，我從網上查找了很多篇關于溴乙烷性質的文章，給了我很多啟發，解決了我心中的諸多疑問，幫助我走出了困境，讓我以最快的方式找到解決問題的方法。同時，我在閱讀文章時，對有些實驗者所寫的兩個觀點不太認同：第一，有的作者提到“溴乙烷和氫氧化鉀乙醇溶液不相容”的說法，我在實際實驗中看到溴乙烷和氫氧化鉀乙醇溶液是相互溶解的。第二，有些實驗者在用溴乙烷制備乙烯的實驗中，沒有通過裝水的洗氣瓶而是直接將氣體通入酸性高錳酸鉀溶液，觀察到高錳酸鉀溶液褪色，即說明有乙烯生成。這種做法是不嚴密的，因為乙醇蒸氣也能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，必須用除雜裝置除去乙醇。對于有關向溴乙烷中直接加入硝酸銀溶液時的現象問題。我做實驗時沒有見到淡黃色沉淀，但有些實驗者在溴乙烷中加入稀硝酸銀溶液，開始的幾分鐘無變化，但過幾分鐘后也有淡黃色沉淀。解釋說法不一，我將在以后的學習中繼續研究。

參考文獻：

[1]東北師范大學，華南師范大學.有機化學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]羅登響，楊一思.制取乙烯實驗的問題研究與教學思考[J].中學化學教學參考，2014（3）.