淺談硫酸在高中階段涉及有機化學反應中的應用

門英倩+馮麗娜

摘要：在高中階段的有機化學反應中很多用到硫酸，在高中階段，學生系統的掌握硫酸的應用，有利于學生對有機化學反應規律的理解。

關鍵詞：濃硫酸；催化作用；脫水作用；吸水作用

O643.3

在高中階段有機化學教學中涉及到很多用到硫酸的反應。例如，苯和濃硝酸、濃硫酸混合水浴50～60℃制備硝基苯，乙醇和濃硫酸混合在170℃制備乙烯，在140℃制得乙醚，乙酸和乙醇、濃硫酸混合加熱制備乙酸乙酯，二糖、多糖在有硫酸的條件下水解。在高中階段，學生系統的掌握硫酸的應用，有利于學生對有機化學反應規律的理解。從高中課本來看，硫酸在有機化學反應中的應用主要有以下幾點作用：

一、濃硫酸的催化作用和脫水作用

在有些有機反應中濃硫酸不僅提供氫離子起著催化作用，同時還使有機物按水的組成從有機物中奪取氫元素和氧元素而起到脫水作用。例如：

1.乙醇的消去反應

乙醇和濃硫酸混合迅速升溫到170℃可以制得乙烯，屬于醇的消去反應。

實驗步驟：在長頸圓底燒瓶中加入乙醇和濃硫酸（體積比約為1：3）的混合液20mL（配制體積比為1：3的乙醇與濃硫酸混合液的方法：在燒杯中加入5mL95%乙醇，然后，滴加15mL濃硫酸，邊加邊攪拌，冷卻備用），放入幾片碎瓷片，以避免混合液在受熱時暴沸。加熱混合液，使液體溫度迅速升溫到170℃，將生成的氣體通入高錳酸鉀酸性溶液和溴的四氯化碳溶液中。

反應機理：乙醇遇到濃硫酸后，硫酸分子中的氫離子和乙醇分子作用生成烊鹽，在170℃時，烊鹽中的氧帶有部分正電荷，使碳和氧之間的電子云更加偏向于氧，使得碳氧之間的化學鍵斷裂，生成不穩定的碳正離子，從相鄰碳原子上失去氫而生成乙烯。在整個過程中，氫離子起到了至關重要的作用，才使得后續反應繼續進行。濃硫酸在這個反應中，起催化作用和脫水作用，但主要起催化作用。

2.乙醇分子間脫水生成二甲醚

乙醇和濃硫酸混合迅速升溫到140℃可以制得二甲醚，分子間脫水，屬于取代反應，相當于一個乙醇分子中的羥基被另一個乙醇分子中的烷基取代。反應機理：乙醇遇到濃硫酸后，硫酸分子中的氫離子和乙醇分子作用生成烊鹽，在140℃時，烊鹽與另一個乙醇分子形成中間體，再失去一個質子形成二甲醚。在整個過程中，也是氫離子起主要作用，所以濃硫酸在這個反應中起催化作用和脫水作用，但催化作用占主要地位。

二、濃硫酸的催化作用和吸水作用

1.乙醇和乙酸的酯化反應

乙醇和乙酸、濃硫酸混合加熱時生成乙酸乙酯和水，這是一個可逆反應。

實驗步驟：在一支試管中加入3mL乙醇，然后邊振蕩試管邊慢慢加入2mL濃硫酸和入2mL乙酸；用酒精燈緩慢加熱試管，將產生的蒸氣經導管通到飽和碳酸鈉溶液的液面上。

實驗現象：液面上有透明的不溶于水的油狀液體產生，并可以聞到香味，這種香味來自于乙酸乙酯。

反應機理：氫離子先和乙酸分子上的酰基上的氧結合，使乙酸分子中羧基中的碳原子的電子云密度降低，有利于親核試劑乙醇分子的進攻，乙醇分子進攻羧基上帶有正電荷的碳原子，形成中間體，再失去一分子水，然后再失去一個質子就生成乙酸乙酯。有文獻認為在這個反應中濃硫酸起催化作用和脫水作用。但是由于該反應是可逆反應，濃硫酸吸收水，促進該反應向正向進行，所以濃硫酸在乙醇和乙酸的酯化反應中應該是催化作用、脫水作用、吸水作用都有，但是在高中階段，認為在這個反應中主要起催化作用和吸水作用。

22.苯的硝化反應

苯和濃硝酸、濃硫酸混合水浴50～60℃可以制得硝基苯。反應機理：濃硫酸與硝酸作用，生成硝酰正離子（+NO2）和水，這是一個可逆過程，同時因濃硫酸具有吸水性，吸收了苯硝化反應中生成的水，保持了反應中的硝酰正離子的濃度，硝酰正離子有利于硝基苯的生成，從而有利于反應的進行。所以濃硫酸在苯的硝化反應中起催化和吸水的雙重作用。

三、稀硫酸的催化作用

在二糖和多糖水解反應中，常加入稀硫酸。沒有稀硫酸，幾乎是不水解的。硫酸在二糖、多糖水解反應中只起催化作用。

綜上所述，在高中階段的有機化學反應中，濃硫酸在乙醇的消去反應和分子間脫水的反應中起催化作用和脫水作用；濃硫酸在乙醇和乙酸的酯化反應和苯的硝化反應中起催化作用和吸水作用；稀硫酸在二糖和多糖水解的反應中，只起催化作用。

參考文獻：

[1]普通高中課程標準實驗教科書.化學選修5：有機化學基礎[M].人民教育出版社，2007年2月第2版，51頁.

[2]普通高中課程標準實驗教科書.化學必修2[M].人民教育出版社，2007年3月第3版，75-76頁.