孟令澍

摘 要：化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中占有十分重要的地位。通過比較溴乙烷的取代反應(yīng)和消去反應(yīng)實(shí)驗(yàn)可得出這樣的結(jié)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(yīng)情況不同，說明溶劑對(duì)反應(yīng)有影響，溶劑極性越強(qiáng)越有利于溴乙烷的取代反應(yīng)，越不利于消去反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué) 化學(xué)實(shí)驗(yàn) 溴乙烷 氫氧化鈉

在學(xué)習(xí)人教版選修5《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》第二章第三節(jié)“鹵代烴”時(shí)，教材42頁(yè)中的“思考與交流”部分的內(nèi)容（比較溴乙烷的取代反應(yīng)和消去反應(yīng)）引起了我的注意，教材中沒有演示實(shí)驗(yàn)，于是我想親自動(dòng)手完成這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)并解決心中的疑問，如“反應(yīng)中氫氧化鈉、水和乙醇各有什么作用”“反應(yīng)歷程是怎樣的”“實(shí)驗(yàn)的生成物如何檢驗(yàn)”“實(shí)驗(yàn)條件如何控制”等。

教材中沒有明確溴乙烷性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案，所以需要自己來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(yīng)物的用量分別為多少適宜？實(shí)驗(yàn)是否需要加熱？預(yù)測(cè)生成物及如何檢驗(yàn)生成物？檢驗(yàn)時(shí)藥品加入順序？產(chǎn)物中可能含有哪些副產(chǎn)物？溴乙烷有哪些物理性質(zhì)？實(shí)驗(yàn)中要采取哪些措施來保證人身和實(shí)驗(yàn)的安全？帶著這些問題我仔細(xì)閱讀了教材，并查閱了相關(guān)資料。溴乙烷的沸點(diǎn)是38.4℃，較易揮發(fā)，密度比水大，難溶于水，溶于多種有機(jī)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(zhì)在實(shí)驗(yàn)時(shí)都有所感受），所以做實(shí)驗(yàn)時(shí)我戴上了簡(jiǎn)易防毒面具。用滴管取溴乙烷時(shí)它容易從滴管中自動(dòng)滴落，且滴到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的藥品迅速揮發(fā)。

一、溴乙烷在氫氧化鈉水溶液中的取代反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(yīng)條件：常溫。在具體操作中應(yīng)完成以下四組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體操作、觀察到的現(xiàn)象和解釋（結(jié)論）如下。

實(shí)驗(yàn)1：取少量溴乙烷于試管中加幾滴硝酸銀溶液，無明顯現(xiàn)象。由此可知溴乙烷中只有溴原子。

實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象。由此可知溴乙烷不溶于水，也不與水發(fā)生反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(yīng)生成氫氧化銀，氫氧化銀立即分解為氧化銀。未能檢驗(yàn)出反應(yīng)的產(chǎn)物。

實(shí)驗(yàn)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(yàn)，若呈酸性，再滴加硝酸銀溶液，出現(xiàn)淡黃色沉淀。

解釋：反應(yīng)中溴乙烷中的溴原子轉(zhuǎn)變?yōu)殇咫x子進(jìn)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(gè)疑問：溴乙烷轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖?，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?guī)е蓡?，開始查閱大學(xué)教材《有機(jī)化學(xué)》，以尋找答案。

原來溴乙烷的取代反應(yīng)屬于親核取代SN2型（雙分子）歷程，氫氧化鈉中的OH-進(jìn)攻碳溴鍵的碳原子導(dǎo)致溴原子以溴離子脫離分子，水提供了極性溶劑的環(huán)境。又因?yàn)樘间彐I的極性較強(qiáng)，較容易被取代。此反應(yīng)在常溫下即可發(fā)生（但實(shí)驗(yàn)中油狀物的量并沒有明顯減少，可見反應(yīng)也不是特別快），可適當(dāng)加熱以加快反應(yīng)速率。

二、溴乙烷在氫氧化鈉乙醇溶液中的消去反應(yīng)

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

第一次實(shí)驗(yàn)：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(dāng)升溫至40℃開始有氣泡冒出。導(dǎo)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(xù)升溫至60℃，產(chǎn)生氣泡量逐漸增多，但高錳酸鉀溶液依舊未褪色。繼續(xù)升溫至70℃，產(chǎn)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(fā)生倒吸，實(shí)驗(yàn)被迫終止，實(shí)驗(yàn)失敗。

失敗原因：實(shí)驗(yàn)中制氣裝置反應(yīng)很明顯有氣泡產(chǎn)生，除雜試管中氣泡量也較大，但進(jìn)入檢驗(yàn)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(chǎn)率很低。乙烯產(chǎn)率低的原因是溫度逐漸升高，加熱時(shí)間過長(zhǎng)，溴乙烷揮發(fā)過多，反應(yīng)速率較慢導(dǎo)致的。

改進(jìn)措施：水浴溫度直接選取了60℃～70℃，以加快反應(yīng)速率。

第二次實(shí)驗(yàn)：水浴溫度直接選取了60℃～70℃，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)終止，實(shí)驗(yàn)失敗。

為什么產(chǎn)生的乙烯量還是那么少？我開始查閱《有機(jī)化學(xué)》，研究溴乙烷的消去反應(yīng)歷程。該書中以1-溴丙烷為例，解釋了其消去反應(yīng)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(fā)生消去反應(yīng)時(shí)，同時(shí)又發(fā)生了取代反應(yīng)，其中消去反應(yīng)產(chǎn)物占9%，而取代所得產(chǎn)物占91%。那么在溴乙烷與氫氧化鈉醇溶液中，消去反應(yīng)和親核取代反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，而且相互競(jìng)爭(zhēng)，這一類鹵代烴的反應(yīng)中，消去反應(yīng)不占優(yōu)勢(shì)。通過這個(gè)過程，我更加深刻地理解了有機(jī)反應(yīng)通常伴有副反應(yīng)發(fā)生，因此化學(xué)反應(yīng)方程式中用“→”表示。弄明白了溴乙烷制得乙烯的實(shí)驗(yàn)不是那么容易發(fā)生的問題后，又該如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)得到更多的乙烯呢？

實(shí)驗(yàn)突破：教材中的一句話提醒了我，“溴乙烷在強(qiáng)堿（氫氧化鈉或氫氧化鉀）的乙醇溶液中可以發(fā)生消去反應(yīng)”，于是我將氫氧化鈉換成氫氧化鉀再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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

第三次實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)失敗。

實(shí)驗(yàn)的溫度多少才合適呢？這樣一組數(shù)據(jù)給了我新的靈感：氫氧化鈉在100 mL無水乙醇中，沸騰狀態(tài)時(shí)溶解10.0 g，溶液沸點(diǎn)為85℃；氫氧化鉀在100 mL無水乙醇中，沸騰狀態(tài)時(shí)溶解47.6g，溶液沸點(diǎn)為116℃。

改進(jìn)措施：（1）選取95℃水?。ㄗ尵凭珶艋鹧姹M量集中，放置網(wǎng)罩）。（2）將制氣裝置的導(dǎo)氣管上下加長(zhǎng)，起到冷凝回流的作用，防止倒吸。

第四次實(shí)驗(yàn)：在95℃水浴下，反應(yīng)更加劇烈，上下加長(zhǎng)的導(dǎo)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(shí)驗(yàn)成功。

三、幾點(diǎn)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(yīng)情況不同，這說明溶劑對(duì)反應(yīng)有影響，溶劑極性越強(qiáng)越有利于溴乙烷的取代反應(yīng)，越不利于消去反應(yīng)。另外，實(shí)驗(yàn)中溴乙烷的消去反應(yīng)不容易發(fā)生，并不能推廣到所有鹵代烴，有些鹵代烴是很容易發(fā)生消去反應(yīng)的，反應(yīng)的難易與鹵代烴的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.在實(shí)驗(yàn)和總結(jié)過程中，我從網(wǎng)上查找了很多篇關(guān)于溴乙烷性質(zhì)的文章，給了我很多啟發(fā)，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(shí)，我在閱讀文章時(shí)，對(duì)有些實(shí)驗(yàn)者所寫的兩個(gè)觀點(diǎn)不太認(rèn)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(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)者在用溴乙烷制備乙烯的實(shí)驗(yàn)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(yán)密的，因?yàn)橐掖颊魵庖材苁顾嵝愿咤i酸鉀溶液褪色，必須用除雜裝置除去乙醇。對(duì)于有關(guān)向溴乙烷中直接加入硝酸銀溶液時(shí)的現(xiàn)象問題。我做實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有見到淡黃色沉淀，但有些實(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)中繼續(xù)研究。

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