鮑文亮　林美鳳　劉麗君

摘要： 針對滬科版高中化學(xué)教材中水浴方式加熱制取乙酸乙酯的實驗所需時間較長，并且收集裝置中分層現(xiàn)象并不明顯的問題，從理論上分析濃硫酸在酯化反應(yīng)中的作用，并設(shè)計實驗證明酯化反應(yīng)中氫離子的催化作用。通過改變硫酸濃度，調(diào)整濃硫酸用量以及對水浴加熱裝置的進一步優(yōu)化，得出一種操作簡便、能夠在較短時間內(nèi)有明顯實驗現(xiàn)象的方法，可供課堂演示實驗作參考。

關(guān)鍵詞： 乙酸乙酯制備; 水浴加熱; 氫離子催化作用; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）10006403中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的來源和提出

乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)實驗是中學(xué)化學(xué)重要的有機實驗。人教版、蘇教版、魯科版教材中有關(guān)乙酸乙酯的制取實驗內(nèi)容為： 在試管里加入3mL乙醇，然后一邊搖動，一邊慢慢地加入2mL濃硫酸和2mL冰醋酸，用酒精燈慢慢加熱，將產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)導(dǎo)管通到飽和碳酸鈉溶液的液面上（如圖1所示）。

該方法操作雖簡便，制得乙酸乙酯所需的時間也較短，但是試管內(nèi)溶液的顏色不斷加深，最終變?yōu)樽睾稚?，而且直接加熱副反?yīng)很多，可能生成乙醚、乙烯、二氧化碳、二氧化硫等雜質(zhì)。由于直接加熱，反應(yīng)速率過快，難以控制。

而滬科版化學(xué)教材高二年級第二學(xué)期12.2節(jié)中有關(guān)乙酸乙酯制取的實驗在藥品及用量均不變的情況下，選擇了水浴加熱的方式（如圖2所示）。

盡管水浴加熱避免了溶液炭化以及副反應(yīng)過多的問題，但在實際實驗過程中，實驗耗時過多，一般要10min左右才會出現(xiàn)少許乙酸乙酯，并且試管內(nèi)的分層現(xiàn)象也不明顯。故教師一般還是會采用直接加熱的方式來進行該實驗。

已知乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)所需溫度在80℃左右，理論上在水浴的條件下，是可以生成大量乙酸乙酯的，為什么實際上卻幾乎很難在較短時間內(nèi)看到明顯的分層現(xiàn)象？應(yīng)該采用怎樣的實驗方案可以在水浴條件下，在收集試管中較快地出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象？

2 酯化反應(yīng)中濃硫酸的作用

酯化反應(yīng)一般認為經(jīng)過加成、消去的歷程。質(zhì)子活化的羰基被親核的醇進攻發(fā)生加成，在酸作用下脫水成酯，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)[1]。具體原理如圖3[2]所示：

酯化反應(yīng)速率很慢且反應(yīng)可逆，需要酸催化加快反應(yīng)速率，而提高酯的產(chǎn)率的措施則是增加反應(yīng)物的濃度或除去反應(yīng)生成的水，即隨時把水除去，使得平衡不斷向生成酯的方向移動，以提高產(chǎn)率。濃硫酸可做該反應(yīng)的催化劑和吸水劑，能促使平衡向生成酯的方向移動。盡管濃硫酸能提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但由于以分子形態(tài)為主，氫離子濃度較小，反應(yīng)速率很慢，這是水浴加熱時乙酸乙酯在短時間內(nèi)產(chǎn)量較低的主要原因。

3 濃硫酸的濃度對酯化反應(yīng)影響的探究

3.1 實驗儀器

酒精燈、恒溫水槽、大試管、量筒、長導(dǎo)管、膠頭滴管、單孔橡皮塞、鐵架臺

3.2 實驗藥品

98%濃硫酸、無水乙醇、冰醋酸、蒸餾水、飽和碳酸鈉溶液、濃鹽酸、飽和硫酸鈉溶液

3.3 實驗過程和數(shù)據(jù)

該實驗中濃硫酸與水的體積比例共分七組，各反應(yīng)試管中均加入乙醇2mL和乙酸2mL，水浴采用恒溫槽（98℃左右），反應(yīng)時間設(shè)置為5分鐘，七組實驗在同一個恒溫水槽中進行。實驗結(jié)果見表1。

3.4 實驗討論

（1） 按照該實驗反應(yīng)藥品的體積配比，直接使用濃硫酸在水浴條件下進行酯化反應(yīng)實際上幾

乎觀察不到實驗現(xiàn)象，在課堂演示實驗效果很差，這也是為什么在演示實驗中教師大都愿意選擇直接加熱進行酯化反應(yīng)的原因。

（2） 濃硫酸與水的體積比為2∶3時，產(chǎn)生乙酸乙酯的量最多，在1分鐘左右即很快開始產(chǎn)生乙酸乙酯，3分鐘左右收集試管內(nèi)油層液面高度1.40cm。由于是在水浴中進行該實驗，溫度穩(wěn)定在98℃左右，整個反應(yīng)過程中沒有炭化現(xiàn)象，溶液始終為無色，副反應(yīng)也很少。

（3） 當(dāng)硫酸濃度很稀之后，出現(xiàn)分層現(xiàn)象的時間較晚，且分層現(xiàn)象逐漸不明顯。

4 濃硫酸在酯化反應(yīng)中實際作用的分析

當(dāng)硫酸濃度很大時，此時幾乎沒有酯化現(xiàn)象。隨著濃硫酸濃度的降低，濃硫酸逐漸電離出大量的氫離子，氫離子濃度的增大，使有機物分子中的羰基氧或羥基氧質(zhì)子化，為反應(yīng)提供了一個酸性活化中心，從而推動酯化反應(yīng)的進程。而當(dāng)硫酸濃度再進一步降低之后，體積的稀釋作用大于硫酸的電離作用，氫離子濃度減少導(dǎo)致酯化反應(yīng)的進程緩慢。

綜上所述，在乙酸乙酯制取實驗中起催化作用的是氫離子。當(dāng)然濃硫酸在該實驗中還是存在一定的吸水作用，使酯化反應(yīng)正向移動，產(chǎn)生相對更多的乙酸乙酯。不過因為乙酸乙酯的沸點（77℃）在各反應(yīng)試劑中最低，實驗時將乙酸乙酯蒸出也同樣能促使乙酸與乙醇反應(yīng)正向進行，可見反應(yīng)中濃硫酸的吸水作用相對催化作用并非很重要[3]。

為了證實氫離子在酯化反應(yīng)中起催化劑作用，設(shè)計先用飽和硫酸鈉溶液代替濃硫酸，實驗結(jié)果是未生成任何油狀酯類物質(zhì)，因此排除硫酸根離子對酯化反應(yīng)的影響;再用濃鹽酸做酯化反應(yīng)催化劑，進一步證實氫離子在酯化反應(yīng)中的作用。實驗結(jié)果見表2。

相對來說，用濃鹽酸作催化劑，盡管同樣生成了乙酸乙酯，但是相比之前的濃硫酸與水的體積比2∶3，開始出現(xiàn)酯的時間需要更長，最終酯的體積也少。筆者認為，一方面是兩者的氫離子濃度不完全相同，另一方面濃鹽酸具有易揮發(fā)的特點，也使得用濃鹽酸做催化劑酯化效果并不很理想。

5 水浴條件下酯化反應(yīng)最佳條件的探究

在實驗中將教材中所用的2mL的濃硫酸改為2滴濃硫酸，卻發(fā)現(xiàn)，實驗開始不到1分鐘就產(chǎn)生了乙酸乙酯，且酯層高度1.6cm。不僅節(jié)約了藥品，還較快出現(xiàn)明顯的實驗現(xiàn)象。其原因可能是，如果濃硫酸用量過多，盡管酯化反應(yīng)會生成少量的水，但硫酸濃度變化不大，硫酸主要以分子狀態(tài)存在，氫離子濃度仍然較小;但當(dāng)濃硫酸用量較少時，則反應(yīng)生成的水稀釋濃硫酸后，硫酸電離氫離子的能力增強，氫離子起到了催化的作用，從而加快了反應(yīng)速率。

從實際教學(xué)效果出發(fā)，恒溫水槽是整個實驗的關(guān)鍵，但是作為演示實驗，拿到教室進行操作并不方便。所以嘗試在燒杯中倒入沸水，將反應(yīng)試管放入該沸水浴中，重復(fù)上述實驗，希望能盡量簡化該實驗，但結(jié)果幾乎沒有任何分層現(xiàn)象。其原因可能是燒杯中的熱水無法持續(xù)保持在較高溫度，很容易因為環(huán)境溫度較低而迅速降溫，即使生成大量乙酸乙酯，也無法保證能夠全部在試管中收集。若用酒精燈進行水浴加熱，裝置不免有些復(fù)雜。故筆者想到用生活中的保溫杯作為“恒溫水槽”（里面的水最好是剛燒開的沸水），藥品及用量分別為無水乙醇2mL、乙酸2mL、濃硫酸2滴。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1分鐘左右就出現(xiàn)了乙酸乙酯，2～3分鐘酯層高度已達1cm左右，現(xiàn)象非常明顯，儀器和實驗操作也相對簡單。為課堂演示實驗找到了一個既好又快的簡易方法，節(jié)省了課堂中的寶貴時間。

本實驗的研究過程中還發(fā)現(xiàn)，最終乙酸乙酯收集體積的多少除了與濃硫酸的體積、硫酸的濃度有關(guān)，實際上還與試管上部的冷凝導(dǎo)管長度、恒溫水槽的溫度、乙醇與乙酸的體積比都存在一定的關(guān)系，只是影響的權(quán)重不盡相同，例如： 當(dāng)實驗反應(yīng)溫度高于90℃時，影響制取乙酸乙酯產(chǎn)量的因素的排序為： 濃硫酸的體積（濃度）>試管上部冷凝導(dǎo)管的長度>乙醇與乙酸的體積比>反應(yīng)溫度[4]。建議可以根據(jù)自己實驗的具體情況合理改變實驗的條件，得到滿意的實驗現(xiàn)象和效果。

參考文獻：

[1]王海勛， 薛德興. 乙酸乙酯制備中催化劑的探討[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2009， （10）： 20～21.

[2]朱志榮. 乙酸乙酯制備演示實驗的改進[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （2）： 59～62.

[3]惠大超. 乙酸乙酯制備實驗的教學(xué)優(yōu)化探索[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （12）： 68～69.

[4]孔令琦， 丁偉. 正交試驗優(yōu)選實驗室制備乙酸乙酯的方法[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （4）： 51～53.