溴乙烷的水解和消去反应对比实验改进研究

2020-03-07盛林娟李雪萍伍晓春

化学教学 2020年1期

盛林娟　李雪萍　伍晓春

摘要：卤代烃的水解和消去反应是高中化学教材选修五有机化学的重要反应。改进实验以溴乙烷为例，针对教材演示实验现象不明显、耗时较长等不足，设计溴乙烷水解和消去反应的对比实验，巧妙将溴乙烷的水解反应产物乙醇收集后用于作为消去反应的反应物。改进后的实验反应速率快、实验现象明显、操作方便，可在同一连续反应的装置中熟悉和掌握水解和消去反应的区别与联系，以及两者反应条件和产物的差异，有助于提高学生“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。

关键词：溴乙烷; 水解反应; 消去反应; 乙烯; 实验改进

文章编号： 10056629（2020）01005905

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1问题提出

1.1教材地位

卤代烃的水解和消去反应是高中有机化学学习的重点之一，《普通高中化学课程标准（2017版）》要求，“认识取代、消去反应的特点和规律，了解有机反应类型和有机化合物组成结构特点的关系”[1]。溴乙烷（化学式： C2H5Br）又名乙基溴，缩写为EtBr，其沸点为38.4℃，是一种无色油状液体，比绝大多数溴代烷的沸点低[2～4]。其水解反应产物为乙醇，消去反应产物为乙烯，两种产物皆是高中有机化学内容板块的学习重点，且是卤代烃水解和消去反应的前序内容。教材选择以溴乙烷为例，让学生通过这一板块的学习，加深这两种重要有机物及溴乙烷的认识，有利于促进学生的学习进阶。

1.2教材分析

首先对人教版和苏教版中的这部分内容进行教材对比分析（见表1和表2）和文献分析，在此基础上对卤代烃的水解和消去反应进行实验改进。

在人教版《有机化学基础》“科学探究”栏目中，探究溴乙烷在不同溶剂中与NaOH发生不同类型反应，生成不同反应产物，可通过实验验证水解反应和消去反应产物[5]。教材中未给出水解反应和消去反应的发生装置，且验证过程以学生探究和问题分析为主。反应原理、实验装置的设计以及产物的检验易成为学生理解的难点。而苏教版“观察与思考”栏目中，水解反应和消去反应运用同一实验装置且检验方法相同[6]。根据苏教版实验装置图组装仪器并进行多次试验，均未成功。原因为（1）卤代烃的消去反应速率和温度有关，温度越高，消去反应速率越快，但溴乙烷由于沸点很低，受热大量挥发，挥发速率快于消去反应速率，30s左右在中间的集气瓶中即观察到有油状液滴出现，而试管中并没有气体产生。（2）溴乙烷、1溴丙烷与饱和氢氧化钾的水溶液、饱和氢氧化钾乙醇溶液均不互溶，静置时分层，反应物处于不同相中，不利于反应的发生。（3）酒精灯加热温度不易控制，加热约2min左右，出现液体暴沸现象，混合溶液沿着导管进入集气瓶。（4）溴乙烷蒸气有毒，危害师生的身体健康。

1.3文献分析

查阅已有的卤代烃水解反应和消去反应相关文献，针对此内容的改进研究有增加实验仪器或改进实验装置、改变反应物体积比、反应方式和条件（温度）、产物验证方法等，见表3。

文献中实验装置和实验条件的改进，改善了水解反应和消去反应的实验效果，但在实际课堂演示实验时，依然存在装置复杂、实验重现性不好等缺点，学生在理解卤代烃水解和消去反应时，容易将两个反应的条件和产物混淆记忆。因此，本文针对以上问题，对卤代烃的水解和消去反应进行研究，以溴乙烷为例，设计更为合理、简单的水解和消去反应实验装置。

2实验设计

2.1实验原理

卤代烃分子中的卤素原子被其他原子或基团取代的反应为取代反应，溴乙烷与氢氧化钠水溶液发生取代反应，也称为水解反应。卤代烃脱去小分子化合物卤化氢而生成烯烃的反应称为消去反应。溴乙烷的水解反应与消去反应都是由亲核试剂的进攻引起的，当亲核试剂进攻α碳原子时发生取代反应，进攻β氢原子时发生消去反应，溴乙烷水解与消去反应区别与机理解释见表4。这两种反应常常是同时发生和相互竞争的，产物的比例常受反应物的结构、试剂的碱性、溶剂的极性和反应温度等因素的影响[27，28]。

溴乙烷与氢氧化钠水溶液的取代反应历程为：

2.2实验仪器及药品

实验仪器：圆底烧瓶、蒸馏头、玻璃塞、牛角管、橡胶管、冷凝管、球形干燥管、镊子、量筒、玻璃棒、分析天平、烧杯、胶头滴管、试管、磁力搅拌器（带恒温水浴槽）

实验药品：溴乙烷、无水乙醇，氢氧化钠、硝酸银溶液、高锰酸钾、溴水、硫酸、蒸馏水

2.3实验装置图

實验装置图见图1、图2和图3。

2.4实验内容及现象

（1）配制10%的氢氧化钠溶液和酸性高锰酸钾溶液。

（2）在圆底烧瓶中加入3mL 10%氢氧化钠溶液、9mL溴乙烷溶液、6mL蒸馏水。圆底烧瓶中溶液互不相溶，静置片刻后出现分层。

（3）按图1连接实验装置，开启冷凝水，将恒温磁力搅拌器水浴温度调至40℃，转速600rpm。将圆底烧瓶置于恒温磁力搅拌器水浴上恒温搅拌，约4min后，关闭搅拌器，取出静置。

（4）取圆底烧瓶上层清液1mL放入小试管中，加入硝酸进行酸化，再滴加2～3滴硝酸银溶液，产生淡黄色沉淀。取下层清液进行上述操作，无明显变化。

（5）按图2连接实验装置，开启冷凝水，将恒温磁力搅拌器水浴温度调至80℃，进行蒸馏，右侧的圆底烧瓶中收集有无色透明的液体并伴有特殊的气味。

（6）蒸馏结束后，向右侧的圆底烧瓶中加入0.5g固体氢氧化钠，搅拌使其溶解，形成饱和氢氧化钠的乙醇溶液。再加入7mL溴乙烷溶液，按图3连接实验装置，继续搅拌，使反应物充分混合，试管内的导管嘴处有气泡冒出。

（7）将恒温磁力搅拌器水浴温度调至95℃， 30s之后，右侧试管内的导管尖嘴口冒出大量的气泡，约2min左右，浸有酸性高锰酸钾溶液的棉花褪色，右侧试管中溴水褪色。

3实验创新点

3.1实验装置简单化

本实验设计了教材实验中未说明的实验反应装置和收集装置，将水解反应在回流条件下进行，减少溴乙烷的挥发;通过搅拌器充分搅拌，使溴乙烷的水解反应进行得更加完全。将水解反应与消去反应进行实验对比，将水解反应的产物乙醇进行蒸馏，收集后重新利用为消去反应提供溶剂条件。学生在同一装置中可对比理解水解反应与消去反应发生的条件与产物的不同，更加直观地观察到反应现象，有利于提高“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。

改进后的装置操作简单，实验现象明显，能帮助学生理解有机反应条件不同产物也不同这一规律，便于学生总结溴乙烷的物理性质和化学性质。

3.2检验方法便捷安全，绿色环保

已有文献中关于溴乙烷水解反应产物的检验方法均为取清液先加入硝酸酸化，再滴加2～3滴硝酸银溶液的方法，但实验后发现现象不明显。

本实验采取静置后分层，分别取上层和下层清液作对照试验，现象明晰。

实验将水解反应产物进行蒸馏，利用水解所得乙醇为消去反应的发生提供条件。根据消去反应原理可得，反应产物为乙烯、溴化氢和水，将教材中的高锰酸钾溶液改为高锰酸钾溶液浸润的棉花，产生乙烯气体时，有明显的褪色现象，不仅减少高锰酸钾溶液的用量，体现绿色环保理念，而且可防止因气压改变产生溶液倒吸现象。最后试管中溴水褪色，进一步证明产生了乙烯气体，同时防止多余的乙烯气体外逸。

4小结

学生在学习选修五“烃及其烃的衍生物性质”相关知识时，容易对水解反应和消去反应的条件、产物产生混淆。本实验将卤代烃水解和消去反应结合起来进行对比实验，增强了学生对水解反应与消去反应实质的理解，分别同时对反应后两层清液进行检测，其中一层立即出现淡黄色沉淀，

另一层无明显变化，证明确实发生了水解反应。

消去反应开始后，2min左右即可看到浸有酸性高锰酸钾溶液的棉花以及溴水褪色。学生通过本实验水解反应与消去反应发生的条件、反应现象和产物的不同，结合宏观实验现象分析微观反应历程，有助于“宏观辨识与微观探析”化学核心素养的培养，可作为该核心素养培育的典型教学案例。实验操作简单，反应充分，有害气体挥发少，有利于教师在课堂上进行演示实验。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018： 27.

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[4]胡宏纹主编. 有机化学（第三版）[M]. 北京：高等教育出版社， 2005： 95～98.

[5]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·有机化学基础（选修5）（第2版）[M]. 北京：人民教育出版社， 2007： 41.

[6]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·有机化学基础（选修）[M]. 南京：江苏教育出版社， 2004： 62.

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