文章编号:1005-6629(2010)07-0017-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:C 甲烷与氯气取代反应的实验是高中化学中的一个重要实验,这不仅是学生学习有机化学接触到的第一个有机反应,也是烷烃的一个重要性质实验。做好本实验对于刚刚涉足有机化学的学生来说具有非常重要的意义。本文对该实验的相关问题进行了讨论,并对该实验作了改进。
1 实验原理
甲烷与氯气的混合气体在光照条件下可发生取代反应,反应历程属于自由基链反应:
CH4+Cl2→Cl・CH4+Cl・CH4→2CH3・Cl+2HCl;
CH3・Cl+Cl2→Cl・CH3Cl+Cl・…CCl3・+Cl・→ CCl4
要使反应进行,需要一定的能量,这些能量来自光照或受热。能说明取代反应已经发生的指标性现象是:1. 氯气黄绿色褪去,2. 有油状液体生成,3. 有氯化氢气体生成。4. 气体体积减少。
2 常见几种实验的讨论
苏教版教材化学(2)专题3第一单元中,甲烷性质的实验,采用的是在集气瓶中,用排饱和食盐水法收集氯气与甲烷(体积比为4�1)的混合气体(见图1所示), 也有一些资料介绍,用100 mL 的量筒来收集混合气体(甲烷20 mL氯气80 mL,如图2所示),对混合气体进行光照,然后观察反应现象。
采用教材中的实验装置(如图1)进行实验,观察到的实验现象是瓶内气体体积减少、氯气的黄绿色褪去、瓶壁上有液滴。但存在三个疑点: (1)生成的氯化氢气体溶解在水中无法检验,也没有证据可证明有氯化氢气体生成。(2)混合气体是用排饱和食盐水方式取得的, 瓶壁上会残留水珠,实验时无法辨认是有机生成物还是残留的水珠,不能确信有氯代物生成。(3)如果用液面上升的现象说明气体体积减少了,以此来说明取代反应已发生,也缺乏说服力。即使没有甲烷,单是氯气装在瓶中倒插在水里,给予光照,液面也会上升。因为氯气可与水反应生成盐酸和次氯酸,次氯酸又能分解生成氧气,最终体积是原体积的一半,且氯气的黄绿色也褪去,相关的反应方程式如下:
Cl2+H2O=HCl+HClO
2HClO 2HCl+O2↑
按图2的实验装置,观察到的反应现象及存在的问题与上述一样。
按图3的实验装置,选用烧瓶, 先用排饱和食盐水法收集氯气与甲烷(体积比为4�1)的混合气体,满瓶后,再塞上带有导气管的胶塞、倒置,导气管下端插入盛有紫色石蕊试液的水槽中,然后,对混合气体进行光照,观察反应现象。当用250 W的高压汞灯照射时,光照约一分钟左右,出现红色喷泉,这说明有氯化氢气体生成,但看不到无色油状液滴。
利用上述实验装置,笔者进行多次实验,虽能看到部分实验现象,但总觉得不尽理想。可见,上述三个实验装置都不能达到预期的效果,存在某些不足的地方。因此,希望通过改进实验,能得到理想的实验效果。笔者对该实验做了如下的改进。
3 改进后的实验
(1)实验材料:①用100 mL注射器作为反应器;②250 W的高压汞灯;③氯气与甲烷体积比为3�1(75 mL氯气, 25 mL甲烷), 实验装置如图4所示。
实验操作过程:用100 mL注射器从储气袋中抽取氯气75 mL,再在储气瓶中抽取甲烷25 mL,把针头插进橡胶塞内密封好针头,然后,在注射器内塞与外筒交界处涂上少量的机油,旋转内塞,使机油均匀涂在注射器内塞与外筒交界处,这样既密封又润滑。接着,把注射器按图4所示装在铁架台上,用250 W的高压汞灯照射,光源离注射器距离15 cm左右。如果室温较低,可缩短光源离注射器的距离,如10 cm左右。光照约半分钟左右,活塞开始上升,1分钟左右,体积可上升至140 mL左右,随后缓慢回落到100 mL,此时可看到注射器内气体黄绿色褪去,说明氯气已反应。注射器筒内壁有少量的无色油状液滴,说明有氯代甲烷生成。冷却片刻,筒内气体体积仍然在100 mL。反应后气体体积与反应前气体体积相同(或很接近)的原因,主要是有氯化氢气体,同时,生成的一氯甲烷常温下是气体,而二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷等在常温虽是液体,由于生成的量少,且它们易挥发,很大部分以气体形式存在,因此,反应气体体积改变不大。检验筒内气体,把针头靠近盛浓氨水的试剂瓶口,缓慢推动活塞可看到有浓烟产生,注入硝酸酸化的硝酸银溶液有白色沉淀产生。虽然用氯气进行上述实验也会出现相同的现象,但从颜色上可以区别氯气与氯化氢气体。去掉针头,将针筒插入滴有石蕊试液的水中,可形成红色喷泉(如图5所示),这一现象可有力证明该无色气体是氯化氢气体。
喷泉实验后,发现注射器内尚有15毫升左右的无色气体。检验该气体:把针头插入澄清的石灰水,缓慢推动活塞,澄清石灰水未见浑浊现象,说明不是二氧化碳;把针头靠近酒精灯火焰,缓慢推动活塞,未见燃烧现象,说明不是未反应的甲烷;也没有看到酒精火焰明显变亮,说明气体不助燃,也不是氧气。这主要是在制取甲烷和氯气气体时,不可能得到很纯的气体,有空气混杂在其中,最后剩余的可能是氮气等。
可见,改进后的实验,上述四个指标性现象都能很好地实现。
4 做好本实验的关键及相应措施:
要使本实验现象明显,必须做到以下三点:
(1)所用的甲烷与氯气的纯度要高,尽可能不含氧气,因为甲烷与氯气的反应历程是自由基链反应,氧气会消耗自由基,中断反应链,从而阻止反应。
(2)容器要密封,且活塞要能轻松活动。
(3)要有足够的光照强度。
5实验改进的理由
(1)实验装置的改进。改用注射器作反应器,是为了使反应气体与液体隔离,这样,反应后在原先干燥的注射器内出现油状液体,能有力说明氯代烷的生成。同时,又能很方便地检验氯化氢气体的存在,证明有氯化氢气体生成。
(2)原料比例的改进。氯气与甲烷体积比由4�1改为3�1,主要是为了增加甲烷的浓度,以便增加反应速率。改进后的实验,操作方便,反应速度快,现象明显,证据有力可靠,方便课堂演示实验。
(3)原料的改进。若用乙烷代替甲烷,用同样的方法来做本实验,效果更好。在甲烷与氯气反应中,由于一氯甲烷常温下是气体,二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷等部分以气体形式存在,因此,反应后看到的油状液体量不多,且反应前后气体体积改变也不大。若改用乙烷,由于一氯乙烷常温下就是液体,多氯代乙烷显然是液体,这样,可以增加生成物的液体量,且反应前后气体体积变化增大,现象也更为明显。
附:乙烷制取及乙烷与氯气的取代反应
1. 乙烷的制取,
(1)实验仪器:硬质玻璃管,碾钵,酒精灯,铁架台,导管,储气瓶
(2)药品:丙酸钠,氢氧化钠,氧化钙
(3)反应方程式: CH3CH2COONa+NaOH→Na2CO3+C2H6
根据方程式可知,丙酸钠与的氢氧化钠恰好完全反应的质量比为96�40。笔者按这个质量比例进行实验,用24克丙酸钠、10克氢氧化钠、10克氧化钙。先称取氢氧化钠10克,氧化钙10克,在碾钵中碾细拌匀。再称取丙酸钠24克与之混合拌匀,装入硬质玻璃管, 按图(6)搭好实验装置。 用酒精灯加热,加热时先移动酒精灯,使玻璃管受热均匀,然后定点加热。
经过多次反复实验,结果不尽理想,产生气体速度慢,量也少。通过调整丙酸钠、氢氧化钠 、氧化钙这三中物质的质量比例,终于得到一个比较理想的结果。
在调整这三中物质的质量比例关系时,基于以下几方面的考虑:
(1)这是固体与固体之间的反应,反应物之间的接触没有液体之间接触充分;同时丙酸钠脱羧较难,应适当增加氢氧化钠的量,丙酸钠与氢氧化钠质量比采用5�3。
(2)为了增加反应混合物的吸水性,应提高氧化钙的质量比,氧化钙与氢氧化钠的质量比采用4�3。按这样的质量比例投入实验,在多次的实验中,结果比较理想,放出的气体速度快,量也多。在本实验中,先称取氢氧化钠 15克 , 氧化钙20克,在碾钵中碾细拌匀,再称取丙酸钠25克与之混合拌匀,装入硬质玻璃管,所用的实验装置如图6。把制得的乙烷气体储藏在储气瓶中备用。
(2)乙烷与氯气取代反应
使乙烷全部被氯气取代,氯气与乙烷的体积比应为6�1,但按这样的体积比来取料(即用85 mL氯气与15 mL乙烷),反应速度慢,最后氯气的黄绿色也没有完全褪尽,其主要原因是乙烷的量少,在光照条件下产生的乙烷自由基浓度低,影响反应速度。再者,当有一氯乙烷、二氯乙烷生成时易凝结成液体,这样会影响氯气与氯烷自由基的进一步取代,造成氯气不能完全反应,最后氯气的黄绿色不能完全褪尽。经过多次的实验,不断调整氯气与乙烷的体积比例,氯气与乙烷的体积按3�2的比例(即在100 mL的针筒中吸入60 mL的氯气和40 mL的乙烷气体),反应现象最理想。反应速度也快。实验装置如图4。当光照一分钟左右活塞开始上升,立即升至140 mL左右,活塞马上开始回落至100 mL,等待片刻,冷却后,针筒内混合气体体积减为95 mL左右。同时看到针筒内气体漫漫凝结成黄绿色小雾滴,且在针筒的中心黄绿色小雾滴不断上升,而在四周不断回落,这样的现象持续约一分钟左右,然后黄绿色褪尽,针筒壁上出现明显的无色油状液滴。这种细微的精彩现象,是甲烷与氯气反应所看不到的,无色油状液滴的量比甲烷与氯气反应要多的多。反应前后气体的体积差也比甲烷与氯气反应的体积差大的多。对针筒内氯化氢气体的检验,与甲烷与氯气取代反应实验相同。
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