高中化学溴乙烷水解实验设计

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高中化学溴乙烷水解实验设计

一、问题的提出

在06年5月我上了一节教研组内的研究课，课题就是《溴乙烷 卤代烃》的第一课时，溴乙烷。在实验准备过程中，我按照我的教学设计思路在教材实验的基础，增加一个对照实验以便更好地说明溴乙烷在碱性条件下才会水解，然而实验结果并非想象中的那样。

本节教材中的实验6-1：取一支试管，滴入10～15滴溴乙烷，再加入1 mL 5%的氢氧化钠溶液，充分振荡、静置，待溶液分层后，用滴管小心吸取上层水溶液，移入另一盛有10 mL稀硝酸的试管中，然后滴入2～3滴2%的硝酸银溶液，观察现象。现象；滴入硝酸银溶液的试管中有浅黄色沉淀生成。（教材）结论：溴乙烷在氢氧化钠存在的条件下可以跟水发生水解反应，生成乙醇和溴化氢。

笔者补充的实验：取一支试管，加入半吸管溴乙烷，取一吸管硝酸银直接加入试管中，充分振荡、静置片刻分层，且上层液出现浅黄色沉淀。

当然，我的补充实验也就没敢课堂上做。随后，我在所用的资料《优化设计 高二化学 下册》中也有一相关的题：“如果在做教材中溴乙烷的水解实验时，将氢氧化钠溶液改为蒸馏水，其他操作不变，则取上层液加入硝酸酸化的硝酸银后 （填有或无）沉淀产生。”[题目给的答案当然是“无”]由于补充实验的结果，使我对这个实验题的答案也产生了怀疑？

为了不轻易下结论，我又反复清洗实验仪器，甚至重新开了一瓶新到溴乙烷反复实验，结果都与第一次补充实验一样。我又请我的老师也做这个“补充实验”，所得结果还是一样。上述实验让我产生了疑问：教材的说法有问题吗？补充实验中现象可靠吗？如果现象可靠，这一实验现象背后又隐藏着什么呢？

二、理论初探

通过查阅《有机化学 上册》（胡宏纹主编 1989版高等教育出版社）的相关内容，我对一卤代烷的取代反应有了比较清楚的认识。

一卤代烷的水解属于亲核取代反应简称SN ，而亲核取代反应的机理又分为——双分子亲核取代反应机理，SN2，单分子亲核取代反应机理，SN1、SN2反应为一步反应，是指决定反应速率的步骤中有卤代烷和亲核试剂参加，也就是进攻烷基的亲核试剂在卤离子完全脱离烷基之前，就与碳原子部分成键，即新的碳某键的形成和旧的碳卤键的断裂是同步进行的。SN1反应是分步进行的，卤代烷先电离成烷基正离子和卤离子，然后烷基正离子再与亲核试剂结合；在这两步反应中前一步反应较慢，决定整个反应的速率，在这步反应中发生断键的只有一种分子，故称为单分子亲核取代反应。

说到这，有人也许会问，溴乙烷的水解实验出现的现象与它是SN2取代还是SN1取代有关系吗？答案是肯定的。在胡老所编的这本教材中有这样段话“…在烷基正离子中中心碳原子上甲基数的增加使碳正离子更加稳定，不同烷基正离子的稳定性大小次序为：R3C+ >R2CH­+ > RCH2+ > CH3+，叔碳正离子是溶液中有机反应常见的活性中间体，仲正碳离子有时作为活性中间体出现，伯正碳离子很少出现，甲基正离子尚未发现它作活性中间体。”笔者认为这句话的意思有两层：一是R3CX、R2CH­X、RCH2X 、CH3X在水溶液中的电离越来越难的。二是R3CX的卤代烷发生取代时的反应机理是SN1取代；R2CH­X的亲核取代机理有时是SN1取代，有时是SN2；RCH2X 的亲核取代机理主要是SN2 ；CH3X的亲核取代机理主要是SN2。

依据上述的原理，CH3CH2Br与RCH2X 相似同属伯碳卤代烷，在发生取代时机理应是SN2取代，也就是说CH3CH2Br与水混合时不会电离出溴离子。这证明高中教材中的说法是没有问题的！那直接在溴乙烷中加硝酸银溶液出现沉淀，又如何解释呢？难道还是药品问题吗？

三、实验探究

（一）水洗溴乙烷，再次实验

在与一位前辈的探讨中，他认为可能是因为溴乙烷中存在Br-，可以将溴乙烷加到蒸馏水中进行多次水洗，将Br-除掉再做“补充实验”。

实验过程：

仪器及用品——铁架台（带铁圈）、干燥洁净的分液漏斗（3个）、干燥洁净的烧杯（3个）、量筒、洁净的试管（若干）、洁净胶头滴管；蒸馏水、溴乙烷、硝酸银溶液。

1.溴乙烷的水洗

实验——量取15 mL溴乙烷于干燥洁净的分液漏斗中，加入适量的蒸馏水，关闭活塞、塞上玻璃塞，振荡充分混合，静置至分层后片刻分液，保留下层液。另取分液漏斗和烧杯再水洗两次。
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2.在溴乙烷中直接加硝酸银溶液：



操作：取一支洁净的试管，加入数滴水洗过三次的溴乙烷，又向试管中加入适量硝酸银溶液，充分振荡，静置。



现象：静置后溶液逐渐分层，起初上下层均为无色，随后上层液变浑浊，随着时间的推移，上层液越来越浑浊。笔者又反复做了几支，现象都一样。



通过上述实验，可以肯定在溴乙烷中加入硝酸银溶液，银离子被沉淀与溴乙烷是否水洗无关；溴乙烷中也无溴离子存在。



（二）《优化设计 高二化学 下册》的实验



为了进一步弄清问题，我还做了我们当时所用的资料《优化设计 高二化学 下册》中那一相关的题中描述的实验。



实验内容：“如果教材溴乙烷的水解实验，将氢氧化钠溶液改为蒸馏水，其他操作不变，则取上层液加入硝酸酸化的硝酸银后 （填有或无）沉淀产生。”



实验情况：笔者严格按照上述实验内容所描述那样进行实验，实验所得的现象是：取上层液加入硝酸酸化的硝酸银溶液后，无沉淀产生。



实验结论及分析：从实验的结果可以肯定，直接加蒸馏水，溴乙烷不会水解（或者说几乎不水解），所以此题是没有问题的。



四、深入分析



水洗溴乙烷，再次实验的结果让我再次困惑。我再次扎进一些相关的资料里，反复地进行推敲，终于有了一些发现。前面疑问都能得到比较好的解释。



（一）溴乙烷水解的简要原理



HO- + CH3CH2—Br → CH3CH2—OH + Br- ，反应中HO- 是进攻底物CH3CH2—Br的亲核试剂，Br-是离去基团。反应时，HO-和碳原子的成键与Br-脱离碳原子带走一对电子离去是同时进行的，它是SN2的反应机理；Br-脱离碳原子离去是在亲核试剂HO-的协助下进行的，说明此类取代反应的速率与亲核试剂的亲核性强弱有关；HO-的亲核性是比较强的（亲核试剂的亲核性强弱是用他们相对速度来表示的：>105—很强、104—强、101—102—中等、1—弱、10-2—很弱。而HO-的亲核性的相对速度为104，说明其亲核性是强。）



通过以上分析不难看出，HO-浓度越大，亲核性越强，越有利于溴乙烷的水解，所以卤代烷的水解选择在碱性环境中进行，溴乙烷水解时加入氢氧化钠溶液目的就在于此。这进一步说明教材中在做溴乙烷水解实验时，为什么在碱性条件下。



（二）溴乙烷中加硝酸银溶液产生沉淀的原因分析



在卤代烷的亲核取代反应的速率不仅取决于亲核试剂的亲核性的强弱，还取决于离去基团的离去倾向的强弱。卤离子的离去倾向强弱顺序：I- > Br- > Cl- >F-，溴离子的离去倾向是比较强的。



当加入硝酸银溶液时，由于Ag+与Br-迅速结合生成难溶物AgBr，加速了溴离子从碳原子上的离去，从碳原子上不断离去的溴离子不断与水溶液中银离子结合，越积越多，就出现了我们肉眼都能看见的浑浊现象。



溴离子之所以会加速从碳原子上离去，是因为本身溴离子的离去倾向就较强，它再与银离子结合生成难溶物，其离去倾向更大。从反应现象和分析上看，笔者大胆认为在此条件下，溴乙烷的水解机理应是SN1取代。简单原理如下：
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在银离子存在条件下，溴乙烷先发生(1)CH3CH2—Br ? CH3CH2+ + Br- ；随后由于发生

(2)Br- + Ag+ = AgBr↓ 加速了反应(1) ，从而产生大量的CH3CH2+ ；进而发生

(3) CH3CH2+ + HO- →CH3CH2—OH。



通过反复的实验，应用有机化学相关理论细心地推敲，笔者从溴乙烷水解实验的背后得出两点结论：其一，溴乙烷通常在碱性条件下更易发生水解，其反应机理是SN2取代；其二，在溴乙烷中加入Ag+ 、Hg+的溶液，也能促进溴乙烷发生SN1机理取代的水解，同时在上层溶液中产生AgBr、HgBr的沉淀。