师:同学们,今天我们一起来学习高二人教版选择性必修三第三章实验活动一:乙酸乙酯的制备与性质。本节课实验目的有三点:一是学习制备乙酸乙酯的方法;二是加深对酯化反应和酯的水解的认识;三是了解化学反应原理与控制变量法在有机实验中的应用。
先来看看实验用品。现在开始实验一:乙酸乙酯的制备。羧酸和醇在酸催化下能发生酯化反应,像乙酸和乙醇在浓硫酸催化和加热条件下会生成乙酸乙酯,这是个可逆反应。为提高产率,要选择合适反应条件和措施促进平衡正向移动。
本次实验涉及的乙醇、乙酸、乙酸乙酯均为有机物,由分子构成,熔沸点不高,常温下是无色透明液体。乙醇和乙酸易溶于水,乙酸乙酯难溶于水且密度比水小,三者都有挥发性,对温度敏感,还有不同气味。
在无机气体制备实验中,会根据反应物状态和反应条件选装置,比如用二氧化锰固体和浓盐酸加热制氯气,选固液加热装置;用氢氧化钙和氯化铵固体制氨气,选固体加热装置。本实验用乙酸、乙醇液体混合加热制备乙酸乙酯,所以选液加热装置。而且常见有机物沸点低、易挥发,有机制备实验常要考虑搭配冷凝回流和控温装置。同时,考虑到酯化反应可逆,及时蒸出产物有利于促进平衡正移提高产率。
综上,得到乙酸乙酯制备装置示意图。实验步骤方面,加入试剂要关注用量和顺序。用量上,一般让相对廉价易得的原料过量提高另一种原料转化率。本实验将3毫升乙醇和2毫升乙酸混合反应,经计算,乙醇物质的量为0.05摩尔,乙酸物质的量为0.035摩尔,让廉价的乙醇过量提高乙酸利用率。
加入顺序上,为使原料充分混合,一般把密度大的液体倒入密度小的液体中。本实验因浓硫酸稀释放热,会导致有机反应物蒸发损失,所以先加乙醇,再分批倒入浓硫酸,冷却后加乙酸,防止乙酸受热蒸发损失。
具体操作如下:在一支试管中加3毫升乙醇,边振荡边慢慢加2毫升浓硫酸和2毫升乙酸,再加几片碎瓷片;在另一支试管中加3毫升饱和碳酸钠溶液。按图连接好装置,用小火加热试管里的混合物,将产生的蒸汽经导管通到饱和碳酸钠溶液上方约0.5厘米处。观察试管内变化,反应一段时间后,取下盛碳酸钠溶液的试管,停止加热,振荡,静置,待溶液分层后观察上层油状液体并闻气味。下面请观看实验视频。
本实验用品主要有乙酸、浓硫酸、乙醇、饱和碳酸钠溶液。在一支试管中加3毫升乙醇,然后边振荡试管边慢慢加2毫升浓硫酸和2毫升乙酸,再加几片碎瓷片,将试管固定在铁架台上,连接好装置,点燃酒精灯小心加热,把产生的蒸汽经导管通到饱和碳酸钠溶液液面上。
可以观察到饱和碳酸钠溶液上方有无色透明油状液体产生,能闻到香味,这有香味的液体就是乙酸乙酯。在浓硫酸催化下,乙酸与乙醇加热生成乙酸乙酯,这种酸与醇反应生成酯和水的反应叫酯化反应。熄灭酒精灯,取出盛油状液体的试管。振荡试管会发现油状液体层变薄,因为饱和碳酸钠溶液能与乙酸反应、吸收乙醇,还能降低乙酸乙酯在水中的溶解度,最终可通过分液获得乙酸乙酯。
在刚才实验中,观察到饱和碳酸钠溶液上方产生无色不溶于水的油状液体,取下试管振荡静置后又看到什么现象呢?振荡后有气泡产生,静置后溶液分层,上层液体体积减小。再看实验步骤,碎瓷片有什么作用?为什么要用小火加热?饱和碳酸钠溶液有什么作用?为什么导管不插入溶液中?能不能先停止加热再取下导管?下面分析操作原理。实验中碎瓷片作用是防止暴沸,为什么要小火加热呢?温度过高或过低有什么影响?该反应一般控制在110 - 120摄氏度加热,温度过低,反应速率慢,反应不充分;温度过高,反应物大量蒸发,原料利用率降低,且乙醇高温下易生成乙醚、乙烯等副产物,甚至发生碳化等副反应。请同学们按下暂停键思考以下三个问题。
实验中,乙酸乙酯蒸汽经长导管被空气冷却为液体收集在试管中,所以长导管作用是导气冷凝。为何不能将导管插入碳酸钠溶液中?是为防止碳酸钠溶液倒吸进入大试管,引起试管炸裂。同理,实验后若先停止加热,试管内气体热胀冷缩,气压减小,会引发液体倒吸。请同学们按下暂停键,思考以下三个问题。
试管中收集到的无色液体除乙酸乙酯外,可能还有受热蒸发的乙醇、乙酸等杂质。振荡小试管使有机层和饱和碳酸钠溶液充分混合可除杂净化。振荡后,乙醇、乙酸进入水中,上层液体体积减小,有气泡生成是因为乙酸和碳酸钠反应生成二氧化碳,没有乙酸刺激性气味,更易闻到乙酸乙酯果香味。加入碳酸钠可增强溶液极性,降低酯的溶解。
