甲烷 (CH4) 是学习有机化学最先接触的最简单的有机物, 有机物制取中最初的一个实验就是实验室甲烷的制取, 由于有机化学与无机化学实验最大的区别就是有机化学反应条件要求较高 (温度、压强、催化剂) 、速度较慢、副反应较多, 所以在制取的过程中有很多事项一定要在实验进行之前要考虑全面。
1 制取甲烷的反应原理
醋酸钠与氢氧化钠是一级均裂脱羧反应, 即游离基反应, 反应的化学方程式为:CH3COONa+NaOHCH4↑+Na2CO3, 具体历程为:
链引发:H3COO Na→-CH3+-CO ONa
链传递:-CH3+Na OH→CH4+-O N a
链终止:-ONa+CH3COONa→Na2CO3
当过热时:-CH3+C H3C O O N a+C H3-COCH3
即会发生醋酸钠分子分解生成丙酮的副反应, 另外还会发生2CH4→C2H4+2H2等副反应。
2 在反应的过程中要素解析
2.1 反应物必须干燥, 这是反应能否进行的关键点之一
该反应需要的温度较高。如果醋酸钠含有结晶水, 加热时晶体就会先溶解在自己的结晶水里而呈液态, 这样就降低了反应温度, 以至达不到所需要的脱羧温度, 因而导致实验的失败。
即使购来的是无水醋酸钠, 也因为保存中吸收了水分, 因而必须经过烘干处理, 少量烘干可在蒸发皿中进行。把醋酸钠放在蒸发皿中加热 (温度控制在105℃左右) , 醋酸钠先溶解在结晶水里成液状, 继续加热并不断搅拌, 这时液体呈沸腾状, 水分蒸发。待水分大都驱走后, 无水醋酸钠成为固态, 继续加热直到溶化, 此时水分已全部驱走后醋酸钠颜色有点灰, 冷却后研细, 放入干燥器内保存。碱石灰若显粉红色, 说明已吸有水分, 也应烘干至呈白色, 保存在干燥器中。用这样处理过的无水醋酸钠和碱石灰混合均匀, 就能较顺利地制出甲烷来。
实验室制取甲烷的装置图 (图1) , 其中1为碱石灰与醋酸钠的混合物, 2为水, 3为收集到的甲烷气体。
2.2 平衡碱石灰中氢氧化钠与氧化钙的配比
在配置碱石灰的时候要注意氢氧化钠与碱石灰的配比, 不同的配比反应的现象有一定的不同, 这主要与氢氧化钠和碱石灰的性质有很大的关系。
氢氧化钠过量, 反应的速度快, 产生的气量较大, 但是这个反应是需要加热的反应, 加热时熔融的氢氧化钠会对玻璃试管产生很强的侵蚀力, 容易导致反应过程中试管的炸裂;氢氧化钠的量减少的话, 虽然试管不易破裂, 但是产生的气量少反应的速度较慢, 伴随反应的副反应也较多。所以一般情况下采用的是加大NaOH的用量, 但是在实验的过程中不使NaOH与玻璃直接接触的方法, 可以先在试管底部铺一层碱石灰或制一层醋酸钠薄膜。
本试验中使用自制的碱石灰比市售的效果要好, 主要是因为市售的碱石灰中含氢氧化钠的量较少, 其中还含有一定的水分, 还由于吸收了二氧化碳而含有一定的Na2C O3和CaCO3, 会使反应时所需温度增加, 造成甲烷气体的产率降低和副反应的增加, 所以在使用前将市售的碱石灰再加入适量的氢氧化钠加以灼烧, 以增加其中氢氧化钠的含量。
表1是实验中CH3COONa、NaOH和CaO配比不同得到的数据, 从以下数据不难看出, 由于试验中三种药品配比的数据不同, 实验得到CH4的产量有一定的差距, 实验过程中试管受侵蚀或是炸裂的现象也随之出现。数据显示在本实验中CH3COONa、NaOH和CaO的配比采用4:2:1和3:3:2为适宜比例。
制备甲烷气体的CH3COONa、NaOH和CaO的配比对照 (克) (表1)
2.3 注意生石灰在实验中的作用
生石灰在实验中不参加反应, 但是实验中不能缺少生石灰的存在, 在反应的过程中, 碱石灰的作用主要有以下几点:
(1) 保护试管。此实验为条件为加热, 熔化的氢氧化钠对玻璃有很强的侵蚀作用, 导致与玻璃发生反应, 致使试管破裂, 加入适量的生石灰可以稀释氢氧化钠的浓度, 防止试管被腐蚀而炸裂。
(2) 作吸湿剂。水是一种极性试剂, 有利于异裂, 不利于均裂, 水的存在会明显地阻止游离基反应, 生石灰的存在可以吸收氢氧化钠所吸附的水分, 有利于甲烷的生成, 使反应向着有利于生成甲烷的方向进行。
(3) 增加反应的透气性。加入生石灰会使反应物变得疏松, 从而使生成的甲烷气体容易逸出。
(4) 调节反应混合物的温度。生石灰与反应物均匀混合有利于吸收一部分强热, 避免由于反应温度过高而导致副反应产物增加。
2.4 收集高纯度的制取气体
制取甲烷时, 高温下醋酸钠发生副反应, 生成丙酮、乙稀、乙炔等杂质气体。为了制得纯甲烷, 首先使气体通过酸性高锰酸钾溶液, 丙酮与水混溶而除去, 乙烯、乙炔被氧化。若仍有少量丙酮未除去, 可使气体通过装有碘化钠固体的球形干燥管, 丙酮与碘化钠生成固体络合物 (NaI·3CH3COCH3) 而被除去。最后让气体通过浓硫酸的洗气瓶, 除去水蒸气得纯甲烷。
由于有机物反应的自身特点, 所以要求教师在操作有机化学演示实验或者在做实验总结的时候要善于发现实验中存在的问题并进行归纳, 通过这样的教学方法不仅可以提高教学活动的质量还可以激发学生的创新精神和实践能力, 提高学生的综合素质。
摘要：甲烷在实验室是采用无水醋酸钠和干燥的碱石灰在加热的情况下进行反应制得, 但是在实际的反应过程中有很多细节需要注意, 若因为操作不当就会给实验带来副反应较多或是达不到预期的实验效果。
关键词：实验室,甲烷,制取,要素