甲烷与氯气取代反应实验改进论文

甲烷与氯气取代反应实验的改进
甲烷与氯气取代反应有机化学教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→clch4+clch4→2ch3c1+2hc1；
ch3c1+c12→clch3c1+cl…ccl3+c1→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
人卫版教材有机化学（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：
c12+h2o hcl+hc1o
2hc1o光照2hc1+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，导气管下端插人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
3.1 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，光源离注射器距离巧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，注人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，将针筒插人滴有石落试池的水中，可形成红色喷泉（如图5所示），这一现象可有为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：把针头插人澄清的石灰水，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：
4.1 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。

4.2 容器要密封，且活塞要能轻松活动。

4.3 要有足够的光照强度。

5 实验改进的理由
5.1 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。

5.2 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。

5.3 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。

作者简介：
雷雨虹：辽宁省本溪市卫生学校化学教师，高级讲师，具有丰富的教学实践经验和实验经验，是本学科的学科带头人。

教学之余积极参与教科研活动，撰写并发表多篇具有学术水平的论文，参与学校多项国家、省级的科研项目。

左艳：辽宁本溪市机电工程学校任职。

高级讲师。

1984年毕业于锦州师范学院化学系，获得理学学士。

1998年进为高级讲师。

教学之余积极参与教科研活动，撰写并发表多篇具有学术水平的论文，参与学校多项国家、省级的科研项目。