甲烷制备实验的探讨，本文主要内容关键词为：甲烷论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
甲烷制备实验是高等师范院校有机化学实验课的重要内容之一，在中学化学教学中，为了做甲烷的性质实验，也需要预先制备甲烷。实验室通常采用无水乙酸钠和碱石灰共热制备甲烷。然而，碱石灰的成分是什么，却有两种不同说法；按上述方法制备甲烷，往往存在反应慢、产率低等问题，并且，反应过程中有大量水生成，也未得到明确解释。为了解决上述问题，我们对此实验进行了探讨，明确了碱石灰的成分，比较了不同制备方法的实验效果，确定了最佳原料配比。
1.碱石灰的成分是什么
关于碱石灰的成分，各种文献有两种不同说法。（1）氢氧化钠和生石灰的混合物；（2）氢氧化钙和氢氧化钠的混合物。根据有关材料介绍的碱石灰的制法：将生石灰与氢氧化钠溶液作用后，在200～250℃下干燥制得，及碱石灰试剂瓶上标签中的说明：干燥失重10～15％（上海五四化学试剂厂），水份15％以下（辽宁北票矿务局氢氧化钙厂），我们初步判断上述第二种说法是正确的，即市售碱石灰中含有水分。为了明确碱石灰的成分，我们用市售碱石灰（上海五四化学试剂厂出品，批号为20020508）进行了如下实验：
（1）取一定量的碱石灰，置于瓷坩埚中，在电热恒温干燥箱中250℃干燥至恒重，发现干燥失重14.5％，与标签中的介绍相符。由于氢氧化钙、氢氧化钠在此温度下均不发生分解，所以失重部分只能是游离水。
（2）为了进一步证实碱石灰中氢氧化钙的存在，取一定量的干燥过的碱石灰，置于瓷坩埚中，在高温炉中580℃灼烧4h（氢氧化钠在580℃时不发生分解，氢氧化钙在此温度下则失水成为氧化钙）。取出，冷后称量，发现失重20.3％。根据干燥失重14.5％，干品灼烧后又失重20.3％，忽略少量杂质所占份额，容易算出该批碱石灰的组成大致为：氢氧化钙71.4％，氢氧化钠14.1％，水14.5％；干燥后的碱石灰的组成为：氢氧化钙83.5％，氢氧化钠16.5％。即市售碱石灰的主要成分为氢氧化钙，另含少量氢氧化钠和水。
2.几种制备甲烷方法的比较
实验室制备甲烷，除通常采用的方法——无水乙酸钠和碱石灰共热外，比较普通的方法还有无水乙酸钠和碱石灰、氢氧化钠共热及无水乙酸钠和生石灰、氢氧化钠共热两种。为了比较这三种方法的优劣，确定最佳原料配比，我们分别试验了这三种制备甲烷的方法。所用碱石灰为干燥过的；氢氧化钠和无水乙酸钠均为分析纯试剂，生石灰为新鲜的工业品。所用原料充分磨细、混匀，用酒精灯加热试管，用10％氢氧化钠溶液和浓硫酸二次洗气，排水取气法收集气体，并根据室温、气压及水的蒸气压，将气体体积折合成标准状况下气体体积。每组实验值为三次平行实验的平均值。结果见表1。
表1 三种不同方法制备甲烷的实验结果*
*No.1～3反应中，生成大量水聚集于试管前端，No.4～6也有一些水生成，No.7～10几乎无水生成。
**碱石灰中氢氧化钠含量按16.5％计。
3.讨论
由表1可清楚看出，三种制备方法中，单用碱石灰与无水乙酸钠反应，反应时间很长，甲烷产率较低，效果最差。这显然与碱石灰的主要成分为氢氧化钙有关。由于氢氧化钙在高温时容易发生分解反应生成氧化钙和水，所以，无水乙酸钠和碱石灰共热，同时发生了如下两个反应：
即真正与无水乙酸钠起反应生成甲烷的，仅是碱石灰的次要成分氢氧化钠。而碱石灰的主要成分氢氧化钙及受热后分解出的氧化钙，虽然减小了氢氧化钠与试管的接触面，起到了保护试管的作用，但是，它们也大大减小了氢氧化钠与无水乙酸钠的接触面，冲稀了反应物“浓度”，再加上氢氧化钙分解生成的水也不利于生成甲烷的反应，于是，就导致这种制备方法反应时间长，产率低，效果不好。
用碱石灰+氢氧化钠代替碱石灰与无水乙酸钠反应，虽然产率仍不太高，但反应时间大大缩短，效果明显好转。这显然与氢氧化钠在反应物中所占份额增大，与无水乙酸钠接触面增大有关。而氢氧化钙分解生成的水对反应不利，所以产率不太高。
第三种方法，用无水乙酸钠和氢氧化钠、生石灰共热制备甲烷，反应快，产率高，并且原料便宜易得，是较理想的实验方法。其中，无水乙酸钠和氢氧化钠起反应物的作用，生石灰主要起保护试管的作用。最佳原料配比为（质量比）∶无水乙酸钠∶氢氧化钠∶生石灰=1∶0.75∶0.4～0.8。
顺便提及，文献中有一道习题：市售无水乙酸钠5.0g，与足量的碱石灰反应完全后，得到甲烷1.35L（标准状况）。求这种无水乙酸钠中杂质（假设杂质不与碱石灰作用）的质量分数。
由于无水乙酸钠与碱石灰共热生成甲烷的反应不是定量进行的（有副反应存在），所以不能用这种方法测定无水乙酸钠的纯度。用5.0g无水乙酸钠与足量碱石灰反应也不可能生成1.35L甲烷（产率98.8％）。