浅谈硫酸在高中阶段涉及有机化学反应中的应用

门英倩

摘要：在高中阶段的有机化学反应中很多用到硫酸，在高中阶段，学生系统的掌握硫酸的应用，有利于学生对有机化学反应规律的理解。

关键词：浓硫酸；催化作用；脱水作用；吸水作用

G633.8

在高中阶段有机化学教学中涉及到很多用到硫酸的反应。例如，苯和浓硝酸、浓硫酸混合水浴50～60℃制备硝基苯，乙醇和浓硫酸混合在170℃制备乙烯，在140℃制得乙醚，乙酸和乙醇、浓硫酸混合加热制备乙酸乙酯，二糖、多糖在有硫酸的条件下水解。在高中阶段，学生系统的掌握硫酸的应用，有利于学生对有机化学反应规律的理解。从高中课本来看，硫酸在有机化学反应中的应用主要有以下几点作用：

一、浓硫酸的催化作用和脱水作用

在有些有机反应中浓硫酸不仅提供氢离子起着催化作用，同时还使有机物按水的组成从有机物中夺取氢元素和氧元素而起到脱水作用。例如：

1.乙醇的消去反应

乙醇和浓硫酸混合迅速升温到170℃可以制得乙烯，属于醇的消去反应。

实验步骤：在长颈圆底烧瓶中加入乙醇和浓硫酸（体积比约为1：3）的混合液20mL（配制体积比为1：3的乙醇与浓硫酸混合液的方法：在烧杯中加入5mL95%乙醇，然后，滴加15mL浓硫酸，边加边搅拌，冷却备用），放入几片碎瓷片，以避免混合液在受热时暴沸。加热混合液，使液体温度迅速升温到170℃，将生成的气体通入高锰酸钾酸性溶液和溴的四氯化碳溶液中。

反应机理：乙醇遇到浓硫酸后，硫酸分子中的氢离子和乙醇分子作用生成烊盐，在170℃时，烊盐中的氧带有部分正电荷，使碳和氧之间的电子云更加偏向于氧，使得碳氧之间的化学键断裂，生成不稳定的碳正离子，从相邻碳原子上失去氢而生成乙烯。在整个过程中，氢离子起到了至关重要的作用，才使得后续反应继续进行。浓硫酸在这个反应中，起催化作用和脱水作用，但主要起催化作用。

2.乙醇分子间脱水生成二甲醚

乙醇和浓硫酸混合迅速升温到140℃可以制得二甲醚，分子间脱水，属于取代反应，相当于一个乙醇分子中的羟基被另一个乙醇分子中的烷基取代。反应机理：乙醇遇到浓硫酸后，硫酸分子中的氢离子和乙醇分子作用生成烊盐，在140℃时，烊盐与另一个乙醇分子形成中间体，再失去一个质子形成二甲醚。在整个过程中，也是氢离子起主要作用，所以浓硫酸在这个反应中起催化作用和脱水作用，但催化作用占主要地位。

二、浓硫酸的催化作用和吸水作用

1.乙醇和乙酸的酯化反应

乙醇和乙酸、浓硫酸混合加热时生成乙酸乙酯和水，这是一个可逆反应。

实验步骤：在一支试管中加入3mL乙醇，然后边振荡试管边慢慢加入2mL浓硫酸和入2mL乙酸；用酒精灯缓慢加热试管，将产生的蒸气经导管通到饱和碳酸钠溶液的液面上。

实验现象：液面上有透明的不溶于水的油状液体产生，并可以闻到香味，这种香味来自于乙酸乙酯。

反应机理：氢离子先和乙酸分子上的酰基上的氧结合，使乙酸分子中羧基中的碳原子的电子云密度降低，有利于亲核试剂乙醇分子的进攻，乙醇分子进攻羧基上带有正电荷的碳原子，形成中间体，再失去一分子水，然后再失去一个质子就生成乙酸乙酯。有文献认为在这个反应中浓硫酸起催化作用和脫水作用。但是由于该反应是可逆反应，浓硫酸吸收水，促进该反应向正向进行，所以浓硫酸在乙醇和乙酸的酯化反应中应该是催化作用、脱水作用、吸水作用都有，但是在高中阶段，认为在这个反应中主要起催化作用和吸水作用。

2.苯的硝化反应

苯和浓硝酸、浓硫酸混合水浴50～60℃可以制得硝基苯。反应机理：浓硫酸与硝酸作用，生成硝酰正离子（+NO2）和水，这是一个可逆过程，同时因浓硫酸具有吸水性，吸收了苯硝化反应中生成的水，保持了反应中的硝酰正离子的浓度，硝酰正离子有利于硝基苯的生成，从而有利于反应的进行。所以浓硫酸在苯的硝化反应中起催化和吸水的双重作用。

三、稀硫酸的催化作用

在二糖和多糖水解反应中，常加入稀硫酸。没有稀硫酸，几乎是不水解的。硫酸在二糖、多糖水解反应中只起催化作用。

综上所述，在高中阶段的有机化学反应中，浓硫酸在乙醇的消去反应和分子间脱水的反应中起催化作用和脱水作用；浓硫酸在乙醇和乙酸的酯化反应和苯的硝化反应中起催化作用和吸水作用；稀硫酸在二糖和多糖水解的反应中，只起催化作用。

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书.化学选修5：有机化学基础[M].人民教育出版社，2007年2月第2版，51页.

[2]普通高中课程标准实验教科书.化学必修2[M].人民教育出版社，2007年3月第3版，75-76页.