《专业实验》实验指导书.docx
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《专业实验》实验指导书
《专业实验》实验指导书
重庆科技学院化学化工学院
田敉
一、课程实验的地位、作用和目的
《专业实验》是化工学院化工工艺专业和应用化学专业高年级学生的必修实验课，是在学习完《有机化学》、《有机化学实验》、《精细有机合成》等相关理论课程的基础上开设的一个实践性环节。
它的目的是使学生在完成普通有机化学实验的基础上，训练学生使用现代仪器和实验方法研究有机合成反应，在半微量或微量的规模下，合成、分离和鉴定某些有机化合物，以及利用一些常见的著名有机反应进行多步骤合成等。
通过有机合成实验课的教学进一步培养学生良好的实验室工作方法和工作习惯，实事求是的实验室工作作风和严谨认真的科学态度，使学生既有一颗善于分析和思考的头脑，又有一双勤劳能干会做实验的手。
二、课程实验成绩评定
1．考核方式：
考查
2．评分标准：
课前预习20%，实验操作占40%，实验报告占40%。
3．每次实验按评分标准实行百分制评定或五级记分制（优、良、中、及格、不及格）。
4．总成绩取每次实验成绩的平均值。
三、课程实验要求（如表）
序号
项目
名称
实验课时
内容提要
教学要求
（了解观察、熟悉、掌握、熟练掌握及运用等）
实验
类别
实验方式
适用
专业
1
乙酸丁酯的制备
8
用醇和羧酸在浓硫酸存在下，通过酯化反应制备机酸酯。
掌握有机酸酯的制备原理和乙酸丁酯的制备方法。
学习用恒沸混合物除去酯化产物中水的方法。
综合性
教师指导下学生独立完成
化工工艺、应用化学
2
间硝基苯胺的制备
8
用Na2S2对多硝基化合物的部分还原
学习多硝基化合物部分还原反应的原理，掌握间硝基苯胺的制备方法。
综合性
教师指导下学生独立完成
化工工艺、应用化学
3
阻燃、耐寒增塑剂磷酸三辛酯的合成
8
由三氯氧磷与2−乙基己醇反应制备磷酸三辛酯
了解磷酸盐系增塑剂的合成原理，掌握磷酸三辛酯的合成方法。
综合性
教师指导下学生独立完成
化工工艺、应用化学
4
石油采油助剂胶体聚丙烯酰胺的合成及水解度测定
8
由丙烯酰胺在引发剂作用下聚合而成聚丙烯酰胺，再在碱性条件下发生水解，计算其水解度。
学习丙烯酰胺合成聚丙烯酰胺的原理和合成方法，熟悉聚丙烯酰胺在碱性条件下的水解反应，掌握一种测定水解度的方法。
综合性
教师指导下学生独立完成
化工工艺、应用化学
5
食品防腐剂山梨酸钾的制备
8
以巴豆醛和丙二酸为原料合成山梨酸，再与氢氧化钾反应，制得山梨酸钾。
学习山梨酸钾的性质和用途，掌握山梨酸钾制备的原理和方法。
综合性
教师指导下学生独立完成
化工工艺、应用化学
6
抗氧剂双酚A的合成
8
苯酚与过量的丙酮在硫酸的催化下缩合脱水生成双酚A
掌握抗氧剂双酚A的合成原理和方法，学习和掌握离心机的操作方法，熟悉重结晶的操作方法。
综合性
教师指导下学生独立完成
化工工艺、应用化学
四、教材
1.强亮生主编,《精细化工实验》（第二版），哈尔滨工业大学出版社，2002年。
2.强亮生、王慎敏主编，《精细化工综合实验》（修订版），哈尔滨工业大学出版社，2006年。
实验一乙酸丁酯的制备
一、实验目的
1．掌握有机酸酯的制备原理和乙酸丁酯的制备方法。
2．学习用恒沸混合物除去酯化产物中水的方法。
二、实验原理
1.主要性质和用途
乙酸丁酯（butylacetate）亦称乙酸正丁酯，无色液体，具有水果香味，微溶于水，能溶于乙醇、乙醚和烃类。
密度0.8826（20℃），沸点126.3℃，凝固点-77℃，折光率1.3591（20℃）。
乙酸丁酯是良好的有机溶剂，可用于火棉胶、清漆、人造革、医药、塑料及香料工业，并可用作萃取剂和脱水剂。
2.制备原理
有机酸酯通常用醇和羧酸在少量催化剂（如浓硫酸）的存在下，通过酯化反应制得：
酯化反应是一个典型的酸催化可逆反应。
为使反应平衡向右移动，可用过量的醇或羧酸，也可将反应中生成的酯或水及时蒸出。
实验中要注意控制反应的温度、原料滴加的速度和产品蒸出速度，从而使反应进行得比较完全。
在制备乙酸丁酯时，采用等摩尔的乙酸和丁醇，加入极少量的浓硫酸作催化剂，进行回流。
让回流冷凝液先进入一个分水器分层，水分留在分水器中，有机液不断地流回反应器中。
这样，在酯化反应进行时，生成的水可以从平衡混合物中除去，使反应几乎可进行到底，得到高产率的乙酸丁酯。
反应方程式如下：
三、实验仪器和药品
电热套、三口烧瓶（250ml）、球形冷凝管、直形冷凝管、接引管、分液漏斗（125ml）、
锥形瓶（50ml、100ml）、蒸馏烧瓶（50ml）、量筒（10ml、100ml）温度计（0℃-200℃）。
正丁醇、冰醋酸、浓硫酸、碳酸钠溶液（10%）、无水硫酸镁、pH试纸。
四、实验内容
在干燥的250ml三口烧瓶中加入28.9ml正丁醇和14.4ml冰醋酸，再加10滴浓硫酸，投入沸石，混合均匀，装配分水器和球形冷凝管，并在分水器中预先加水，使水位至低于支管口。
假若回流，反应一段时间后将水逐渐分去，保持分水器中水层液面在原来的高度。
约40min后不再有水生成，则说明反应完毕。
停止加热，记录分出的水量。
冷却后取下回流冷凝管，把分水器中分出的酯层和三口烧瓶中的反应液一起倒入分液漏斗中。
用20ml水洗涤，分去水层。
酯层用25ml10%碳酸钠溶液洗涤，并检查是否仍有酸性（如有酸性怎么办），分去水层。
将酯层再用20ml水洗涤一次，分去水层。
将酯层倒入干燥的锥形瓶中，加入少量无水硫酸镁干燥。
将干燥后的乙酸正丁酯倒入干燥的50ml蒸馏瓶中（注意不要将硫酸镁倒进去），加入沸石，安装好蒸馏装置，加热蒸馏。
收集124~126℃的馏份。
前后馏份倒入指定是回收瓶中。
产品称重，并计算产率。
五、注意事项
1.浓硫酸在反应中起催化剂作用，只需加少量。
2.本实验利用恒沸混合物除去酯化反应中生成的水。
正丁醇、乙酸正丁酯和水可能形成下
表中的几种恒沸混合物：
恒沸混合物
沸点/℃
组成（重量%）
乙酸正丁酯
正丁醇
水
二元
乙酸正丁酯--水
正丁醇-水
乙酸正丁酯--正丁醇
90.7
93.0
117.6
72.9
32.8
55.5
67.2
27.1
14.5
三元
乙酸正丁酯--正丁醇-水
90.7
63.0
8.0
29.0
含水的恒沸混合物冷凝为液体时，分为两层，上层为含少量水的酯和醇，下层主要是水。
3.根据分出的总水量（注意扣去预先加到分水器中的水量），可以粗略地估计酯化反应完成的程度。
六、思考题
1.本实验是根据什么原理来提高乙酸正丁酯的产率的？
2.计算反应完成时应分出的水量？
3.反应中生产的水的怎么分去的？
实验二间硝基苯胺的制备
一、实验目的
1.学习多硝基化合物部分还原反应的原理。
2.掌握间硝基苯胺的制备方法。
二、实验原理
1.主要性质和用途
间硝基苯胺（meta-nitroaniline）为黄色针状晶体或粉末。
微溶于水，溶于乙醇、乙醚、甲醇。
熔点111.8℃，密度1.430（20℃）。
家硝基苯胺主要用作有机合成中间体，可用于制取冰染染料橙色基R和制取色酚AS-BS。
2.制备原理
本实验利用间硝基苯还原法制备见硝基苯胺。
多硝基化合物中硝基的部分还原，常采用Na2S2作还原剂（因为它的还原作用比较缓和）。
用Na2S2是通过S2-2离子攻击硝基上的氮原子而实现的。
由于S2-2离子的水合程度较低。
被氧化后的电子构型比较稳定，因此它的还原能力比S2-离子强。
苯环上带有吸电子基团有利于硝基的还原；带有给电子基团，则阻碍反应进行。
所以若见硝基苯胺进一步还原，要比间二硝基苯还原难得多。
需使用更强的还原剂才能使其还原。
用过硫化钠作还原剂，还原间二硝基苯的反应方程式如下：
三、主要仪器和药品
三口烧瓶（250ml）\电动搅拌器、温度计（0℃～100℃）、球形冷凝管、滴液漏斗（60ml）、烧杯（250ml、500ml）、锥形瓶（250ml）、电热套、玻璃漏斗（¤90）、滴管、托盘天平。
间二硝基苯、硫化钠、硫磺粉、盐酸、氨水、PH试纸、硫酸铜试纸。
四、实验内容
1.过硫化钠溶液的制备
将10g硫化钠溶于盛有90ml水的250ml锥形瓶中，加入4.2g硫磺粉，用电热套加热，直至硫磺粉全部溶解。
静置40min，如有固体杂志，过滤之，得澄清溶液。
2.间硝基苯胺的制备
在装有搅拌器、温度计、球形冷凝管和滴液漏斗的250ml三口瓶中，加入12.5g间二硝基苯及100ml水。
加热到沸腾，剧烈搅拌使其成为很细的悬浮液。
然后在不断搅拌下，于20mim～25min内滴加上述过硫化钠溶液，滴加完毕后，继续加热煮沸20min。
检验反应终点（用滴管吸取少量反应物，滴在用硫酸铜溶液浸渍过的滤纸上若无黑色的硫化铜斑点，表明反应已达终点）。
将反应物倒入盛有50g碎冰的500ml烧杯中，使反应物迅速冷却。
过滤析出的粗间硝基苯胺，用冷水洗涤三次，除去残留的硫代硫酸钠。
取出粗产品，放入盛有稀盐酸（由75ml水和18ml36%浓盐酸配制而成）的250ml烧杯中，煮沸10min,使间硝基苯胺溶解。
冷却后，过滤除去剩下的过硫化钠和未反应的间二硝基苯。
不断搅拌，在滤液中加入过量的浓氨水，当PH=8时，即有黄色的间硝基苯胺析出。
过滤，并用少量冷水洗涤至PH=7。
粗产品用沸水重结晶，得黄色晶体。
产品称重，并计算产率。
五、注意事项
间二硝基苯和间硝基苯胺有毒，须小心操作，勿接触皮肤。
六、思考题
1.间二硝基苯制取间硝基苯胺能否采用铁粉和盐酸反应制得的初生态氢进行还原？
2.产品中的主要杂质是什么？
如何去除？
3.为什么用稀盐酸溶解粗产品？
用水可以吗？
4.制备间硝基苯胺的还原剂还有哪些？
实验三阻燃、耐寒增塑剂磷酸三辛酯的合成
一、实验目的
1．了解磷酸盐系增塑剂的合成原理。
2．掌握磷酸三辛酯的合成方法。
二、实验原理
1．主要性质和用途
磷酸三辛酯（trioctylhosphate）代号为TOP，结构式为
本品为无色液体，密度为0.920（20℃），沸点为216℃折光率1.441（25℃），水中溶解度0.01%，可与矿物油、汽油混溶。
本品是聚氯乙烯的优良耐寒增塑剂之一，低温性能优于己二酸酯类，具有防霉和阻燃作用，热稳定性和塑化性能较差，与磷酸三甲苯酯并用可得到改善。
与DOP并用可得到自熄性制品。
主要用于聚氯乙烯电缆料、涂料以及合成橡胶和纤维素塑料。
2.合成原理
磷酸三辛酯由三氯氧磷与2—乙基己醇反应制得，反应式
在低温下三氯氧磷与2—乙基己醇混合都在60℃反应，控制氯化氢的排除使反应进行到底。
然后经纯碱中和、水洗到中性、减压蒸馏而制得。
三、主要仪器和药品
三口烧瓶（250ml）、滴液漏斗（60ml）、玻璃水泵、氯化氢吸收装置、锥形瓶（100ml）、分液漏斗（250ml）、烧杯（500ml）、电热套、温度计（0~100℃、0~300℃）、分馏装置。
三氯氧磷、2—乙基己醇、碳酸钠、氢氧化钠。
四、实验内容
1．合成磷酸三辛酯
将80g2—乙基己醇加入三口烧瓶中，升温到50℃开始用滴液漏斗滴加30g三氯氧磷，控制温度在（60±2）℃，在30min内加完，继续反应3h。
反应产生的氯化氢用5%氢氧化钠溶液吸收。
将反应物倒入烧杯中，用1%碳酸钠溶液中和到pH为7~8。
再加入80℃的热水水洗三次，每次100ml热水，用分液漏斗分离。
以除去水、三氯氧磷等。
2.产品分离
将磷酸三辛酯溶液加入蒸馏烧瓶中，减压蒸馏，将水和未反应的2—乙基己醇蒸出，剩余物为磷酸三辛酯，称重，并计算收率。
五、注意事项
1．注意反应装置密封。
2．氯化氢吸收装置要防止水倒流。
3．三氯氧磷遇水分解，所用仪器必须干燥。
六、思考题
1．反应用的三口烧瓶和滴液漏斗等反应器为什么必须干燥？
2.合成的粗磷酸三辛酯用什么方法精制？
实验四石油采油助剂胶体聚丙烯酰胺的合成及水解度测定
一、实验目的
1．熟悉由丙烯酰胺合成聚丙烯酰胺的原理及操作方法。
2．熟悉聚丙烯酰胺在碱性条件下的水解反应。
3.掌握一种测定水解度的方法。
二、实验原理
1.主要性质和用途
胶体聚丙烯酰胺（collcidalpolyacrylamide）别名絮凝剂聚丙烯酰胺，简称PAM。
化学式为
本品为无色或淡黄色粘稠体。
可以溶于，几乎不溶于有机溶剂。
聚丙烯酰胺是一种具有良好的降失水、增稠、絮凝和降磨阻等特性的油田化学助剂，在采油，钻井堵水、调剂、酸化、压裂、水处理等方面已经得到广泛应用。
还可用作纸张增强、纤维改性、纺织浆料、纤维糊料、土壤改良、树脂加工、分散等方面。
2.合成胶体聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺在引发剂作用下聚合而成，：
反应是按自由基机理进行的，随着反应的进行，分子链增长，当分子链增长到一定程度后反应体系黏度明显增大。
3.聚丙烯酰胺的水解
聚丙烯酰胺在碱性条件下可以发生水解，生成部分水解聚丙烯酰胺，随着水解反应的进行，有氨气放出，并产生带负电的链节，使部分水解聚丙烯酰胺在水中呈现伸展的构象，体系黏度增大。
4.水解度测定
由水解反应可知，聚丙烯酰胺在水解过程中消耗的NaOH与生成的—COONa摩尔数相等。
故水解时定量加入NaOH，水解完成后测定体系中剩余的NaOH，即可计算出部分水解聚丙烯酰胺的水解度：
式中DH——部分水解聚丙烯酰胺的水解度，%；
A——加入NaOH的量，mol；
N——硫酸标准溶液的浓度，mol·L-1；
V——硫酸标准溶液的用量，ml；
c——溶液中相当与聚丙烯酰胺的质量百分浓度；
W——取出被滴定试液的质量，g。
三、主要仪器和药品
恒温水浴、酸式滴定管、分析天平、搅拌棒、托盘天平、移液管（20ml.10ml）、烧杯（200ml）、量筒（100ml）、温度计（0—100℃）。
丙烯酰胺、酚酞指示剂、10%NaOH溶液、过硫酸氨、标准硫酸溶液、聚丙烯酰胺粉末。
四、实验内容
称取5g丙烯酰胺，放入200ml烧杯中，加入45ml蒸馏水，得到10%丙烯酰胺溶液。
在恒温水浴中，将上述溶液加热到60℃然后加入15滴10%过硫酸氨溶液，引发丙烯酰胺聚合反应。
在聚合反应过程中，慢慢搅拌，注意观察粘度变化。
30min以后停止加热，得到聚丙烯酰胺水溶液。
称取2g聚丙烯酰胺粉末，放入200ml烧杯中，加入150ml蒸馏水，并用移液管加入4ml10%的NaOH溶液，连续搅拌均匀后称重记录。
将水浴温度调节到90℃使其进行水解反应。
在水解过程中，慢慢搅拌，观察粘度变化，并检查氨气的放出情况，每隔30min取4g样品（准确称取0.01g），测定水解度。
要求至少水解2h~3h。
（注：
第一次取样前应向反应液中加水，使其等于水解前的质量；以后每次取样前均须加水，使水解溶液量等于水解前的量减去取出式样的累积量）
五、数据处理
1.计算测定的水解度。
2.画出水解度—时间关系曲线。
3.解释实验中观察到的各种现象。
六、思考题
1.聚丙烯酰胺为什么在碱性条件下能发生水解？
2．举例说明聚丙烯酰胺在油田上的应用。
3．如何解释实验中观察到的现象？
实验五食品防腐剂山梨酸钾的制备
一、实验目的
1.学习山梨酸钾的性质和用途。
2.掌握山梨酸钾制备的原理和方法。
二、实验原理
1．主要性质和用途
山梨酸钾（potassiumsorbate）学名已二烯-（2，4）-酸钾，结构式CH3CH==CHCH==CHCOOK，分子式H6H7KO2，是一种不饱和的单羧基脂肪酸，呈无色或白色鳞片状结晶或粉末。
在空气中不稳定，能被氧化着色，有吸湿性，约270℃熔化分解。
易溶于水，溶于乙醇。
用做食品防腐剂，用于肉、鱼、蛋、禽类制品，果蔬类保鲜，饮料、果冻、软糖、糕点类。
我国规定最大使用量为0.5~2g·kg-1。
2．制备原理
山梨酸的合成工艺路线有四种：
（1）以丁烯醛（巴豆醛）和乙烯酮为原料
CH3CH==CHCHO+CH2==C==OCH3CH==CHCH==CHCOOH
（2）以巴豆醛和丙二酸为原料
CH3CH==CHCHO+CH2（COOH）2CH3CH==CHCH==CHCOOH
CH3—C—CH3
（3）以巴豆醛和丙酮为原料
CH3CH==CHCHO+
O
（4）以山梨醛为原料
实验室采用路线
（2），制得的山梨酸再与氢氧化钾反应，制得山梨酸钾
三、主要仪器和药品
四口烧瓶（250ml）、烧杯（200ml、500ml）球形冷凝管、抽滤瓶（500ml）、温度计（0~100℃）、量筒（10ml、100ml）、电动搅拌机、真空泵。
巴豆醛（化学纯）、丙二酸（化学纯）、吡啶（化学纯）、硫酸（化学纯）、乙醇（化学纯）、氢氧化钾（化学纯）、精密pH试纸、滤纸等。
四、实验内容
向四口烧瓶中依次加入35g巴豆醛、50g丙二酸和5g吡啶，室温搅拌20min待丙二酸溶解后，缓慢升温至90℃，保温90~100℃，反应3~4h.。
用冰水浴降温至10℃以下，缓慢加入质量分数10%稀硫酸，控温低于等于20℃，至反应物pH约为4~5止，冷冻过夜，抽滤，结晶用冰水50ml分两次洗涤结晶，得山梨酸粗品。
将粗品山梨酸倒入烧杯中，用3~4倍量的质量分数60%的乙醇重结晶，抽滤得精品山梨酸。
将山梨酸倒入烧杯中，加入等摩尔数的氢氧化钾和少量水，搅拌30min，产物浓缩，95℃烘干，得白色山梨酸钾结晶。
五、注意事项
1.用稀硫酸调pH值时注意控温。
2.山梨酸精品结晶时一定要控制温度在0~5℃。
六、思考题
1.制备山梨酸精品时，加入吡啶的目的是什么？
2.制备山梨酸精品时，产物为什么要调pH值？
产物为什么要冷冻过夜？
实验六抗氧剂双酚A的合成
一、实验目的
1．掌握抗氧剂双酚A的合成原理和合成方法。
2．学习和掌握离心机的操作方法。
3．熟悉重结晶的操作方法。
4．熟练有机物熔点的测定方法。
二、合成原理
1.主要性质和用途
双酚A又称二酚基丙烷，化学名称为2，2′-二对羟基苯基丙烷（2，2′—bis（p-hydroxyphenyl）propane,结构式：
本品为无色结晶粉末，熔点155~158℃，密度1.95（20℃）。
溶于甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙酸、丙酮及二乙醚，微溶于水，易被硝化、卤化、硫化、烃化等。
抗氧剂双酚A可作为塑料和油漆用抗氧剂，是聚氯乙烯的热稳定剂，也是聚碳酸酯、环氧树脂、聚砜、聚苯醚等树脂的合成原料。
2.合成原理
双酚A的合成方法有多种没，大都由苯酚与丙酮合成，不同之处是采用的催化剂有别。
本试验采用的是硫酸法，即苯酚与过量的丙酮在硫酸的催化下缩合脱水，生成双酚A。
其反应式为：
三、实验仪器和药品
分液漏斗（500ml）、布氏漏斗（φ8）、吸滤平（500ml）、电动搅拌器、水浴锅、电热干燥箱、电动离心机、三口烧瓶（250ml）、球形冷凝管、玻璃水泵、温度计（0℃~100℃）、烧杯（500ml）、量筒（100ml）、滴液漏斗（60ml）、托盘天平。
苯酚、丙酮、甲苯、硫酸（79%含量）、二甲苯、巯基乙酸。
四、实验步骤
1.合成
在三口烧瓶中加入30g熔融的苯酚、60g甲苯、40g79%硫酸，将三口烧瓶放入冷水浴冷却物料至28℃以下。
在搅拌下加入0.2g助催化剂巯基乙酸。
然后一边搅拌一边用滴液漏斗滴加10g丙酮，滴加期间，瓶内物料温度控制在32℃~35℃，不得超过40℃，同时开启回流冷凝管的上水。
约在30min内滴加完丙酮，在36℃~40℃搅拌2h以上。
移入分液漏斗用热水洗涤三次，第一次水洗量为50ml。
第二、三次水洗量均为80ml（水温为82℃），每次水洗时，一边搅拌一边滴加热水，加完水后，振荡使之混合均匀，再静置分层。
放出下层液，将上层的物料移至烧杯中，一边搅拌一边用冷水冷却、结晶。
当冷至25℃以下，吸滤，用水洗涤滤饼吸滤至干，得粗双酚A。
滤液可回收。
2.精制
双酚A的精制采用重结晶法，按粗双酚A︰水︰二甲苯=1︰1︰6（质量比）的配料投入三口烧瓶中，搅拌下加热升温至92℃~95℃。
加热回流15min~30min。
停止搅拌，将物料移入分液漏斗中静置分层，放出下层水液后，冷却结晶，当冷至35℃以下后，离心脱出二甲苯（回收），将双酚A烘干后称重，计算收率。
产品质量标准如下表所示：
外观
白色结晶粉末
酚含量，%
<0.02
熔点，℃
155~158
水分，%
<0.4
铁含量，10-6mol·L-1
<15
色相，铂-钴色比
<30
五、注意事项
洗涤反应液时切勿剧烈振荡，否则反应液发生乳化现象。
六、思考题
1.滴加丙酮时为什么控制温度？
2.水洗时水温的控制依据是什么？
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