應用科學 BTEC 國家/化學實驗室技術/苯甲酸

苯甲酸的製備

此處提供的實驗細節出自善意，並且被認為是安全和可行的操作方法。但是，作者對執行這些實驗所產生的後果不承擔任何責任。

這些實驗是為經驗豐富的科學教學人員編寫的，供他們作為受監督的學生課堂的指導。這些實驗不是為學生或沒有監督的公眾成員設計的。如果你想嘗試這些實驗，請確保你事先完成了法律上充分的風險評估，並且在風險評估的限制範圍內操作。

理論

氧化反應是有機化學中非常重要的一類反應。大多數氧化反應需要還原態的雜原子（-OH 中的 O、-NH₂ 中的 N 等）或碳-碳 π 鍵。

芳香族側鏈的氧化不需要任何這些因素。所需要的只是苄基碳，至少有一個氫原子連線到它上面。可以使用的氧化劑有鉻酸（在硫酸和水中使用 Na₂Cr₂O₇ 或 CrO₃）或高錳酸鉀 (KMnO₄)。在每種情況下，產物都是苯甲酸或苯甲酸的衍生物。高錳酸鉀反應需要用酸處理，因為高錳酸鉀反應產生鹼性溶液作為副產物）。

C₆H₅CH₃ + 2 KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2 MnO₂ + H₂O + KOH

我們將使用高錳酸鉀將甲苯 (甲苯) 氧化為苯甲酸。高錳酸鉀溶液比含鉻化合物的溶液危害小，鉻化合物通常具有致癌性。^[1]

安全

• 高錳酸鉀 (高錳酸鉀) 是一種強氧化劑，具有腐蝕性，操作時要戴手套（它還會染汙皮膚和衣物）。
• 亞硫酸氫鈉 (亞硫酸氫鈉) 是刺激性物質——操作時要戴手套。
• 濃鹽酸具有腐蝕性和毒性——操作時要戴手套，並確保在操作後清洗手套和雙手。
• 甲苯 (甲苯) 是一種易燃液體，有毒，其蒸氣具有麻醉性——實驗室中不允許使用火焰，操作時要戴手套，並避免吸入其蒸氣。^[1]

方法

^[1] 第一天：苯甲酸的製備。

在 100 cm³ 的圓底燒瓶中（這樣可以使液體保持在反應容器容量的一半以下），混合以下物質：

• 3.0 g KMnO4（小心不要接觸皮膚）
• 約 0.7 g 甲苯（約 0.8 cm³ 液體）
• 35 g (cm³) 水。

將反應混合物迴流（新增一些防爆沸顆粒）長達 4 小時。

迴流時間短於此時間可能會導致剩餘的錳酸鹽 (VII)。由於甲苯的揮發性，因此需要對迴流冷凝器進行有效的冷卻。

C₆H₅CH₃ + 2 KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2 MnO₂ + H₂O + KOH ^[2]

停止，並將你的裝置放置到下一個實驗室階段進行純化。

第二天：苯甲酸的分離

在布氏漏斗中使用抽濾（過濾熱溶液，但不要用熱水或冷水洗滌）。收集濾液（穿過濾器的液體）。

不溶性的 MnO₂ 會被濾器保留，而濾液則被收集在抽濾瓶中。它可以被丟棄。

如果濾液仍然是紫色的（表明 MnO₄^- 離子仍然存在），則將濾液轉移到一個新的燒瓶中，如果它仍然很熱，則在冰浴中冷卻。

緩慢地加入少量固體亞硫酸氫鈉 (NaHSO₃) 來還原任何殘留的高錳酸鉀離子。

小心，因為亞硫酸氫鈉與高錳酸鉀之間的反應是高度放熱的（釋放熱量）。

當不再出現紫色（混合物將成為棕色的懸浮液）時，你就添加了足夠的亞硫酸氫鈉。

當紫色不再出現時，將懸浮液在 3-4000 rpm 下離心 5 分鐘。（此時形成的 MnO₂ 太細，無法有效過濾）。離心會使沉澱形成沉澱物，其餘的溶液可以小心地傾倒。

如果溶液不是無色的（仍然是紫色的），則需要新增更多亞硫酸氫鈉並重復離心，以便產生澄清的溶液（輕微的棕色色調是可以接受的，但不能是紫色的）。

將澄清無色的溶液（輕微的棕色色調是可以接受的）放入冰浴中。透過加入約 2.5 cm³ 的濃鹽酸來酸化混合物。逐滴加入酸，直到形成白色苯甲酸沉澱。（如果沒有新增足夠的酸，它可能會重新溶解）。可能只需要 4-5 滴就能使溶液酸化，並開始形成固體物質。新增更多酸不會影響你的結果，因為你不能新增過多的酸。

C₆H₅COOK + KOH + 2 HCl → C₆H₅COOH + H₂O + 2 KCl ^[2]

使用真空過濾和布氏漏斗收集沉澱的有機產物。你可以使用少量冷水洗滌固體物質，並將固體從結晶容器中去除，然後在表面皿上乾燥。

固體產物將儲存在乾燥箱中，直到下一個實驗室階段進行重結晶。

停止，將你的固體物質儲存到下一個實驗室階段進行純化。如果你在本實驗室階段無法產生固體物質，你可以將你的樣品儲存到下一個實驗室階段。

第三天：苯甲酸的重結晶和分析

純化方法包括重結晶。需要選擇一種合適的溶劑，該溶劑在以下情況下：

1. 苯甲酸在高溫下非常容易溶解，但在低溫下難溶，並且…
2. 任一：雜質在所有溫度下都不溶，或者…
3. 雜質在所有溫度下都可溶

在本實驗中滿足這些標準的溶劑是水。

重結晶方法示例

這是一個關於如何記錄工作的示例。重複此實驗——如果你有能力，可以對其進行改進。注意，並非所有資料都已為你記錄（例如，所使用的熱水的體積）。

苯甲酸被收集在一個燒杯（250 cm³）中。

將少量水倒入燒杯中，並將混合物在本生燈火焰上加熱至沸騰。攪拌混合物以促進溶解。

並非所有苯甲酸都溶解了。新增少量水，保持混合物攪拌並煨。重複該過程，直到所有苯甲酸似乎都溶解了。

將混合物快速過濾透過預熱的布氏漏斗。任何不溶性雜質作為殘留物留在濾紙上。

將濾液置於冰上冷卻，這會導致大部分苯甲酸結晶。可溶性雜質留在溶液中。

再次在泵的作用下過濾混合物，這次在冷的情況下進行。過濾後的殘留物是純化的苯甲酸。

將少量去離子水沖洗該殘留物，以除去鹽溶液。過濾後短暫執行泵有助於殘留物乾燥。

然後小心地將殘留物從濾紙上刮到表面皿上，並在 60 ^oC 的烘箱中乾燥。乾燥後，稱量最終產品。

結果

起始苯甲酸質量 4.00 g

苯甲酸產品質量 3.50 g

討論

透過測定熔點分析苯甲酸。將觀察到的值與文獻值進行比較。根據限量試劑（甲苯）確定產率。

顯示甲苯的甲基碳、酸的羰基碳以及高錳酸根離子和 MnO₂ 中的 Mn 的氧化態。

您可能希望記錄實驗的其他細節，這些細節不會自然地歸入任何其他類別，例如可能發生的錯誤；一些對您來說是新的理論；一些有趣的應用或細節，您可能希望將其記錄以備將來參考等。