胡業(yè)宏

摘要：中學(xué)化學(xué)教材中“乙醇與濃硫酸脫水制乙烯”實(shí)驗(yàn)存在明顯不足，如耗材多，產(chǎn)率低，有污染，有危險(xiǎn)，催化劑不能重復(fù)使用，雜質(zhì)嚴(yán)重影響乙烯檢驗(yàn)且耗時(shí)長(zhǎng)等。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作便利，安全可靠，反應(yīng)產(chǎn)率高，藥品消耗量只需不到原來(lái)的十分之一，只需5～8分鐘便可以完成實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：乙醇消去反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；ZSM-5分子篩；工業(yè)方法；安全瓶

文章編號(hào)：1005–6629（2016）10–0061–03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 實(shí)驗(yàn)背景

“實(shí)驗(yàn)室乙醇與濃硫酸脫水制乙烯”實(shí)驗(yàn)多年來(lái)都是教材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，其主要方法為將濃硫酸與乙醇按3：1體積比混合，然后迅速升溫至170℃來(lái)制取乙烯。

該實(shí)驗(yàn)存在較多不足：

（1）消耗的藥品過(guò)多，產(chǎn)率低。經(jīng)計(jì)算，要收集到500mL（常溫下）左右的乙烯來(lái)滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)與收集，理論上都不需要超過(guò)2mL無(wú)水乙醇，而演示所用的燒瓶裝的乙醇得用50mL以上。

（2）準(zhǔn)備時(shí)間比較長(zhǎng)，經(jīng)常需要在課前就開(kāi)始加熱裝置，而且還得用火力較大的酒精燈加熱使其溫度快速超過(guò)140℃。

（3）乙醇碳化明顯，雜質(zhì)較多，特別是碳化后再與濃硫酸反應(yīng)，產(chǎn)物中含有二氧化硫，需要除雜后才能利用溴水檢驗(yàn)乙烯。由于教師演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)用NaOH溶液除去二氧化硫的步驟往往不夠徹底，在實(shí)驗(yàn)完成后，可能造成學(xué)生對(duì)“乙烯使溴水褪色的速度”產(chǎn)生誤解。

（4）事后處理較麻煩，作為催化劑的濃硫酸已無(wú)法再次利用，處理不當(dāng)將對(duì)環(huán)境有不利影響。

（5）存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，如加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，瓶中有乙醚等危險(xiǎn)物品產(chǎn)生。

若將濃硫酸改為體積比1：1的濃硫酸與濃磷酸，或用P2O5作催化劑，可以減少乙醇碳化現(xiàn)象，發(fā)生的副反應(yīng)也比較少。不過(guò)，乙醇容易氣化損失，產(chǎn)生的氣體不均勻，還有可能造成倒吸，且藥品用量仍比較多。而若使用氧化鋁固體作催化劑，副反應(yīng)較少，裝置簡(jiǎn)單，成本較低，但需要溫度較高，氧化鋁容易失去活性，產(chǎn)生氣體一旦不均勻，會(huì)導(dǎo)致較快的倒吸，引發(fā)試管炸裂。

可見(jiàn)，如何做到藥品用量少、裝置簡(jiǎn)單、操作便利、現(xiàn)象明顯、安全可靠，是主要考慮的問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：一是減少副反應(yīng)；二是催化劑要能反復(fù)使用；三是反應(yīng)溫度不宜過(guò)高，要減少乙醇的碳化；四是試管不怕倒吸或能承受熱沖擊或加防倒吸裝置。

乙醇脫水過(guò)程中，一般認(rèn)為較高溫度有利于乙烯生成，較低溫度有利于乙醚生成，所以如果讓乙烯在氣相條件下與催化劑接觸，可能有利于提高乙醇的轉(zhuǎn)化率。

為此，充分借鑒了工業(yè)上制乙烯的方法[1～4]，設(shè)計(jì)了一套操作簡(jiǎn)單、非常適合演示的“乙醇消去反應(yīng)制乙烯”實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備時(shí)間短，產(chǎn)率高。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

讓乙醇蒸氣通過(guò)高溫下的ZSM-5分子篩，產(chǎn)生氣體經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后進(jìn)行檢驗(yàn)與收集。

ZSM-5沸石（分子篩）是二十世紀(jì)六十年代末合成出來(lái)的一種含有機(jī)胺陽(yáng)離子的新型沸石分子篩。由于它在化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)方面具有許多獨(dú)特性，因此在很多有機(jī)催化反應(yīng)中顯示出了優(yōu)異的催化效能，在工業(yè)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為石油化工的一種頗有前途的新型催化劑。ZSM-5分子篩很容易購(gòu)買(mǎi)，且價(jià)格比較合理。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。試管采用耐熱的石英試管，可以試管口朝上加熱，液體冷卻后及時(shí)回流，以減少乙醇損耗。

A處裝有石棉絨，石棉絨中事先滴入2mL無(wú)水乙醇（因制乙烯的產(chǎn)率高，且乙醇冷卻能及時(shí)回流，使用1～2mL即可）。

B處填充的是棒狀ZSM-5分子篩。如果用粉末狀的分子篩，可以將其鋪在另一塊石棉絨上。

C是安全瓶，主要起緩沖作用，用于冷卻多余的乙醇蒸氣。此外，安全瓶也可防止倒吸。如果缺少C裝置，未反應(yīng)的部分熱的乙醇蒸氣可能會(huì)通過(guò)D少量進(jìn)入E中，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。

將產(chǎn)生的氣體先通過(guò)D，可檢驗(yàn)乙烯并吸收揮發(fā)出的乙醇，這樣E中的酸性高錳酸鉀的褪色將更加有說(shuō)服力，從E口出來(lái)的氣體可以點(diǎn)燃，演示時(shí)要注意燃燒導(dǎo)管口的大小，管口太小，由于產(chǎn)生氣流較強(qiáng)，可能火焰會(huì)被沖滅。

如果不進(jìn)行檢驗(yàn)，可以將D、E裝置改成F，使用排水法收集乙烯氣體。

酒精燈可以加防風(fēng)罩，有利于溫度快速升高，提高演示效率。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在左邊的石英試管的A處裝入石棉絨后，滴加2mL乙醇，再在B處加入ZSM-5分子篩。

先預(yù)熱石英試管B的右側(cè)，使部分空氣排出。再用酒精燈集中加熱B處1分鐘左右，用于提高分子篩的催化效率，加熱B本身對(duì)A也起到間接加熱作用。

將酒精燈火焰移到A處下部幾秒再重新回到B處，A中乙醇蒸氣出來(lái)，遇到熱的分子篩，發(fā)生了反應(yīng)。過(guò)程中可以反復(fù)依次加熱B中部與B略偏向A處的部位。幾十秒內(nèi)，可以看到C處有少量蒸氣產(chǎn)生，D中開(kāi)始有比較均勻的氣泡。

將產(chǎn)生的氣體依次通過(guò)安全瓶、溴水、酸性高錳酸鉀溶液，可以看到安全瓶中有少量液體（取出聞氣味，可感覺(jué)到有少量乙醚的氣味），溴水緩慢褪色，酸性高錳酸鉀溶液也逐漸褪色。最后排出的氣體可以收集，當(dāng)氣流比較穩(wěn)定后也可以直接點(diǎn)燃，可觀察到明亮火焰和少量黑煙。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將反應(yīng)溫度控制在170℃左右。溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生部分碳化現(xiàn)象，降低催化劑的活性。因此，使用酒精燈小火加熱即可。

3 總結(jié)與反思

此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）操作簡(jiǎn)單。準(zhǔn)備時(shí)間短（3～5分鐘），安全可靠（不用擔(dān)心倒吸，石英試管容易定制，僅需10元錢(qián)）。做完一個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)，冷卻后用長(zhǎng)滴管重新向裝置中加入2mL左右的乙醇，就可以進(jìn)行下一個(gè)班級(jí)的演示實(shí)驗(yàn)。

（2）產(chǎn)率高。利用乙醇蒸氣直接在預(yù)熱的ZSM-5分子篩表面催化反應(yīng)的方式，不需要將乙醇與催化劑慢慢加熱，減少了副反應(yīng)的發(fā)生。理論上1mL乙醇可以收集到約400mL氣體，實(shí)際上收集的氣體也超過(guò)了50mL。

（3）較為環(huán)保。不使用濃硫酸，催化劑可多次使用，不存在廢酸處理的問(wèn)題。

（4）通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)裝置將工業(yè)生產(chǎn)的新方法應(yīng)用至實(shí)驗(yàn)室中，體現(xiàn)了化學(xué)教學(xué)與工業(yè)實(shí)際緊密結(jié)合的與時(shí)俱進(jìn)的理念。

當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)仍存在一定問(wèn)題，主要在于溫度不好控制。在不同溫度下，得到的乙烯和乙醚的比例有所不同，最好能用氣相色譜等方法檢驗(yàn)產(chǎn)生氣體的成分以及乙烯的百分含量。

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