程素芳 王慧
摘要: 分析現(xiàn)行高中化學教材中已有的乙烯制備實驗,從試劑選擇、反應(yīng)條件確定、裝置選用三個層面對實驗進行優(yōu)化改進。改進后的實驗減小了反應(yīng)物用量,加快了化學反應(yīng)速率,提高了乙烯產(chǎn)率,簡化了實驗操作過程。實驗改進通過學生實驗予以實施,學生的參與度高,有利于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。
關(guān)鍵詞: 五氧化二磷; 乙醇; 乙烯; 實驗改進
文章編號: 1005-6629(2021)10-0068-03
中圖分類號: G633.8
文獻標識碼: B
1? 問題的提出
“乙烯的制備及其相應(yīng)性質(zhì)實驗的現(xiàn)象”是高中化學必修課程核心內(nèi)容之一,是高中學生學習的重點知識,而這離不開乙烯的實驗室制備。
高中化學教材《有機化學基礎(chǔ)(選擇性必修3)》人教版、魯科版均為: 在圓底燒瓶中加入乙醇和濃硫酸(體積比約為1∶3)混合液20mL,溫度維持在170℃左右制備乙烯并進行相應(yīng)的性質(zhì)實驗,實驗裝置如圖1所示[1]。該方案用濃硫酸作催化劑,用酒精燈直接加熱,溫度達到140℃時會伴有副反應(yīng)發(fā)生;溫度高于180℃時乙醇碳化現(xiàn)象嚴重,會有SO2、 CO2等雜質(zhì)氣體生成,需用10%氫氧化鈉溶液處理生成的氣體。因此加熱過程溫度難以控制,實驗完成耗時較長,試劑用量較大。
《有機化學基礎(chǔ)(選修5)》蘇教版則為: 在試管中加入2g P2O5并注入4mL 95%的乙醇,用酒精燈直接加熱制備乙烯,實驗裝置如圖2所示[2]。該方案用P2O5作催化劑,在裝有P2O5的試管中加入95%的乙醇。實驗過程會有“吱吱”的響聲,大量白霧產(chǎn)生,伴有放熱現(xiàn)象,測得溶液溫度可達94℃。不足之處是: 乙醇脫水反應(yīng)速率太快,通常很難將生成的乙烯捕捉,產(chǎn)生的乙烯氣體在橡膠塞塞上之前已經(jīng)逸出,導致乙烯性質(zhì)實驗難以進行。用酒精燈直接加熱,氣泡快速生成并劇烈沸騰,還存在一定的安全隱患。
查閱相關(guān)文獻,邵國強等[3]指出,用現(xiàn)制焦磷酸12mL和無水乙醇10mL在185~260℃溫度范圍內(nèi)持續(xù)加熱可以制得乙烯氣體;劉波等[4]指出,采用P2O5作催化劑制乙烯實驗的方案,無碳化現(xiàn)象,反應(yīng)時間短,所需溫度不是很高,高錳酸鉀褪色情況良好;李先拴[5]指出,P2O5先與水形成磷酸,磷酸與乙醇在P2O5脫水作用下形成磷酸氫乙酯等副產(chǎn)物,由于磷酸氫乙酯比硫酸氫乙酯穩(wěn)定,故90℃附近很難生成乙烯氣體,產(chǎn)生的氣體主要為乙醇蒸氣。
為此,本研究對P2O5催化乙醇脫水制乙烯實驗展開探索,以期找到實驗室制備乙烯的最佳條件。表1從反應(yīng)物用量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度以及乙烯產(chǎn)率等多角度比較選用濃硫酸和P2O5兩種不同催化劑制乙烯的差別。對比相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出: 選用P2O5催化乙醇脫水反應(yīng)制備乙烯有明顯的優(yōu)勢,但按圖2所提供的實驗方法,在實際操作中仍存在一些問題,值得我們進一步探索改進。
2? P2O5催化乙醇脫水反應(yīng)實驗探究
2.1? 試劑選擇
2.1.1? P2O5與乙醇用量
P2O5具有很強的吸水性和脫水性,這一性質(zhì)與濃硫酸類似。乙醇制乙烯選用P2O5作催化劑,符合高中學生已有認知,學生容易理解。根據(jù)
C2H5OHP2O5CH2CH2
不難得出,C2H5OH與P2O5的計量數(shù)之比為3∶1。實際反應(yīng)時體系中的水和生成的水都會消耗部分P2O5,為提高乙烯產(chǎn)率,理論上P2O5的用量略過量一些比較好。呂亞娟等[6]指出,C2H5OH與P2O5物質(zhì)的量之比約在1.5∶1時,乙烯產(chǎn)率最高,為73.6%。此時P2O5用量約為理論用量的2倍。4mL 95%的乙醇,根據(jù)其密度及摩爾質(zhì)量,可計算出乙醇的物質(zhì)的量約為0.065mol。假設(shè)乙醇完全脫水,產(chǎn)生的水的物質(zhì)的量應(yīng)當為0.065mol,產(chǎn)生的水將消耗掉0.022mol P2O5。由P2O5的摩爾質(zhì)量計算需要P2O5的質(zhì)量約為3g??紤]到溶液中的水及P2O5在該反應(yīng)中的催化作用,需要多余的P2O5去促使乙醇脫水生成乙烯,所以4mL 95%的乙醇需要P2O5的質(zhì)量為6g左右比較合適。
經(jīng)多次實驗結(jié)果證明: 用體積為2mL 95%的乙醇與3g P2O5反應(yīng),足以完成教材上乙烯的相關(guān)性質(zhì)實驗。因此從簡約性、安全性考慮,實際操作時可以減少教材中規(guī)定的乙醇體積,適當增加P2O5用量。
2.1.2? 乙醇濃度和溴的四氯化碳溶液的選擇
多次實驗結(jié)果表明,將3g P2O5分別與2mL 95%的乙醇或等體積無水乙醇反應(yīng)比較,酸性高錳酸鉀溶液褪色速度無明顯差異。實際教學中,由于我們僅僅需要制得少量的乙烯用于使4mL 0.01mol/L酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液褪色以及乙烯的燃燒實驗,對乙烯生成量的多少要求較低,因此,無論是選用95%的乙醇還是無水乙醇,都可滿足演示實驗的需求。實驗時只要注意控制好乙醇濃度在95%附近一般都能獲得較好的效果。關(guān)于烯烴中碳碳雙鍵的檢驗,人教版《有機化學基礎(chǔ)》(選擇性必修3)第97頁指出也可以用溴水[7],實驗多次證實該實驗溴水褪色現(xiàn)象明顯,效果更好,故本實驗用溴水代替溴的四氯化碳溶液。因為四氯化碳本身有一定毒性,使用溴水更符合環(huán)保要求。
2.2? 反應(yīng)條件確定
該實驗如果用酒精燈直接加熱,溫度較難控制,若升溫速度過快極易引起反應(yīng)混合液暴沸,導致乙醇大量氣化造成原料浪費,熱的乙醇蒸氣還會使酸性高錳酸鉀溶液褪色而干擾乙烯檢驗。且直接加熱還會導致試管中反應(yīng)物受熱不均勻,氣流不穩(wěn)定,倒吸現(xiàn)象發(fā)生幾率高,實驗安全性差。但若選擇水浴加熱,由于水浴溫度過低達不到乙醇脫水生成乙烯的目的。筆者嘗試用不同種類油浴加熱的方法。一般油浴在密封狀況下加熱溫度可達到200℃,但開放狀態(tài)下比較困難,且黏稠度大,不方便操作。而硅油因其黏稠度小、燃點高,是該實驗的理想選擇。經(jīng)試驗后確定采用硅油浴加熱,溫度約為200℃。
2.3? 裝置選用
2.3.1? 發(fā)生裝置
本實驗采用大試管(內(nèi)置硅油)套小試管(內(nèi)置反應(yīng)物)油浴加熱的方式,裝置如圖3所示。該裝置減少了硅油使用量和熱量損失,同時油浴溫度測量也較方便。當硅油加熱到200℃以上時,試管中的乙烯氣體能連續(xù)平穩(wěn)地產(chǎn)生,并使溴水和酸性高錳酸鉀溶液較快褪色。實驗時間約3min,且重復性好。
2.3.2? 除雜裝置
P2O5催化乙醇脫水制得的乙烯氣體中究竟混有哪些雜質(zhì)?雜質(zhì)是否如圖2所示,必須要用KOH溶液吸收,有沒有其他更好的選擇?
馬春生等[8]指出,氣體樣品GC圖譜檢測顯示: 在250℃的實驗溫度下,反應(yīng)生成的氣體幾乎不含酸性氣體,乙烯氣體中的雜質(zhì)主要為空氣、乙醇蒸氣和水蒸氣。筆者用pH試紙檢測95%乙醇加入P2O5中產(chǎn)生的白霧,pH試紙不變色,說明產(chǎn)生的白霧不是酸霧,而是氣化的乙醇。在用酸性高錳酸鉀檢驗乙烯前需要除去實驗過程中揮發(fā)出來的乙醇蒸氣。由于乙醇與水互溶,故反應(yīng)產(chǎn)生的乙烯氣體用水洗效果很好,所以除雜試劑不必使用KOH溶液。
3? 實驗儀器和試劑
儀器: 大試管、小試管、酒精燈、量筒、洗瓶、鐵架臺、試管夾、導管、溫度計、火柴
試劑: 乙醇(95%)、P2O5、溴水、酸性高錳酸鉀溶液、硅油
4? 實驗步驟
(1) 按圖3所示搭建好實驗裝置,并檢驗裝置的氣密性。
(2) 乙烯制備: 在大試管中加入一定量硅油,加熱。用紙槽取約3g P2O5于小試管中,當硅油溫度接近200℃時,將2mL 95%的乙醇緩慢倒入小試管中混合,振蕩,待反應(yīng)稍平緩,用帶有玻璃導管的橡膠塞塞上,放進大試管的硅油浴中加熱。
(3) 乙烯性質(zhì)實驗: 當油浴溫度達到200℃時,觀察洗瓶中的氣泡,待乙烯氣流速度穩(wěn)定(約1min后),先將導氣管通入盛有1~2mL淡黃色溴水的小試管中,觀察到溶液顏色褪成無色(約50s);再將導氣管通入盛有1~2mL紫色酸性高錳酸鉀溶液的小試管中,觀察到溶液顏色褪成無色(約30s);最后點燃導氣管口的氣體,觀察到火焰明亮并伴有黑煙。上述實驗現(xiàn)象均證明產(chǎn)生的氣體為乙烯。
5? 對實驗改進的評價
(1) 改進實驗中所使用的催化劑。乙醇消去反應(yīng)制乙烯通常是用濃硫酸作催化劑,本實驗改用P2O5作催化劑符合高中學生已有的認知基礎(chǔ)。通過同一個化學反應(yīng)選擇不同種催化劑,學生能體驗到合適催化劑的選取對乙烯的實際生產(chǎn)具有重要意義。由此,還可引導學生進一步分析能否使用FeCl3、 Al2O3等作本實驗的催化劑。
(2) 尋找最佳反應(yīng)實驗條件。從理論計算、論證推理和實驗對照等多重角度,分析探索實驗室制備乙烯的最佳反應(yīng)物用量、反應(yīng)物濃度、除雜試劑、加熱介質(zhì)、反應(yīng)裝置等。通過改進教學實驗,培養(yǎng)學生敢于質(zhì)疑、不唯書本、嚴謹求實的科學態(tài)度。
(3) 改進后的實驗有以下優(yōu)點: 乙烯氣體產(chǎn)生快,完成實驗用時短,制得的乙烯氣體所含雜質(zhì)少且易除去,整套實驗裝置簡潔,反應(yīng)物用量少,操作簡便,現(xiàn)象明顯,污染小。
(4) 本實驗的改進過程基于學生認知水平,且通過學生實驗予以實施,學生的參與度高。關(guān)注實驗方法的多樣性、實驗活動的可行性、實驗過程的安全性和實驗試劑的簡約性,有利于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。
參考文獻:
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