利用新制活性氧化鋁促進石蠟油分解

趙佳越

（江蘇省通州高級中學 江蘇 南通 226300）

一、問題的提出

人教版高中化學必修2 教材設計了如下實驗：利用石蠟油發生裂化反應制取乙烯并檢驗乙烯的化學性質。將礦渣棉中浸透石蠟油，利用碎瓷片作催化劑，加熱碎瓷片的同時使石蠟油發生氣化，石蠟油蒸汽通過碎瓷片發生裂化和裂解，產生烯烴，將烯烴通入酸性高錳酸鉀溶液觀察溶液褪色，得出產生的氣體與烷烴性質不同。根據教材中的實驗方法進行操作發現，實驗時間很長，大約需15～20 分鐘左右才能觀察到現象，顯然不太適合作為演示實驗。筆者查閱了相關資料，采用新制活性Al2O3作為催化劑，在短時間內快速產生乙烯，現將新制活性氧化鋁的制備和乙烯制取的改進過程闡述如下，與各位同仁分享。

二、背景資料查閱

1．乙烯的制取

實驗室制取乙烯的方法較多，最常用的方法是乙醇在濃硫酸作用下發生消去反應，在選修五《有機化學》中作為實驗室制法進行研究。另外還有丙烯酸制成鈉鹽脫羧制取乙烯［1］、無水乙醇為原料，以P2O5做脫水劑制取乙烯［2］、用乙烯利在堿性條件下制取乙烯［3］以及利用石蠟油制取乙烯［4］。其中對石蠟油制取乙烯論述較少。

2．石蠟油裂化與裂解

石蠟油又名液體石蠟，主要成分為C16～C20的直鏈烷烴［5］。工業上將石蠟油在催化劑和加熱、加壓條件下發生裂化和裂解，工業過程控制比較復雜。一般而言在500℃左右發生裂化，分子中的碳－碳鍵、碳－氫鍵發生斷裂，將重質油轉化為汽油和柴油；在600℃左右發生催化裂解，將輕質油繼續分裂轉化為小分子烯烴等。以C16H34為例，產生乙烯的過程可以粗略表示如下：

C16H34→C8H18＋C8H16

C8H18→C4H10＋C4H8

C4H10→CH4＋C3H6

C4H10→C2H4＋C2H6

3．催化劑的選擇

工業上石油裂化和裂解的催化劑種類很多，以分子篩催化劑為主，在中學化學難以做到，此處不再贅述。實驗室使用碎瓷片做載體，瓷器使用高嶺土燒制而成，高嶺土的主要成分為Al2O3·2SiO2·2H2O，不同地區的瓷器由于原料、配方和燒制工藝不同，其瓷片的化學組成各有不同，但主要成分是SiO2、Al2（SiO3）3和CaSiO3。碎瓷片中有很多細小空隙，表面積較大，可以吸附石蠟油蒸氣。為了提高裂化和裂解的效果，可使用新制活性Al2O3作為裂化的催化劑。Al2O3晶體類型分為α、β、γ 型，其中γ 型Al2O3具有多孔結構，高分散度以及高比表面積，且處于不穩定的過渡態，因而具有較大的活性，常用作吸附劑、催化劑和催化劑的載體。

三、設計實驗方案

1．實驗藥品與儀器

試劑：Al2（SO4）3溶液、濃氨水、酸性高錳酸鉀溶液、石蠟油。

儀器：試管、鐵架臺、酒精燈、橡皮塞、導管若干、膠頭滴管、碎瓷片、坩堝、坩堝鉗、漏斗、三角架、玻璃棒、泥三角。

用品：火柴、濾紙、木塊。

2．實驗步驟與現象

（1）活性氧化鋁的制備

用托盤天平稱量20 g Al2（SO4）3固體溶解在200g水中，另將25%的濃氨水進行稀釋，獲得12%左右的較濃氨水40 mL。將兩種溶液均分為兩等份。第一份將Al2（SO4）3溶液逐滴滴入氨水中并不斷攪拌，得到沉淀1；第二份將氨水逐滴滴入Al2（SO4）3溶液中并不斷攪拌，得到沉淀2，如圖1 所示。使用過濾器分別將沉淀進行過濾、洗滌，如圖2 所示。將沉淀取出干燥，在坩堝中進行充分灼燒，獲得三氧化二鋁固體。為了增加氧化鋁的表面積，提高催化效果，三氧化二鋁固體冷卻后在研缽中進行研磨， 獲得Al2O3樣品1 和樣品2 備用。

（2）乙烯的制取

因為石蠟油呈液態，容易流動，且增加氧化鋁與石蠟油的接觸，所以將氧化鋁粉末與石棉絨、石蠟油混合調成糊狀備用。仍采用教材提供的實驗裝置進行實驗（如圖3 所示），在催化劑和溫度控制等細節處做一些改動，比較氧化鋁的催化效果以及溫度對石蠟油裂解的影響，結果如下。

圖1

圖2

圖3

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四、實驗現象與結果討論

通過實驗2、3、4 可以發現，不論石棉絨中是否加入Al2O3作催化劑， 如果使用酒精燈直接加熱石棉絨中的石蠟油，均不會出現褪色現象。主要原因是石蠟油的沸點在300℃左右， 酒精燈直接加熱會使石蠟油快速氣化還沒有達到裂化和裂解的溫度就脫離了與催化劑的接觸，幾乎沒有乙烯產生，所以酸性高錳酸鉀不會褪色。

Al2O3樣品明顯具有催化作用， 可以使反應時間大為縮短，尤其是Al2O3樣品2 的催化效果更好。樣品1 是將Al2（SO4）3逐滴滴加到氨水中，溶液的pH 由大到小轉變，產生多種形態的水化物；樣品2 是將氨水滴加到Al2（SO4）3中，實驗結束時測定pH 為9～10，過濾、干燥最終得到的是γ 型Al2O3，催化效果較好，與文獻記載相一致。

酒精燈火焰溫度在500～600℃左右， 在加熱碎瓷片時， 內側石棉絨和氧化鋁中的石蠟油溫度升高至300～400℃左右，石蠟油一部分氣化，另一部分在新制的γ 型Al2O3作為催化劑作用下發生裂化，產生的混合氣體向外溢出，遇到溫度更高的炙熱的碎瓷片，進一步發生裂化和裂解， 產生乙烯等氣體。從實驗7、8、9 可以發現， 提高溫度有利于裂化和裂解的進行，所以使用帶風罩的酒精燈效果更好，只需2 分多鐘就能使酸性高錳酸鉀溶液褪色。若使用酒精噴燈，褪色更快，但試管容易發生變形和破裂，演示時不宜采用。

［1］張春艷．實驗室制取乙烯新方法 ［J］．科技信息，2010，（29）：141

［2］馮桂榮， 張會茹．乙烯實驗室制法改進 ［J］．化學教學，2011，（3）：37

［3］黃勇良．用乙烯利制備乙烯的方法［J］．化學教學，2012，（7）：46

［4］王金龍， 余興慶．石蠟裂化反應實驗的再實踐與再認識［J］．化學教育，20l0，（10）：69－70

［5］化工詞典．http：／ ／www．chemyq．com／xz／xzl／1666pdfku／htm．2009－09－15