石蠟油分解實驗的改進

范文覺

摘要：為解決人教版高中化學《必修2》石蠟油分解實驗，產生穩定氣流的時間過長的問題，作者在參考文獻資料相關方法的基礎上，探索石蠟油分解快速制備乙烯等氣體的方案。新的實驗方案將產生穩定氣流的時間，由20分鐘以上縮短至10秒左右，且具有操作快捷、安全、現象明顯等優點。

關鍵詞：石蠟油分解；實驗改進；催化劑

文章編號：1008-0546（2016）06-0094-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.034

一、 問題的提出

石蠟油分解實驗是高中化學《必修2》中一個重要的實驗。其目的是使學生了解乙烯來源于石油，烯烴與烷烴性質的不同。課本實驗如圖1所示：將浸透了石蠟油的礦渣棉放置于試管的底部，試管中加入碎瓷片，采用酒精燈加熱碎瓷片，利用碎瓷片作為催化劑，使石蠟油蒸汽通過熾熱的碎瓷片發生裂解，生成一定的氣體。

按照教材的實驗方法，在實際操作中發現：碎瓷片升溫很慢，產生氣體的時間非常長，難以在教學中演示；產生的氣體不連續不穩定，實驗現象不夠明顯；體系內受熱不均，易發生倒吸。

針對以上存在的種種弊端，人們對該實驗進行了各種改進。例如林宏[1]采用將石蠟油打入盛有無水硫酸鋁催化劑和碎瓷片的試管中的方法進行實驗。此法由于體系忽冷忽熱，試管易炸裂，且易發生倒吸，存在一定的危險性。再如趙佳越[2]利用新制活性氧化鋁催化石蠟油分解，仍使用碎瓷片，但加熱時間仍較長。

二、現階段主要實驗方案的驗證

筆者查閱相關文獻資料，對現階段改進后的主要實驗方案，進行了實驗驗證，實驗情況見表1。

從上述實驗可以看得出，現階段的主要實驗方案，普遍存在實驗耗時太長，難以在教學中演示等致命缺點，但用Al2O3和無水Al2（SO4）3作為催化劑相對較好。

三、快速制備氣體方案的探索

1. 背景資料查詢

（1）石蠟油催化與裂解

石蠟油主要成分為C16～ C20的直鏈烷烴[3]。工業上將石蠟油混以水蒸氣在管中通過800℃左右的加熱裝置，然后冷卻到300～400℃，這些都是在不到1s的時間內完成的，然后將熱裂的產物用冷凍法加以一一分離[4]。

以C16H34為例，產生乙烯等氣體的過程可粗略地表示如下：

C16H34→C8H18+C8H16 C8H18→C4H10+C4H8

C4H10→CH4+C3H6 C4H10→C2H4+C2H6

此法條件苛刻，普通教學實驗室無法做到。

（2）催化劑的選擇

相關資料顯示[5]，X型和Y型分子篩（合成鋁硅酸鹽）常用于石油的催化裂化，也常用于其他有機反應的催化。但由于分子篩是球形固體，質地較硬，不易研成粉末。若僅僅使用分子篩作為催化劑，由于分子篩之間有空隙，短時間內不能使分子篩的溫度達到石蠟油蒸汽分解的溫度。

于是，筆者采用將分子篩、無水Al2（SO4）3和活性Al2O3一同混合，讓這三種催化劑齊頭并進，有利于在很短的時間內使分子篩快速升溫，從而使石蠟油蒸汽快速分解。

2. 實驗藥品和儀器

試劑：A. 0.01mol/L KMnO4溶液，Br2的CCl4溶液，飽和溴水（含液溴）；

B. 無水Al2（SO4）3 ，活性Al2O3（γ型）分子篩（X型和Y型）；

C. 酒精，石蠟油（液體石蠟）；

D. 1∶4 H2SO4（用于配制酸性KMnO4溶液），水， NaOH溶液。

器材：帶鐵夾的鐵架臺，酒精燈，酒精燈防風罩；用品：火柴，木塊，石棉絨（或脫脂棉）。

3. 實驗裝置及步驟

筆者新設計的實驗裝置見圖2。

實驗步驟：

①如圖2所示，搭建裝置并檢驗裝置的氣密性；

②先將試管豎直放置，在試管底部先加入少量分子篩，以蓋滿試管底部為宜；

③仍保持試管豎直放置，塞入石棉絨，并用滴管在石棉絨上滴加適量石蠟油（以浸透石棉絨為宜，不能過量，否則會使大量石蠟油冷凝在管口，堵塞導管。）；

④取一個研缽，快速加入少量無水Al2（SO4）3和活性Al2O3，再加入少量分子篩，混合均勻。然后將固體混合物（記為B）加入試管中（由于活性Al2O3較易吸水變質，整個過程應快速進行）；

⑤然后再塞上一團石棉絨，防止平放試管時固體混合物B流動；

⑥點燃酒精燈，并罩上防風罩，對固體混合物B加強熱，觀察現象；

⑦將產生的氣體經導管通入溶液A中，觀察現象；

⑧將直角導管撤出溶液A，轉動單孔橡膠塞180°，使導管口向上，用火柴嘗試點燃產生的氣體；

⑨熄滅酒精燈，拆卸裝置，實驗結束。

4. 實驗的創新點

①催化劑變單一為多樣。不是單單選用分子篩、活性Al2O3或是無水Al2（SO4）3，而是將三者混合起來使用。這樣催化效果不但好，而且將主要的催化劑分子篩與活性Al2O3及無水Al2（SO4）3調和，有利于在很短的時間內使分子篩快速升溫，從而使石蠟油蒸汽快速分解。

②采取在試管A中Br2的CCl4溶液上方用一層水封，以防Br2蒸汽及CCl4蒸汽揮發，對人體造成影響；

③做氣體可燃性的實驗時，只需轉動單孔橡膠塞180°，使導管口向上，直接點燃導管口排出的氣體。而無需再接上一段帶有乳膠管的導管，節約時間。

5. 實驗現象與結果討論

（1）實驗結果

整個實驗非常成功。用帶防風罩的酒精燈對試管加強熱近10s，導管口便產生了大量穩定氣體。

①將氣體通入稀酸性KMnO4溶液中，經過約20s，溶液的紫色便很快褪去；

②將氣體通入水封的Br2的CCl4溶液中，經過35s，溶液的橙紅色逐漸褪去；

③將氣體通入飽和溴水中，經過約60s，溶液的紅棕色逐漸褪去；

④將氣體通入到水封的液溴（Br2）中，經過約120s，試管底部液溴的深棕紅色逐漸褪去，且試管底部有少量無色的油狀液體（此過程應在試管口塞上一團浸有NaOH溶液的脫脂棉，以防溴蒸汽隨氣流外溢，污染環境）；

⑤將導管撤出溶液，轉動單孔橡膠塞180°，使導管口向上，用火柴點燃導管口放出的氣體，發現氣體能夠安靜地燃燒。導管口周圍的火焰為淡藍色，導管口上方的火焰為明亮的黃色試管口有少量冷凝的黃色油狀液體。

（2）實驗成功的關鍵因素

①石蠟油稍過量，保證有足夠多的石蠟油蒸汽供后續實驗使用；

②催化劑選擇恰當并且足量，將分子篩、活性Al2O3和無水Al2（SO4）3以一定比例均勻混合（比例以混合后分子篩顆粒間填滿活性Al2O3和無水Al2 （SO4）3的混合物為宜），便可在短時間內迅速催化石蠟油分解；

③酒精燈上加防風罩，使得整個體系可以迅速升溫，在短時間內便可達到催化石蠟油分解的溫度。且可防止石蠟油的大量揮發，提高原料的利用率；

④用于氣體性質的檢驗的溶液A濃度不宜過高，這樣可在短時間內觀察到明顯的現象。

（3）理論初探

現從熱力學角度探討石蠟油熱裂的反應能否進行。整個反應可表示A→B+C，生成物分子數增加，因此熵變是重要的。

K=e-ΔG /RT，是一個非常小的數值。當ΔGθ>0時，ΔGθ=-RTlnK，平衡常數K<1，平衡有利于反應物，因此反應很難進行。如果升高溫度，在700°C左右進行，使ΔGθ<0， K>1，反應平衡有利于生成物。所以在石蠟油夠用的前提下，溫度越高，反應越快，石蠟油就越容易分解，使用酒精燈防風罩就是這個原因。若使用酒精噴燈，反應速率還會更快，但試管易軟化，所以演示實驗時不宜選用噴燈。

（4）結果討論

綜上所述，使用由分子篩、活性Al2O3及無水Al2（SO4）3組成的混合催化劑，并在適當的溫度下，可使石蠟油快速地分解，從而獲得良好的實驗效果。

參考文獻

[1] 林宏.全國第十屆化學實驗儀器創新大賽，2010

[2] 趙佳越.利用新制活性氧化鋁促使石蠟油分解[J].化學教與學，2015，（1）：93-94

[3] 化工詞典（ http：//www.anychem.com/dict/detail/QRRzqa.html）

[4] 刑其毅，裴偉偉，徐瑞秋，裴堅.基礎有機化學（第三版）（上）[M]. 北京：高等教育出版社，2015：146-147

[5] 曹錫章，宋天佑，王杏喬等.無機化學第三版（下）[M]. 北京：高等教育出版社，1994：750-752