乙醇消去反應實驗的改進設計

胡業宏

摘要：中學化學教材中“乙醇與濃硫酸脫水制乙烯”實驗存在明顯不足，如耗材多，產率低，有污染，有危險，催化劑不能重復使用，雜質嚴重影響乙烯檢驗且耗時長等。改進后的實驗裝置簡單，操作便利，安全可靠，反應產率高，藥品消耗量只需不到原來的十分之一，只需5～8分鐘便可以完成實驗。

關鍵詞：乙醇消去反應；實驗改進；ZSM-5分子篩；工業方法；安全瓶

文章編號：1005–6629（2016）10–0061–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 實驗背景

“實驗室乙醇與濃硫酸脫水制乙烯”實驗多年來都是教材重點實驗，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℃來制取乙烯。

該實驗存在較多不足：

（1）消耗的藥品過多，產率低。經計算，要收集到500mL（常溫下）左右的乙烯來滿足簡單的檢驗與收集，理論上都不需要超過2mL無水乙醇，而演示所用的燒瓶裝的乙醇得用50mL以上。

（2）準備時間比較長，經常需要在課前就開始加熱裝置，而且還得用火力較大的酒精燈加熱使其溫度快速超過140℃。

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

（4）事后處理較麻煩，作為催化劑的濃硫酸已無法再次利用，處理不當將對環境有不利影響。

（5）存在一定安全風險，如加熱時間過長，瓶中有乙醚等危險物品產生。

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象，發生的副反應也比較少。不過，乙醇容易氣化損失，產生的氣體不均勻，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，副反應較少，裝置簡單，成本較低，但需要溫度較高，氧化鋁容易失去活性，產生氣體一旦不均勻，會導致較快的倒吸，引發試管炸裂。

可見，如何做到藥品用量少、裝置簡單、操作便利、現象明顯、安全可靠，是主要考慮的問題。

2 實驗設計

為了解決上述問題，需要在以下幾個方面進行改進：一是減少副反應；二是催化劑要能反復使用；三是反應溫度不宜過高，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。

乙醇脫水過程中，一般認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化率。

為此，充分借鑒了工業上制乙烯的方法[1～4]，設計了一套操作簡單、非常適合演示的“乙醇消去反應制乙烯”實驗，準備時間短，產率高。

2.1 實驗原理

讓乙醇蒸氣通過高溫下的ZSM-5分子篩，產生氣體經過簡單處理后進行檢驗與收集。

ZSM-5沸石（分子篩）是二十世紀六十年代末合成出來的一種含有機胺陽離子的新型沸石分子篩。由于它在化學組成、晶體結構及物化性質方面具有許多獨特性，因此在很多有機催化反應中顯示出了優異的催化效能，在工業上得到了越來越廣泛的應用，成為石油化工的一種頗有前途的新型催化劑。ZSM-5分子篩很容易購買，且價格比較合理。

2.2 實驗裝置

實驗裝置如圖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無水乙醇（因制乙烯的產率高，且乙醇冷卻能及時回流，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，未反應的部分熱的乙醇蒸氣可能會通過D少量進入E中，對實驗造成干擾。

將產生的氣體先通過D，可檢驗乙烯并吸收揮發出的乙醇，這樣E中的酸性高錳酸鉀的褪色將更加有說服力，從E口出來的氣體可以點燃，演示時要注意燃燒導管口的大小，管口太小，由于產生氣流較強，可能火焰會被沖滅。

如果不進行檢驗，可以將D、E裝置改成F，使用排水法收集乙烯氣體。

酒精燈可以加防風罩，有利于溫度快速升高，提高演示效率。

2.3 實驗步驟

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。

先預熱石英試管B的右側，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，遇到熱的分子篩，發生了反應。過程中可以反復依次加熱B中部與B略偏向A處的部位。幾十秒內，可以看到C處有少量蒸氣產生，D中開始有比較均勻的氣泡。

將產生的氣體依次通過安全瓶、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，當氣流比較穩定后也可以直接點燃，可觀察到明亮火焰和少量黑煙。

在實驗時，將反應溫度控制在170℃左右。溫度過高會產生部分碳化現象，降低催化劑的活性。因此，使用酒精燈小火加熱即可。

3 總結與反思

此實驗設計與傳統實驗相比，具備以下幾個優點：

（1）操作簡單。準備時間短（3～5分鐘），安全可靠（不用擔心倒吸，石英試管容易定制，僅需10元錢）。做完一個班級的實驗，冷卻后用長滴管重新向裝置中加入2mL左右的乙醇，就可以進行下一個班級的演示實驗。

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

（3）較為環保。不使用濃硫酸，催化劑可多次使用，不存在廢酸處理的問題。

（4）通過改進實驗，本實驗裝置將工業生產的新方法應用至實驗室中，體現了化學教學與工業實際緊密結合的與時俱進的理念。

當然，本實驗仍存在一定問題，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產生氣體的成分以及乙烯的百分含量。

參考文獻：

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