負載型催化劑用于酯化反應(yīng)——化工綜合實驗

柳 娜，賀新福，杜榮軍，章結(jié)兵，馮愛紅

（1.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054）

1 實驗方法

1.1 實驗藥品與儀器

藥品：無水乙醇（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；冰醋酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；乙酸乙酯（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；甲酸乙酯（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；SiO2（國藥集團化學試劑有限公司）；偏鎢酸銨（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：磁力攪拌器（西安大幅實驗儀器有限公司）；帶磁力攪拌的油浴（西安大幅實驗儀器有限公司）；GC112A型氣相色譜（上海精密科學儀器有限公司）。

1.2 實驗?zāi)康?/h3>

（1）掌握負載型催化劑的制備、活性評價方法。

（2）理解乙酸乙酯合成原理。

（3）掌握氣相色譜的原理及使用方法

1.3 實驗方法

1.3.1 負載型催化劑WO3／Al2O3的制備

催化劑的制備采用濕法浸漬：分別稱取1g載體γ－Al2O3放入4個100mL小燒杯中，然后在上述4個燒杯中按鎢（W）含量（質(zhì)量分數(shù)）為5%、10%、15%、20%加入一定量的偏鎢酸銨；再加入15mL蒸餾水在室溫下攪拌5h，然后將4個小燒杯放入120℃烘箱中干燥8h，將干燥的后的樣品取出，放入馬弗爐中在500℃下焙燒6h。

1.3.2 乙酸乙酯合成

其詩題有《鄉(xiāng)人或病予詩多道蜀中遨樂之盛，適春日游鏡湖，共請賦山陰風物，遂即杯酒間作四絕句，卻當持以夸西州故人也》。

將30mL無水乙醇和30mL冰醋酸以及制備好的不同負載量的 WO3／Al2O3催化劑0.5g放入250 mL的三口燒瓶中，裝上回流冷凝管以及溫度計，剩下的口用橡膠塞塞住，反應(yīng)溫度控制在100℃，100℃反應(yīng)1h停止，冷卻后取上層液體10mL于試管中保存。

1.3.3 產(chǎn)物檢測

反應(yīng)體系中產(chǎn)物含量采用氣相色譜檢測，檢測器TCD，填充柱GDX－101，進樣器溫度200℃，柱箱溫度150℃，載氣（N2氣）流量25mL／min，采用內(nèi)標法進行標定［9］。取反應(yīng)完成的樣品1mL以及內(nèi)標物甲酸乙酯0.5mL，用乙醇為溶劑溶解在10mL的容量瓶中，用微量注射器吸取容量瓶中溶液并注射進色譜進樣口中，每次進樣量為2μL，記錄下乙酸乙酯及甲酸乙酯的峰面積。各物質(zhì)在本氣相色譜檢測器TCD上的相對質(zhì)量響應(yīng)因子［10］：f（乙酸）＝0.86，f（乙酸乙酯）＝1.01，f（甲酸乙酯）＝0.94。

1.3.4 乙酸乙酯產(chǎn)率η計算

式中：V為總體積，V＝60mL；A（乙酸乙酯）為乙酸乙酯相對峰面積；ρ（甲酸乙酯）為甲酸乙酯的密度（g／mL）；M （乙 酸 乙 酯 ）為 乙 酸 乙 酯 的 摩 爾 質(zhì) 量（g／mol）；A（甲酸乙酯）為甲酸乙酯相對峰面積；ρ（乙酸）為乙酸的密度（g／mL）；V（乙酸）為乙酸體積，V（乙酸）＝30mL；M（乙酸）為乙酸的摩爾質(zhì)量（g／mol）。

2 實驗結(jié)果及分析

圖1和表1為典型的反應(yīng)物產(chǎn)物氣相色譜分析圖和分析結(jié)果，按出峰順序，除了第1個峰是雜質(zhì)峰外，從第2個峰開始分別是乙醇、甲酸乙酯、乙酸、乙酸乙酯。將色譜圖上相對峰面積代入上述計算公式可以求得乙酸乙酯產(chǎn)率，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著W含量w（W）從5%增加到15%。乙酸乙酯的產(chǎn)率逐漸增加，但是當 W的含量達到20%時，乙酸乙酯的產(chǎn)率反而減少。

圖1 產(chǎn)物氣相色譜譜圖

表1 分析結(jié)果表

表2 不同WO3／Al2O3催化劑上乙酸乙酯合成反應(yīng)性能

3 需要思考或討論的問題

在該綜合實驗中，需要學生思考及討論的問題有：

（1）在常壓100℃下，乙酸乙酯的平衡產(chǎn)率為多少？自己的實驗結(jié)果距離平衡有多遠？

（2）乙酸乙酯合成反應(yīng)一般使用哪些催化劑，優(yōu)缺點是什么？

（3）氣相色譜檢測的基本原理及何為內(nèi)標法？

（4）乙酸轉(zhuǎn)化率的推導公式？

（5）影響乙酸乙酯產(chǎn)率的因素，為何鎢的含量并不完全是和乙酸乙酯產(chǎn)率成正比？

4 教學實踐討論

本實驗是將經(jīng)典的有機合成實驗和催化劑制備評價相結(jié)合的綜合性實驗，在該實驗中涉及乙酸乙酯合成原理、催化劑的制備、性能評價方法、氣相色譜的基本原理及操作方法多重知識和技能的綜合應(yīng)用。學生通過實驗，可以把學到的有機化學（乙酸乙酯合成）、工業(yè)催化［11］、儀器分析［12］及實驗技能有機地結(jié)合在一起，對提高學生的綜合素質(zhì)有很大的幫助。

本實驗以小組（每組4人）方式，并對過去的實驗教學模式（教師或?qū)嶒灱夹g(shù)人員將實驗裝置儀器事先準備好并詳細講解實驗?zāi)康摹⒃?、操作步驟等）進行了改革。在實驗前就先將題目下發(fā)給學生，要求學生通過對書籍、中國期刊網(wǎng)上的資料收集與實驗有關(guān)的文獻信息，設(shè)計實驗方案，每個小組對自己的實驗方案進行講解、討論，通過對比確定最終的實驗方案和計劃。這種實驗方式可以大大提高學生的積極性和主動性，并且可以讓學生了解一些科研方面的基本過程，為將來做畢業(yè)設(shè)計打基礎(chǔ)。

在該實驗中并沒有用有機化學實驗中蒸餾的方法來確定乙酸乙酯的產(chǎn)率，而是采用氣相色譜來檢測。氣相色譜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學研究等領(lǐng)域，但在實驗教學中，該儀器的應(yīng)用還未普及，通過綜合實驗可以使學生提早接觸熟悉該儀器的功能和操作，為后續(xù)的學習及工作打下基礎(chǔ)。

（References）

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