利用新制活性氧化鋁促進(jìn)石蠟油分解

趙佳越

（江蘇省通州高級(jí)中學(xué) 江蘇 南通 226300）

一、問題的提出

人教版高中化學(xué)必修2 教材設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：利用石蠟油發(fā)生裂化反應(yīng)制取乙烯并檢驗(yàn)乙烯的化學(xué)性質(zhì)。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(shí)使石蠟油發(fā)生氣化，石蠟油蒸汽通過碎瓷片發(fā)生裂化和裂解，產(chǎn)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(chǎn)生的氣體與烷烴性質(zhì)不同。根據(jù)教材中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行操作發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)，大約需15～20 分鐘左右才能觀察到現(xiàn)象，顯然不太適合作為演示實(shí)驗(yàn)。筆者查閱了相關(guān)資料，采用新制活性Al2O3作為催化劑，在短時(shí)間內(nèi)快速產(chǎn)生乙烯，現(xiàn)將新制活性氧化鋁的制備和乙烯制取的改進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(fā)生消去反應(yīng)，在選修五《有機(jī)化學(xué)》中作為實(shí)驗(yàn)室制法進(jìn)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(duì)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(yè)上將石蠟油在催化劑和加熱、加壓條件下發(fā)生裂化和裂解，工業(yè)過程控制比較復(fù)雜。一般而言在500℃左右發(fā)生裂化，分子中的碳－碳鍵、碳－氫鍵發(fā)生斷裂，將重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為汽油和柴油；在600℃左右發(fā)生催化裂解，將輕質(zhì)油繼續(xù)分裂轉(zhuǎn)化為小分子烯烴等。以C16H34為例，產(chǎn)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(yè)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(xué)化學(xué)難以做到，此處不再贅述。實(shí)驗(yàn)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(qū)的瓷器由于原料、配方和燒制工藝不同，其瓷片的化學(xué)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(xì)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(jié)構(gòu)，高分散度以及高比表面積，且處于不穩(wěn)定的過渡態(tài)，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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

1．實(shí)驗(yàn)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(tái)、酒精燈、橡皮塞、導(dǎo)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(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)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(jìn)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(jìn)行過濾、洗滌，如圖2 所示。將沉淀取出干燥，在坩堝中進(jìn)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(jìn)行研磨， 獲得Al2O3樣品1 和樣品2 備用。

（2）乙烯的制取

因?yàn)槭炗统室簯B(tài)，容易流動(dòng)，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(diào)成糊狀備用。仍采用教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖3 所示），在催化劑和溫度控制等細(xì)節(jié)處做一些改動(dòng)，比較氧化鋁的催化效果以及溫度對(duì)石蠟油裂解的影響，結(jié)果如下。

圖1

圖2

圖3

?

四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果討論

通過實(shí)驗(yàn)2、3、4 可以發(fā)現(xiàn)，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(huì)出現(xiàn)褪色現(xiàn)象。主要原因是石蠟油的沸點(diǎn)在300℃左右， 酒精燈直接加熱會(huì)使石蠟油快速氣化還沒有達(dá)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(chǎn)生，所以酸性高錳酸鉀不會(huì)褪色。

Al2O3樣品明顯具有催化作用， 可以使反應(yīng)時(shí)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(zhuǎn)變，產(chǎn)生多種形態(tài)的水化物；樣品2 是將氨水滴加到Al2（SO4）3中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)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(xiàn)記載相一致。

酒精燈火焰溫度在500～600℃左右， 在加熱碎瓷片時(shí)， 內(nèi)側(cè)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(fā)生裂化，產(chǎn)生的混合氣體向外溢出，遇到溫度更高的炙熱的碎瓷片，進(jìn)一步發(fā)生裂化和裂解， 產(chǎn)生乙烯等氣體。從實(shí)驗(yàn)7、8、9 可以發(fā)現(xiàn)， 提高溫度有利于裂化和裂解的進(jìn)行，所以使用帶風(fēng)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(fā)生變形和破裂，演示時(shí)不宜采用。

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

［2］馮桂榮， 張會(huì)茹．乙烯實(shí)驗(yàn)室制法改進(jìn) ［J］．化學(xué)教學(xué)，2011，（3）：37

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

［4］王金龍， 余興慶．石蠟裂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再實(shí)踐與再認(rèn)識(shí)［J］．化學(xué)教育，20l0，（10）：69－70

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