制取甲烷的最佳反應(yīng)溫度探究

闕榮輝+李嵌+吳鳳兮+熊言林

摘要：針對制取甲烷的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在的不足進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。2.5g的反應(yīng)混合物，用高溫?zé)犭娕紓鞲衅髦苯犹綔y實(shí)時(shí)反應(yīng)溫度，通過記錄反應(yīng)的溫度變化曲線和反應(yīng)的產(chǎn)氣速率確定反應(yīng)的最佳溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用反應(yīng)物配比為無水醋酸鈉：堿石灰：氫氧化鈉=2：1：1時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生氣體的最佳溫度在500℃上下，整個(gè)氣體制備過程約5min左右。本實(shí)驗(yàn)溫度探測、數(shù)據(jù)記錄直接，用時(shí)短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性強(qiáng)。能指導(dǎo)并幫助教師和學(xué)生方便有效地制備甲烷氣體并進(jìn)行甲烷的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：甲烷；制??；反應(yīng)溫度；熱電偶；傳感器

文章編號：1005-6629（2015）11-0059-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

甲烷作為最簡單的有機(jī)化合物，是中學(xué)生認(rèn)識有機(jī)化合物的起點(diǎn)，因而，其制備和性質(zhì)教學(xué)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中具有重要意義。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法采用無水醋酸鈉與堿石灰以1：3混合，反應(yīng)速度慢，產(chǎn)氣率低，副產(chǎn)物多且容易失敗。國內(nèi)研究者對于反應(yīng)物配比、實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化、催化劑的選擇、副反應(yīng)的影響等進(jìn)行了多次探究，但都未對甲烷制備反應(yīng)的最佳溫度進(jìn)行深入探討。在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，溫度是非常重要的條件，也是實(shí)驗(yàn)過程中不易控制的。而且，固體反應(yīng)物溫度實(shí)時(shí)探測和氣體產(chǎn)生速率確定的困難也是鮮有人探究的重要原因之一。鑒于此，本文將使用高溫?zé)犭娕紓鞲衅髦苯犹綔y反應(yīng)的實(shí)時(shí)溫度，有效消除了反應(yīng)時(shí)加熱強(qiáng)度不易控制帶來的影響；通過收集反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷氣體速率與反應(yīng)溫度的變化曲線確定甲烷制備的最佳反應(yīng)溫度。為甲烷制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)與幫助，以期獲得理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 反應(yīng)物準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)儀器選擇

1.1反應(yīng)物的準(zhǔn)備

總結(jié)國內(nèi)一些研究者的研究結(jié)果可以歸納出以下影響實(shí)驗(yàn)成功的因素：

（1）市售堿石灰的成分氫氧化鈉的含量較低不適合本實(shí)驗(yàn)；

（2）適量的反應(yīng)物比例才能促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行；

（3）實(shí)驗(yàn)的副反應(yīng)生成了丙酮，影響甲烷的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)；

（4）實(shí)驗(yàn)的堿石灰和無水醋酸鈉不干燥，影響了甲烷的制備；

（5）加熱方式、副產(chǎn)物的冷凝、堿在強(qiáng)熱下腐蝕玻璃易導(dǎo)致試管的炸裂；

（6）使用鋁箔小舟裝載反應(yīng)物可以防止堿與試管直接接觸導(dǎo)致試管損壞。

根據(jù)以上因素分析，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合優(yōu)秀的研究成果給出最佳的反應(yīng)物配比，無水醋酸鈉：堿石灰：氫氧化鈉=2：1：1，堿石灰使用前在蒸發(fā)皿內(nèi)由淺紅色灼燒至灰白色，再先后與無水醋酸鈉、氫氧化鈉一起混合，研磨后備用。

1.2實(shí)驗(yàn)條件及熱源的選擇

甲烷制備反應(yīng)原理為：

堿石灰中的生石灰CaO起到了干燥劑和使反應(yīng)物疏松甲烷易于逸出的作用。關(guān)于甲烷制備的反應(yīng)機(jī)理有兩種理解，一種認(rèn)為反應(yīng)為離子型反應(yīng)，甲基碳負(fù)離子奪取水中的氫生成甲烷；另一種認(rèn)為反應(yīng)為游離基反應(yīng)。

無論哪種機(jī)理都需要將反應(yīng)物加熱至熔融狀態(tài)，且反應(yīng)體系中須盡可能要保持無水狀態(tài)才能使反應(yīng)順利進(jìn)行。

1.2.1最佳反應(yīng)溫度推測

無水醋酸鈉的熔點(diǎn)為324℃，氫氧化鈉的熔點(diǎn)為327.6℃，基于以上分析估計(jì)反應(yīng)在溫度達(dá)到二者熔點(diǎn)之后才開始進(jìn)行。該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)物達(dá)到熔融狀態(tài)之后仍需要加熱。隨著溫度的上升，反應(yīng)速度加快，產(chǎn)生的氣體增多，直到反應(yīng)結(jié)束。

由上面推測可知，反應(yīng)開始的溫度應(yīng)該在330℃以上，反應(yīng)溫度較高，通過沙浴、油浴加熱已不能滿足實(shí)驗(yàn)需要；若改用控溫效果好的馬沸爐卻不能收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，反應(yīng)體系的實(shí)時(shí)溫度也不易探測；改用酒精噴燈則溫度過高，試管不能承受。最后選擇酒精燈作為加熱源，這更接近教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)的反應(yīng)環(huán)境，希望所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能幫助教師在教學(xué)過程中更好地完成實(shí)驗(yàn)。

1.2.2高溫?zé)犭娕紓鞲衅餍ｒ?yàn)

在室溫為15.8℃時(shí)，使用高溫?zé)犭娕紲囟葌鞲衅鳒y試沸騰的水的溫度，兩次分別顯示穩(wěn)定在99.0℃和99.1℃。說明傳感器測試正常。

1.2.3酒精燈加熱強(qiáng)度討論

實(shí)驗(yàn)中用到以下兩個(gè)酒精燈，1號酒精燈燈芯比較細(xì)短，火焰比較??；2號酒精燈燈芯比較粗長，火焰比較大。分別用高溫?zé)犭娕紓鞲衅魈綔y兩個(gè)酒精燈的外焰溫度，見圖1。發(fā)現(xiàn)兩個(gè)酒精燈的外焰加熱溫度都能達(dá)到850℃左右，1號酒精燈由室溫加熱到850℃平均用時(shí)約11秒左右，而2號酒精燈需要約7秒。2號酒精燈的加熱強(qiáng)度略高于1號酒精燈。實(shí)驗(yàn)中將討論加熱強(qiáng)度不同時(shí)對甲烷制備實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響。

1.3實(shí)驗(yàn)儀器與裝置

反應(yīng)裝置中使用鋁箔槽防止試管破裂。將高溫?zé)犭娕悸袢似戒佋阡X箔槽（小舟）上的反應(yīng)混合物中，另一端連接數(shù)據(jù)采集器以探測實(shí)時(shí)反應(yīng)的溫度，氣體的收集用排水集氣法收集于倒扣在水槽中的500mL大量筒中，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

2 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

2.1排除實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的鋁箔與氫氧化鈉反應(yīng)

鋁在氫氧化鈉溶液中能發(fā)生劇烈的反應(yīng)：2AI+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑。為了排除該反應(yīng)的影響進(jìn)行如下表1實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)用的堿石灰全部都由淺紅色塊狀研磨成粉末后灼燒至灰白色，反應(yīng)物按照無水醋酸鈉：堿石灰：氫氧化鈉=2：1：1的比例混合，經(jīng)由同一個(gè)酒精燈加熱。

比較反應(yīng)后實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)4的鋁箔小舟發(fā)現(xiàn)兩者基本保持原有的金屬光澤，沒有受到腐蝕。實(shí)驗(yàn)1的反應(yīng)物結(jié)塊成一體，實(shí)驗(yàn)4的反應(yīng)物基本保持在反應(yīng)前的粉末狀，僅有少量結(jié)塊。在實(shí)驗(yàn)4加熱后的小舟和反應(yīng)物中滴加少量水，立即發(fā)生劇烈反應(yīng)，鋁箔小舟被腐蝕放出大量氣泡和熱量，反應(yīng)最后鋁箔小舟被嚴(yán)重腐蝕，表面也失去金屬光澤呈灰黑色。

由實(shí)驗(yàn)1、2、3、4可知：

（1）在反應(yīng)體系無水情況下即使加熱到400℃，氫氧化鈉與鋁箔也不發(fā)生反應(yīng)，可以排除鋁箔小舟與混合物中氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)的可能。

（2）甲烷的制備反應(yīng)在350℃左右開始有氣體生成，是否與反應(yīng)物的質(zhì)量和加熱源的強(qiáng)弱有關(guān)還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2甲烷制備反應(yīng)溫度隨時(shí)間變化的探究

針對上一組實(shí)驗(yàn)中存在的問題，進(jìn)行了第二組對比實(shí)驗(yàn)，見表2。反應(yīng)物配比等同上。

實(shí)驗(yàn)5、6、7分別用不同質(zhì)量的反應(yīng)物和不同加熱強(qiáng)度的酒精燈來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄反應(yīng)溫度在200℃之后到反應(yīng)結(jié)束不再產(chǎn)生氣體這段時(shí)間內(nèi)變化，然后繪制溫度隨時(shí)間變化的曲線，見圖3。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）實(shí)驗(yàn)選擇酒精燈加熱強(qiáng)度不同，會影響反應(yīng)的總時(shí)間和反應(yīng)速度的快慢，其中熱源加熱強(qiáng)度越大，反應(yīng)體系溫度上升越快，氣體生成速率越快，反應(yīng)結(jié)束越早；

（2）反應(yīng)物質(zhì)質(zhì)量的多少會影響反應(yīng)的總時(shí)間，反應(yīng)物質(zhì)質(zhì)量越多需要的反應(yīng)時(shí)間越長，反應(yīng)的總時(shí)間受到熱源和反應(yīng)物質(zhì)質(zhì)量多少的共同影響；

（3）反應(yīng)的熱源加熱強(qiáng)度不會影響反應(yīng)發(fā)生開始產(chǎn)生氣體的溫度與結(jié)束溫度，反應(yīng)物質(zhì)質(zhì)量的多少也不會改變反應(yīng)的開始與結(jié)束溫度。通過數(shù)據(jù)采集器的記錄可知開始產(chǎn)生氣體的溫度在350℃左右，反應(yīng)結(jié)束的溫度在510℃左右。

2.3

甲烷制備反應(yīng)氣體生成速率隨溫度變化的探究

根據(jù)以上結(jié)果設(shè)計(jì)了第三組實(shí)驗(yàn)，探究不同溫度區(qū)間氣體生成的速率，見表3。

用500mL大量筒收集產(chǎn)生的氣體，記錄不同溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積和溫度區(qū)間內(nèi)經(jīng)過的時(shí)間，其中從開始產(chǎn)生氣體到不再產(chǎn)生氣體的這段時(shí)間記錄為反應(yīng)總時(shí)間。計(jì)算不同溫度區(qū)間內(nèi)反應(yīng)的氣體生成速率并繪制條形統(tǒng)計(jì)表見圖4。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在熱源加熱強(qiáng)度不同和反應(yīng)物質(zhì)量不同的條件下，實(shí)驗(yàn)開始產(chǎn)生氣體溫度和實(shí)驗(yàn)結(jié)束的溫度符合前兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：即在350℃左右開始產(chǎn)生氣體，在510℃左右反應(yīng)結(jié)束。由圖4可以看出在不同的溫度區(qū)間內(nèi)反應(yīng)的氣體生成速率表現(xiàn)出以下幾點(diǎn)規(guī)律：

（1）隨著溫度的上升氣體的生成速率逐漸增大，且在440℃之后增大的幅度明顯加快，在500℃附近氣體生成速率出現(xiàn)了峰值，在出現(xiàn)峰值之后氣體生成速率開始下降至反應(yīng)結(jié)束。

（2）實(shí)驗(yàn)表明甲烷的氣體生成速率與加熱強(qiáng)度有關(guān)，由圖4可見，加熱強(qiáng)度大的實(shí)驗(yàn)9氣體產(chǎn)生速率明顯高于實(shí)驗(yàn)8的氣體產(chǎn)生速率，但兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的速率增長趨勢相同。

（3）實(shí)驗(yàn)8、9同時(shí)表現(xiàn)出均勻產(chǎn)氣的時(shí)間約為120s左右，且在到達(dá)500℃氣體生成速率峰值之后實(shí)驗(yàn)也趨于結(jié)束。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的加熱時(shí)間約在五分鐘左右，時(shí)間較短適合在課堂進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上述系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知：

（1）反應(yīng)開始產(chǎn)生氣體的溫度（350℃）和反應(yīng)結(jié)束的溫度（510℃）不受熱源加熱強(qiáng)度和反應(yīng)物質(zhì)量多少的影響；

（2）甲烷氣體的生成速率與熱源的加熱強(qiáng)度呈正相關(guān)；

（3）甲烷制備過程中均勻產(chǎn)氣時(shí)間約為120s左右，整個(gè)加熱制備過程約5min左右。

3.2甲烷制備實(shí)驗(yàn)副反應(yīng)產(chǎn)物的影響

影響實(shí)驗(yàn)的副產(chǎn)物主要是乙烷和丙酮。研究表明反應(yīng)的主要副產(chǎn)物為丙酮（乙烷的量很少），采用排水集氣法收集后可以除去。所以實(shí)驗(yàn)的副反應(yīng)產(chǎn)物對甲烷產(chǎn)氣速率的影響可以基本排除。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

甲烷制備實(shí)驗(yàn)的最佳條件是：當(dāng)反應(yīng)物配比為無水醋酸鈉：灼燒除水的堿石灰：氫氧化鈉=2：1：1時(shí)，試管內(nèi)使用鋁箔小舟裝載混合反應(yīng)物2.5g左右，反應(yīng)產(chǎn)生氣體的最佳溫度在500℃左右。

本系列實(shí)驗(yàn)利用高溫?zé)犭娕紓鞲衅髦苯犹綔y反應(yīng)物的實(shí)時(shí)溫度，突破了固體反應(yīng)物溫度探測的難點(diǎn)。更重要的是，本實(shí)驗(yàn)通過反應(yīng)溫度隨加熱時(shí)間的變化曲線和反應(yīng)產(chǎn)氣速率的統(tǒng)計(jì)來確定反應(yīng)最佳溫度，有效地保障了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)論對于課堂演示或探究甲烷的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)過程有很好的指導(dǎo)作用，能夠幫助教師和學(xué)生更好地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，對于甲烷及相關(guān)知識的學(xué)習(xí)起到了有效的促進(jìn)作用。