程素芳 王慧

摘要： 分析現(xiàn)行高中化學(xué)教材中已有的乙烯制備實(shí)驗(yàn)，從試劑選擇、反應(yīng)條件確定、裝置選用三個層面對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)減小了反應(yīng)物用量，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，提高了乙烯產(chǎn)率，簡化了實(shí)驗(yàn)操作過程。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)予以實(shí)施，學(xué)生的參與度高，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 五氧化二磷; 乙醇; 乙烯; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2021）10-0068-03

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題的提出

“乙烯的制備及其相應(yīng)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象”是高中化學(xué)必修課程核心內(nèi)容之一，是高中學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)知識，而這離不開乙烯的實(shí)驗(yàn)室制備。

高中化學(xué)教材《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)（選擇性必修3）》人教版、魯科版均為： 在圓底燒瓶中加入乙醇和濃硫酸（體積比約為1∶3）混合液20mL，溫度維持在170℃左右制備乙烯并進(jìn)行相應(yīng)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[1]。該方案用濃硫酸作催化劑，用酒精燈直接加熱，溫度達(dá)到140℃時會伴有副反應(yīng)發(fā)生;溫度高于180℃時乙醇碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，會有SO2、 CO2等雜質(zhì)氣體生成，需用10%氫氧化鈉溶液處理生成的氣體。因此加熱過程溫度難以控制，實(shí)驗(yàn)完成耗時較長，試劑用量較大。

《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)（選修5）》蘇教版則為： 在試管中加入2g P2O5并注入4mL 95%的乙醇，用酒精燈直接加熱制備乙烯，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示[2]。該方案用P2O5作催化劑，在裝有P2O5的試管中加入95%的乙醇。實(shí)驗(yàn)過程會有“吱吱”的響聲，大量白霧產(chǎn)生，伴有放熱現(xiàn)象，測得溶液溫度可達(dá)94℃。不足之處是： 乙醇脫水反應(yīng)速率太快，通常很難將生成的乙烯捕捉，產(chǎn)生的乙烯氣體在橡膠塞塞上之前已經(jīng)逸出，導(dǎo)致乙烯性質(zhì)實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。用酒精燈直接加熱，氣泡快速生成并劇烈沸騰，還存在一定的安全隱患。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，邵國強(qiáng)等[3]指出，用現(xiàn)制焦磷酸12mL和無水乙醇10mL在185～260℃溫度范圍內(nèi)持續(xù)加熱可以制得乙烯氣體;劉波等[4]指出，采用P2O5作催化劑制乙烯實(shí)驗(yàn)的方案，無碳化現(xiàn)象，反應(yīng)時間短，所需溫度不是很高，高錳酸鉀褪色情況良好;李先拴[5]指出，P2O5先與水形成磷酸，磷酸與乙醇在P2O5脫水作用下形成磷酸氫乙酯等副產(chǎn)物，由于磷酸氫乙酯比硫酸氫乙酯穩(wěn)定，故90℃附近很難生成乙烯氣體，產(chǎn)生的氣體主要為乙醇蒸氣。

為此，本研究對P2O5催化乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)展開探索，以期找到實(shí)驗(yàn)室制備乙烯的最佳條件。表1從反應(yīng)物用量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度以及乙烯產(chǎn)率等多角度比較選用濃硫酸和P2O5兩種不同催化劑制乙烯的差別。對比相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出： 選用P2O5催化乙醇脫水反應(yīng)制備乙烯有明顯的優(yōu)勢，但按圖2所提供的實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)際操作中仍存在一些問題，值得我們進(jìn)一步探索改進(jìn)。

2? P2O5催化乙醇脫水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究

2.1? 試劑選擇

2.1.1? P2O5與乙醇用量

P2O5具有很強(qiáng)的吸水性和脫水性，這一性質(zhì)與濃硫酸類似。乙醇制乙烯選用P2O5作催化劑，符合高中學(xué)生已有認(rèn)知，學(xué)生容易理解。根據(jù)

C2H5OHP2O5CH2CH2

不難得出，C2H5OH與P2O5的計(jì)量數(shù)之比為3∶1。實(shí)際反應(yīng)時體系中的水和生成的水都會消耗部分P2O5，為提高乙烯產(chǎn)率，理論上P2O5的用量略過量一些比較好。呂亞娟等[6]指出，C2H5OH與P2O5物質(zhì)的量之比約在1.5∶1時，乙烯產(chǎn)率最高，為73.6%。此時P2O5用量約為理論用量的2倍。4mL 95%的乙醇，根據(jù)其密度及摩爾質(zhì)量，可計(jì)算出乙醇的物質(zhì)的量約為0.065mol。假設(shè)乙醇完全脫水，產(chǎn)生的水的物質(zhì)的量應(yīng)當(dāng)為0.065mol，產(chǎn)生的水將消耗掉0.022mol P2O5。由P2O5的摩爾質(zhì)量計(jì)算需要P2O5的質(zhì)量約為3g?？紤]到溶液中的水及P2O5在該反應(yīng)中的催化作用，需要多余的P2O5去促使乙醇脫水生成乙烯，所以4mL 95%的乙醇需要P2O5的質(zhì)量為6g左右比較合適。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明： 用體積為2mL 95%的乙醇與3g P2O5反應(yīng)，足以完成教材上乙烯的相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。因此從簡約性、安全性考慮，實(shí)際操作時可以減少教材中規(guī)定的乙醇體積，適當(dāng)增加P2O5用量。

2.1.2? 乙醇濃度和溴的四氯化碳溶液的選擇

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將3g P2O5分別與2mL 95%的乙醇或等體積無水乙醇反應(yīng)比較，酸性高錳酸鉀溶液褪色速度無明顯差異。實(shí)際教學(xué)中，由于我們僅僅需要制得少量的乙烯用于使4mL 0.01mol/L酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液褪色以及乙烯的燃燒實(shí)驗(yàn)，對乙烯生成量的多少要求較低，因此，無論是選用95%的乙醇還是無水乙醇，都可滿足演示實(shí)驗(yàn)的需求。實(shí)驗(yàn)時只要注意控制好乙醇濃度在95%附近一般都能獲得較好的效果。關(guān)于烯烴中碳碳雙鍵的檢驗(yàn)，人教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》（選擇性必修3）第97頁指出也可以用溴水[7]，實(shí)驗(yàn)多次證實(shí)該實(shí)驗(yàn)溴水褪色現(xiàn)象明顯，效果更好，故本實(shí)驗(yàn)用溴水代替溴的四氯化碳溶液。因?yàn)樗穆然急旧碛幸欢ǘ拘?，使用溴水更符合環(huán)保要求。

2.2? 反應(yīng)條件確定

該實(shí)驗(yàn)如果用酒精燈直接加熱，溫度較難控制，若升溫速度過快極易引起反應(yīng)混合液暴沸，導(dǎo)致乙醇大量氣化造成原料浪費(fèi)，熱的乙醇蒸氣還會使酸性高錳酸鉀溶液褪色而干擾乙烯檢驗(yàn)。且直接加熱還會導(dǎo)致試管中反應(yīng)物受熱不均勻，氣流不穩(wěn)定，倒吸現(xiàn)象發(fā)生幾率高，實(shí)驗(yàn)安全性差。但若選擇水浴加熱，由于水浴溫度過低達(dá)不到乙醇脫水生成乙烯的目的。筆者嘗試用不同種類油浴加熱的方法。一般油浴在密封狀況下加熱溫度可達(dá)到200℃，但開放狀態(tài)下比較困難，且黏稠度大，不方便操作。而硅油因其黏稠度小、燃點(diǎn)高，是該實(shí)驗(yàn)的理想選擇。經(jīng)試驗(yàn)后確定采用硅油浴加熱，溫度約為200℃。

2.3? 裝置選用

2.3.1? 發(fā)生裝置

本實(shí)驗(yàn)采用大試管（內(nèi)置硅油）套小試管（內(nèi)置反應(yīng)物）油浴加熱的方式，裝置如圖3所示。該裝置減少了硅油使用量和熱量損失，同時油浴溫度測量也較方便。當(dāng)硅油加熱到200℃以上時，試管中的乙烯氣體能連續(xù)平穩(wěn)地產(chǎn)生，并使溴水和酸性高錳酸鉀溶液較快褪色。實(shí)驗(yàn)時間約3min，且重復(fù)性好。

2.3.2? 除雜裝置

P2O5催化乙醇脫水制得的乙烯氣體中究竟混有哪些雜質(zhì)？雜質(zhì)是否如圖2所示，必須要用KOH溶液吸收，有沒有其他更好的選擇？

馬春生等[8]指出，氣體樣品GC圖譜檢測顯示： 在250℃的實(shí)驗(yàn)溫度下，反應(yīng)生成的氣體幾乎不含酸性氣體，乙烯氣體中的雜質(zhì)主要為空氣、乙醇蒸氣和水蒸氣。筆者用pH試紙檢測95%乙醇加入P2O5中產(chǎn)生的白霧，pH試紙不變色，說明產(chǎn)生的白霧不是酸霧，而是氣化的乙醇。在用酸性高錳酸鉀檢驗(yàn)乙烯前需要除去實(shí)驗(yàn)過程中揮發(fā)出來的乙醇蒸氣。由于乙醇與水互溶，故反應(yīng)產(chǎn)生的乙烯氣體用水洗效果很好，所以除雜試劑不必使用KOH溶液。

3? 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器： 大試管、小試管、酒精燈、量筒、洗瓶、鐵架臺、試管夾、導(dǎo)管、溫度計(jì)、火柴

試劑： 乙醇（95%）、P2O5、溴水、酸性高錳酸鉀溶液、硅油

4? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖3所示搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，并檢驗(yàn)裝置的氣密性。

（2） 乙烯制備： 在大試管中加入一定量硅油，加熱。用紙槽取約3g P2O5于小試管中，當(dāng)硅油溫度接近200℃時，將2mL 95%的乙醇緩慢倒入小試管中混合，振蕩，待反應(yīng)稍平緩，用帶有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞塞上，放進(jìn)大試管的硅油浴中加熱。

（3） 乙烯性質(zhì)實(shí)驗(yàn)： 當(dāng)油浴溫度達(dá)到200℃時，觀察洗瓶中的氣泡，待乙烯氣流速度穩(wěn)定（約1min后），先將導(dǎo)氣管通入盛有1～2mL淡黃色溴水的小試管中，觀察到溶液顏色褪成無色（約50s）;再將導(dǎo)氣管通入盛有1～2mL紫色酸性高錳酸鉀溶液的小試管中，觀察到溶液顏色褪成無色（約30s）;最后點(diǎn)燃導(dǎo)氣管口的氣體，觀察到火焰明亮并伴有黑煙。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象均證明產(chǎn)生的氣體為乙烯。

5? 對實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的評價(jià)

（1） 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中所使用的催化劑。乙醇消去反應(yīng)制乙烯通常是用濃硫酸作催化劑，本實(shí)驗(yàn)改用P2O5作催化劑符合高中學(xué)生已有的認(rèn)知基礎(chǔ)。通過同一個化學(xué)反應(yīng)選擇不同種催化劑，學(xué)生能體驗(yàn)到合適催化劑的選取對乙烯的實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。由此，還可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析能否使用FeCl3、 Al2O3等作本實(shí)驗(yàn)的催化劑。

（2） 尋找最佳反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件。從理論計(jì)算、論證推理和實(shí)驗(yàn)對照等多重角度，分析探索實(shí)驗(yàn)室制備乙烯的最佳反應(yīng)物用量、反應(yīng)物濃度、除雜試劑、加熱介質(zhì)、反應(yīng)裝置等。通過改進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、不唯書本、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

（3） 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)： 乙烯氣體產(chǎn)生快，完成實(shí)驗(yàn)用時短，制得的乙烯氣體所含雜質(zhì)少且易除去，整套實(shí)驗(yàn)裝置簡潔，反應(yīng)物用量少，操作簡便，現(xiàn)象明顯，污染小。

（4） 本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)過程基于學(xué)生認(rèn)知水平，且通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)予以實(shí)施，學(xué)生的參與度高。關(guān)注實(shí)驗(yàn)方法的多樣性、實(shí)驗(yàn)活動的可行性、實(shí)驗(yàn)過程的安全性和實(shí)驗(yàn)試劑的簡約性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1][7]王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)（選擇性必修3）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 57～59.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)（選修5）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 69.

[3]邵國強(qiáng)， 丁紅萍. 實(shí)驗(yàn)室制備乙烯新方法[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2002， （1）： 34～35.

[4]劉波， 王程杰. 對乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)的新研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2007， （5）： 45～47.

[5]李先栓. “五氧化二磷使乙醇脫水”實(shí)驗(yàn)方案的調(diào)研報(bào)告[J]. 廣州化工， 2011， 39（16）： 190～191.

[6]呂亞娟，趙國虎，白林等. 對五氧化二磷催化乙醇制取乙烯的再研究[J]. 化學(xué)工業(yè). 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2011， （1）： 112.

[8]馬春生，朱瑩敏. 對五氧化二磷催化乙醇脫水反應(yīng)的研究[J]. 化學(xué)教育， 2011， （6）： 70.