催化乙醇制乙烯实验反应条件的探究，本文主要内容关键词为：乙醇论文,乙烯论文,条件论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中学化学实验室常用浓硫酸作乙醇制备乙烯实验的催化剂、脱水剂，但实验过程中存在耗时长、试剂用量大、乙醇炭化严重、乙烯纯度不高等弊端。因此，广大的化学教师对该实验做了大量积极的探索，相关的一些研究论文也时常见诸报端。
全国高中化学新教材苏教版《有机化学基础（选修）》[1]（以下简称教材）中关于乙醇脱水制取乙烯的实验另辟蹊径地介绍了改用
作催化剂进行实验的装置图与具体操作。为方便探讨与行文，特将教材上的原文内容摘抄如下：
[实验]组装如图4-9（见下页图1）所示装置，在试管中加入2g并注入4mL 95%的乙醇，加热，观察实验现象。
经多次反复操作和分析该实验后，笔者最终认为，教材所提供的实验装置与操作方法还存在一些问题，很值得我们进一步探讨。
一、关于实验的加热方式
若按教材要求使用酒精灯加热试管内的乙醇与的混合物，由于升温速度快而极容易发生混合液暴沸，易导致乙醇汽化涌出，不但造成原料上的浪费，热的乙醇蒸气还会使稀酸性高锰酸钾溶液褪色而干扰乙烯检验；此外，酒精灯直接加热，容易因受热不均匀使得试管内气流不稳定，倒吸现象发生几率高，影响实验安全。
图1 乙醇脱水实验装置
做过该实验的同行可能大都会有这样一个体会，用酒精灯加热试管后温度迅速上升，开始有少许气泡冒出，当加热到80℃左右时即有大量气泡生成，温度升至90℃以上时反应则已经非常剧烈，这一点也得到了很多文献资料的支持与认同[2-4]并同时认定乙烯在80℃～90℃即已生成。
鉴于教材酒精灯加热的不足及文献的介绍，笔者不禁思考是否可将本实验改为（沸）水浴加热呢？实践发现，在用试管将乙醇和混合后即使直接在沸水浴中加热，试管中乙醇仍易汽化，但洗瓶内除开始因体系内气体受热膨胀出现气泡外，后来就根本不再有任何气体产生了，酸性高锰酸钾溶液也丝毫没有褪色的迹象。因此，我们认为一些文献[2][3]因反应混合物在80℃～90℃有大量气泡生成就此武断认为有乙烯生成是不正确的。而若水浴加热温度太低不足以使乙醇脱水成烯，故本方法不宜采用！
笔者在尝试了多种不同加热方式，综合考虑后最终选定使用甘油浴加热，效果较好。当甘油被加热到124℃时，试管中的混合物开始出现少量气泡；至温度升至145℃以上（不高于170℃，以150℃～160℃效果最佳）体系中乙烯气体即能持续产生，并使酸性高锰酸钾溶液迅速褪色。整个实验过程中，乙烯气流的产生相对比较平缓，重复多次上述实验也均未发生倒吸。
综上所述，我们认为教材图示中的加热方式是欠妥当的，应将其修正，但一般所用的（沸）水浴加热，温度过低，达不到乙烯产生的要求。用甘油浴加热既安全效果又明显，不失为一种更好的选择！
二、关于KOH溶液的作用
众所周知，（
的简式）固体有很强的吸水性和脱水性。实验表明，当乙醇注入盛有的试管中时立即能听到剧烈的“吱吱”声响并伴随有大量的白雾产生。很多人认为，该白雾属酸雾，由于“五氧化二磷及反应产生的杂质都具有酸性，因此，需要选用KOH溶液洗气以消除杂质对检验乙烯时的影响”[3]；另外，KOH溶液也可以冷却吸收因汽化逸出的热乙醇蒸气。
教材可能也主要是基于上述几点的考虑而在本实验中选用了KOH溶液的洗气装置。但仔细分析研究后我们不禁疑惑，乙醇注入盛有的试管中时产生的白雾真的是酸雾吗？催化乙醇脱水制得的乙烯气体中究竟混有哪些（酸性）杂质？从图示分析可知，KOH溶液至少在100mL以上，用量较大，难道杂质必须要用KOH溶液吸收，有没有其他更好的选择呢？
实验1：在点滴板一凹穴中加一小药匙的固体并在上方放一润湿的pH试纸，滴加几滴无水乙醇。可以观察到在“吱吱”声响中产生大量白雾，pH试纸上只出现少数几颗红点其余部分不变色。说明产生的白雾应为汽化的乙醇而并不会使试纸变色，但因固体与乙醇接触时过于剧烈会使少量粉末飘起并粘附在试纸上而呈现出小红点。
文献[5]记载，（即)和乙醇作用，因反应物相对用量不同，会生成酸性或中性的磷酸酯等，相关产物颜色、水溶性等性质[6][7]分别为：①磷酸单乙酯为淡棕色或无色油状液体，易溶于水，水溶液略带弱酸性；②磷酸二乙酯为五色油状液体，沸点203℃，溶于水[7]，水溶液呈强酸性反应；③磷酸三乙酯为无色微臭液体，易溶于水，沸点216℃。据此，笔者做了以下实验：
实验2：按图2装置在试管内放物体积比约为4∶1的乙醇与磷酸混合物（乙醇适当过量），用沸水浴或甘油浴加热，刚开始洗瓶和小试管有少量气泡冒出，后不再冒泡，洗瓶中无油状液体出现；原先无色透明的混合物逐渐分层，下层无色，上层呈淡棕色油滴状并不断增多，最终试管内的液体全部变为棕色；而高锰酸钾溶液不褪色，洗瓶中无油滴并加紫色石蕊不变红。
实验3：实验2试管内反应物改为无水乙醇作实验对比，酸性高锰酸钾溶液也不褪色。
实验4：按下页图2装置在试管内放2g与4mL无水乙醇，采用150℃甘油浴加热。混合物立即沸腾，并有连续而平缓的气泡生成，约1 min后酸性高锰酸钾溶液红色完全褪去。在洗气瓶中滴加几滴石蕊溶液不显红，说明几乎无酸性杂质逸出。
可见，加热乙醇和磷酸不会产生乙烯；按实验4操作时若随乙烯逸出的杂质如乙醇、磷酸酯等的量很少时，用水洗气的效果就很好，没必要死抠住一定要用碱溶液。为此，笔者认为，与教材原方式相比按图2装置甘油浴加热催化乙醇脱水制乙烯的方法在安全性、试剂用量等方面都有更好的效果。
图2 改进后的实验装置
三、关于乙醇浓度的选择
高中化学实验室常备的乙醇试剂主要有95%的乙醇、无水乙醇两种，按我们一般认识理解可能应该乙醇浓度相对大点更有利于的催化脱水。而教材中强调本实验使用95%的乙醇到底是有意为之呢还是无意之作，对此，我们认为有必要进行深究。
实验5：按图2装置探究在一定前提下乙醇浓度对乙烯产量的影响。控制试剂用量为2g、
稀高锰酸钾溶液4mL、不同浓度无水乙醇和乙醇溶液分别4mL，各实验均采用150℃甘油浴加热，实验开始后用秒表对稀高锰酸钾溶液褪色整个过程计时。最终实验结果如表1所示。
表1 五氧化二磷与不同浓度乙醇反应的实验对比
可见，乙醇浓度越低酸性高锰酸钾溶液褪色时间越长，当浓度低至80%以下时不能产生乙烯。根据实验2乙醇与磷酸反应不产生乙烯的实验事实可推知，乙醇稀溶液不能产生乙烯是因为2g，与乙醇溶液混合时过多的溶剂水已将完全转化成了酸，没有多余的去促使乙醇脱水成烯。
表1中的实验结果也表明，使用95%的乙醇溶液或无水乙醇对酸性高锰酸钾溶液褪色时间没有明显差别。至于无水乙醇为原料对高锰酸钾溶液的褪色时间不缩短，可能是因为该反应须在有
存在下乙醇才能进一步质子化后按E1机理产生乙烯，而若乙醇中存在少量水可与迅速化合成酸，此过程放热，有利于的生成。
在实验探究过程中我们还发现了另外一个事实，将等量分别与95%乙醇或无水乙醇反应作对比酸性高锰酸钾溶液褪色速度无明显差异，但无水乙醇反应产生的气体总量会更多一些，这一实验结果与袁加程[2]等论文中的数据相符。实际教学中，由于我们仅仅需要制得少量的乙烯用于使几毫升酸性高锰酸钾溶液褪色等，对乙烯生成量多少的要求很低，因此，无论是选用95%乙醇或是无水乙醇，都可完全合乎实验教学演示的要求；当然，我们也应该心知肚明，实验时只要注意控制好乙醇浓度在90%以上就能获得很好的效果，完全没有必要“照单抓药”地去死抠乙醇具体浓度不放。
行文至此，我们已完全有理由相信，教材中五氧化二磷催化乙醇脱水制乙烯实验的操作方法和装置图是不够理想的，有必要进行改进。综合以上的分析与实验探究结果，我们认为本实验最佳的反应条件为：在试管中加入2g，并注入4mL无水乙醇或95%的乙醇，用150℃甘油浴加热（装置如图2所示），观察实验现象。