实验室制备乙烯的一种新方法_王凤阁

实验室制备乙烯的一种新方法

王凤阁 宫宝安

(烟台师范学院化学系　山东烟台264025)　(烟台大学化学院)

摘要　本文用铝基膨润土作催化剂,多相催化已醇脱水制备实验室用乙烯。文中对该方法同现行实验室制备乙烯的主要方法进行了比较。

关键词　铝基膨润土　多相催化　乙醇　乙烯

实验室中用的乙烯,通常靠催化乙醇脱水获得。

最常用的催化剂是浓硫酸(均相催化)和活性氧化铝

(多相催化)[1]。浓硫酸的强腐蚀性使得使用不够安

全和方便(特别是教师用于演示乙烯的化学性质和

学生用于验证乙烯的实验)。同时,此制备方案中副

产物相当数量的二氧化硫和乙醚,这不仅严重影响

得到的乙烯的质量和产量,而且对环境有污染,因而

此种方案不够理想。后种制备方案虽然可以避开上

述弊端,但氧化铝的催化活性对温度过于敏感,其适

宜温度既高又窄(360℃—380℃),而且氧化铝的活

化亦非易事(如高温灼烧、结晶等)[2],因此这种方案

也不尽理想。基于Ballantine等人的工作[3、4]和我们自己研究的结果(加文发表)本文用铝基膨润土作为多相催化剂,催化乙醇脱水转化成乙烯。实验结果表明,本方法不仅装置和操作十分简便,而且结果十分可靠,得到的乙烯的产量和质量均足够好。

1　实验方法

1.1　催化剂的处理

将膨润土原矿(取自莱阳土厂)在强力搅拌下分散进蒸馏水内,成乳浊液后,除去悬浮的杂物和沉降在底部的石英等杂质,然后离心机(或长时间静止沉降)分离出膨润土(固相部分),烘干(80℃,24h)。再将这种选出的膨润土磨碎过筛(160目)后,浸入浓度为1mol/L的Al2(SO4)3水溶液内,强力搅拌直至成均匀的乳浊液,48h后(其间多次强力搅拌,以保证离子交换充分),用无离子水(或蒸馏水)洗去SO42-离子和过量的Al3+离子,反复洗涤多次,直至洗涤液中检不出SO42-和Al3+为止,再用离心机(或长时间静止沉降)分离出Al3+交换了的膨润土,烘干(80℃),磨碎过筛(160目)即得催化剂铝基膨润土。用于催化反应时,当先使其处于纯水的水蒸汽中或空气中平衡,以保证催化齐的相对湿度为10%左右(用平衡时的温度和时间调整)。

1.2　乙烯制备

1.2.1　仪器　硬质支试管3个;300℃温度计1支;玻璃尖嘴管1支;酒精灯1个;以及用于导气的玻璃管和乳胶管若干。

1.2.2　药品　无水乙醇(或95%乙醇),铝基膨润土;玻璃纤维和脱脂棉(或普通棉花)。

1

.2.3　操作

(1)取少许脱脂棉吸收3mL—5mL乙醇,放入支试管底部,在与其相间2c m左右的空隙处,放入少许剪成2cm左右长度的玻璃纤维,充当催化剂载体,其上面放入3g左右的铝基膨润土,再用另外少许相应的玻璃纤维将铝基膨润土适当封好,装上温度计(插入催化剂体内)即可。由于产生的乙烯可能会含有少量未反应的乙醇和付产物乙醚,故导出的乙烯,要先进入装有1∶1的乙醇和水10mL的支试管(图1中d),以便洗去乙醚和乙醇,乙烯制备装置如图1所示。

图1　乙烯制备装置示意图

图中a是吸收有反应物乙醇的脱脂棉团;b是由两端玻

璃纤维架封的并载于玻璃纤维上的催化剂铝基膨润土;c

是温度计;d是用于洗乙醚和乙醇的1∶1醇水溶液;c是

导气尖咀管;f是用于加热的酒精灯

(2)用酒精灯加热反应体系,稍稍均匀加热支试管后,即集中加热催化剂处,直至160℃时为止。此时可适当加热反应物乙醇处(过早或过多地加热乙醇,会使乙醇末待催化脱水即离开反应体系,从而降低乙醇的转化率。实际上加热催化剂时,由试管壁传导的热已使部分乙醇气化),而催化剂处的温度则自动上升至200℃左右,同时已明显有乙烯生成(实际上,当催化剂处达160℃时,即有乙烯生成,而180℃—220℃是最佳的温度区间)。

1.2.4检验

实验室中的粗用乙烯,相当数量是用于乙烯化学性质的验证(包括教师的演示和学生的实验),我们也据此来检验本法制得的乙烯。先将制得的乙烯导入溴水,溴水很快退色,接着将该乙烯导入高锰酸钾溶液,此溶液也很快褪色,同时明显可见有MnO2沉淀生成,最后将该乙烯点燃,其以亮黄色火焰燃烧近0.5min。

(下转第81页)

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图1　氢硫酸中H

2

S挥发曲线图

至此,我们有必要在认识上分清氢硫酸的变质与失效的联系和区别。前者,氢硫酸比较稳定,它的自身分解和受空气的氧化性变质(失效)都是极其有限或者说是很微不足道的,而它的挥发性失效则是非常突出的。正因为如此,只要是用蒸馏水配制的氢硫酸,并且密闭存放好,不说十天半月后使用,即使是一月两月后使用,也仍然有效,这或许就是在认识上我们曾经长期忽略的。

敞口置放在空气中的氢硫酸会变质(浑浊)、失效,这个中原由似乎早已清清楚楚、明白无疑。我们的实验应当说告诉了我们一个值得吸取的经验和教训:有时大家认为已经完全解决的问题,实际上并未完全解决;有时,一个实验似乎没有什么前途,其中却有可能蕴含有非常有价值的未知事实。大学问家季羡林教授说过:有时候甚至全世界都承认为真理的学说,时过境迁,还有人提出异议,我们认为这是好事,而不是坏事。因为真理的长河是永远流动不停的。我们的实践远远不能说我们在此发现了什么“真理”,而只能说我们所做的、所说的更加接近真理了。这恐怕就是我们的实践和写这篇文章所做的思考。

指导教师:重庆巴蜀中学刘怀乐老师。

(上接第68页)

2　讨论

(1)本法制取的乙烯,连续使溴水和高锰酸钾溶液很快褪色,接着又以乙烯特征的亮黄色火焕,足够长时间的燃烧。由此可以断定,作为验证乙烯化学性质一类的实验室粗用,本法的乙烯具有足够好的质量和产量。在更为严谨的类似的乙烯合成过程中和相应的色谱分析中,此点得到了进一步的证实。

(2)与现行实验室制备乙烯的几种装置相比[1,2],本法所用装置的简易是明显的。

(3)本法的操作安全且方便,只要注意加热的部位和乙烯与催化剂间的间隔适当(此两项操作均为保证气化的乙醇分子在铝基膨润土的最佳催化活性状态与其作用,从而保证较高的转化率)即可。

(4)本法需要的药品便宜而易得是又一特点。乙醇是最常见的化学药品之一,膨润土也很容易买到,而且十分便宜(也可直接买到铝基膨润土,而且铜基膨润土、铁基膨润土等该对应实验也具有催化活性,只是相对差些)。制备铝基膨润土,对学生也是一种实验训练。

很明显,本工作对有机化学教学(高校的和中学的)和研究是有意义的。对于目前正在受到广泛研究的膨润土的应用[5],也是有意义的。

应该提及,作为一种人工合成植物激素,“乙烯利”(即2-氯乙基磷酸)在碱性介质中分解而产生乙烯的乙烯利法[6],

对于得到实验室用乙烯确为很方便。但是相对乙醇,2-氯乙基磷酸不仅价格贵的多,而且不易得到,更重要的是,作为基础有机化学重要内容的醇、烯和醚之间的转化,及其与温度和催化剂的关联,我们的制备方法与现行的浓硫酸为催化剂的方法是完全平行的,

相反,乙烯利法则完全无此方面的教学价值。迄今为止,乙烯利法已问世近20年,但未见任一本有机化学教学参考书(包括国外)引用乙烯利法制备乙烯,原因可能即此。

参　考　文　献

[1]　Waddington D J and Finlay H S.OR GANIC CHEMISTR Y THR OUGH

EXPER IMENT,1997

[2]　李方正.四川师院学报(自然科学版),1981,(1):107

[3]　Ballantine J A etal.J C S CHEM.CO MM,1981:427

[4]　Ballantine J A etal J MOL CATAL,1984

[5]　purnell J H etal.J MOL CATAL,1984

[6]　Cooke A R and R andall D I.Nature,1968

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