三氧化二铁和氧化锌在乙烯合成中的应用

三氧化二铁和氧化锌在乙烯合成中的应用

乙基苯基苯基苯基苯基试验和中学化学教育是一项重要的验证性实验。做好此实验,对于帮助学生理解和掌握乙烯的组成、结构及性质等知识,培养学生的观察能力、思维能力、创新能力等方面具有十分重要的意义。但高校实验教材和现行高中教材上的实验方法存在着一些问题,难以收到满意的效果,需要改进。1改进的准备方法1.1实验空气的污染实验室制备乙烯的传统方法是利用浓硫酸(催化剂)和乙醇的混合物共热。该法至少存在以下四点不足:1)浓H2SO4的用量大,比热又高,加热到170℃所需的时间较长,且温度难以控制。2)由于浓硫酸的强氧化性和乙醇易炭化,得到的乙烯产量低,且纯度不高,混有较多的CO2、SO2、CO、乙醚等气体(其中前两种气体的体积约占到气体总体积的1/3),不仅影响了实验现象的真实性,而且造成了实验室或教室空气的严重污染。3)乙醇的严重炭化使得反应后烧瓶中混合物呈棕黑色,积炭附于瓶壁难以清洗。1.2添加反应物对乙烯产率的影响针对实验室制备乙烯传统方法存在的问题,对该实验进行了深入的探究,发现在反应物中加入少量的三氧化二铁和氧化锌的混合物,不仅可显著减少副反应,提高乙烯的产率,而且操作简单安全。1.2.1安全设施仪器:托盘天平、铁架台、酒精灯、量筒、大号试管(25mm×200mm)、橡胶塞、尖嘴导管、细塑料软管(来自打吊针的废医用输液器,带有轮式夹)、塑料瓶(容积在2000mL以上,带盖;来自装饮料的废瓶,如雪碧瓶、可口可乐瓶等)、水槽、锥形瓶、玻璃棒等。试剂:95%乙醇、浓H2SO4、Fe2O3、ZnO。材料:废杏仁露铁皮筒(或废真空集热管)、火柴等。1.2.2大号管口设计如图1所示,该装置主要有四部分组成:1)热源。为一只自制的大火酒精灯。2)反应器。为一支25mm×200mm的大号试管。3)导管。导管的主体是一支弯曲约120°的玻璃管尖嘴。尖嘴一端与塑料软管相连;另一端通过单孔橡胶塞连接反应器。4)集气装置。由1只透明塑料饮料瓶和1只大水槽(或透明塑料盆)组成。1.2.3醇酸混合液的配制1)装配大火酒精灯由普通酒精灯更换成粗芯并增加一个罩子而成。该灯火焰大,温度高,在实验室可替代酒精喷灯做一些简单的玻璃工,如弯管、熔光、拉制滴管及尖嘴导管等。2)醇酸混合液的配制与“陈化”95%乙醇与浓H2SO4按1:3的体积比混合。混合时,先将3体积量的浓H2SO4注入于约150mL的锥形瓶或长颈烧瓶中,并置于盛适量冷水的水槽中;然后再量取1体积量的乙醇分次慢慢倒入锥形瓶中。注意边倒入边在冷水中振荡锥形瓶。待醇酸混合液冷却后,塞紧瓶塞,放置过夜,保管备用。1.2.4将塑料软管作酰氯化制气:1)按图1安装好装置,并检查其气密性。2)分别称取3gFe2O3粉末和1gZnO粉末,混合均匀后,装入卸下的干燥大试管中。3)量取10mL事先配制好的醇酸混合液,注入大试管中。用玻璃棒搅拌后,塞紧连有导管的胶塞,重新按图1所示固定好试管,并将开启的塑料软管插入水槽中。4)洗净塑料瓶,将其装满水后倾置于大号水槽中(注意瓶中不留空气泡)。5)点燃大火酒精灯,先预热试管,后将火焰集中在试管的底部加热。待有大量气泡从水槽中连续冒出时,速将导管插入塑料瓶中。并注意控制火焰(在整个药品的下方慢慢地来回移动),使反应平稳发生。6)反应停止时,先关闭轮式夹(或把塑料软管从水槽中拿出),后再熄灭大火酒精灯。洗气:1)在水面下拧紧塑料瓶盖,后将瓶子拿出水槽,并强力振荡0.5min,以加速水对CO2、SO2、乙醚等杂质的溶解和吸收。可明显地看到瓶子变瘪。2)将瓶子放回水槽中,拧开瓶盖,再慢慢挤压瓶身,将瓶内的“稠”水最大限度地排出。然后松手,瓶子自然胀起,水槽中的“清水”则被吸入其中。这样,反复2-3次。3)再依次重复上述两步操作2-3次,即可将乙烯中CO2、SO2、乙醚等杂质洗涤干净。4)在水面下拧紧塑料瓶盖拿出,贴上标签并保管好,备用。2性质试验的改进2.1经济火险：从一般在炮点上出现了明显的黑烟1)点燃乙烯时,开始火焰呈淡蓝色,逐渐火焰变得明亮,但火苗不大,看不到明显的黑烟。另外,没有采取预防爆炸的安全措施。2)气体的利用率不高及通气时间较长,浪费了一些气体。2.2改进方法2.2.1材料、试剂和仪器仪器:量筒、烧杯、铁架台、酒精灯、试管(15mm×150mm)、1#橡胶塞、细塑料软管(带有轮式夹)、细塑料硬管(来自棒棒糖柄或用过的粗圆珠笔芯)、塑料瓶(容积为500-600mL,来自装纯净水、矿泉水、绿茶等饮料的废瓶)、玻璃尖嘴等。试剂:0.5%溴的四氯化碳溶液、0.05%高锰酸钾溶液、浓硫酸。材料:不锈钢细窗纱、火柴等。2.2.2装饮料的制备1)装配双孔胶塞用一根烧红的细铁丝(比细塑料硬管稍细),在1只1#橡胶塞上垂直地烙上两个小孔(间距约8mm),然后插入两根细塑料硬管。将插在胶塞上的两根细塑料硬管放入沸水中浸泡约30min,取出后迅速用双手分别弯成相背的90°夹角,并放入冷水中冷却定型。2)制作加水塑料漏斗取一只装饮料的废塑料瓶(容积为500-600mL),用小刀从腰部割断。然后配一只插有塑料硬管的单孔1#胶塞即成。3)制作防爆燃烧管取一支长约6cm的普通玻璃尖嘴导管,在其管内紧密地填充满不锈钢细丝(来自窗纱,愈细愈好)或细铜丝。其尖嘴端与导气的塑料软管连接,另一端用乳胶管与另一支玻璃尖嘴相连。通过其点燃可燃性气体时就可达到防爆的作用。4)制作改良导管取一条塑料软管,将其一端放在酒精灯焰上烧软后捏封。再用烧红的注射器小号针尖在其封口的圆柱端头壁上烧烙2-3个小孔(沿壁同高且均匀分布)。2.2.3乙烯与混合液的燃烧试验乙烯的燃烧试验如图2所示。1)分别用两根塑料软管将双孔胶塞与加水漏斗、防爆燃烧管连接起来(连接防爆燃烧管的塑料软管上配有轮式夹)。2)将收集较纯净乙烯的瓶子放回大水槽。在水面下先拧掉瓶盖,然后塞紧事先备好的连有塑料软管的双孔橡胶塞,并关闭软管上的轮式夹。3)用手轻轻挤压装乙烯的瓶子,使瓶内的水沿着塑料软管进入加水漏斗少许(以排除软管中的空气)。待用烧杯向漏斗中加满水后,方可松开手指。然后将瓶子拿出水槽,直立于台面上。4)打开轮式夹,在针头上点燃,可清楚地看到乙烯气体燃烧时的明亮火焰。若再轻轻挤压一下瓶子,以增大气体的排量,便可明显地看到火焰上方的黑烟。乙烯与两种溶液的反应试验如图3所示。1)完成乙烯的燃烧试验后,关闭轮式夹。然后从下尖嘴处取下防爆燃烧管,借助一段细塑料硬管把改良的塑料软管连到导气的塑料软管上。2)取两支15mm×150mm的小号试管,分别注入2-3mL0.5%溴的四氯化碳溶液和0.05%高锰酸钾溶液。在后一支试管中另加入5滴浓硫酸酸化高锰酸钾溶液。3)将小孔放气的塑料软管先插入到上述任一支试管的底部,然后慢慢打开轮式夹,让气流缓慢地从液面下冒出。观察溶液颜色的变化。待溶液褪色后,将小孔放气的塑料软管再迅速插入到另一支试管的底部,观察溶液的颜色又有何变化?3催化机实验制备方法1)因医用塑料软管管径较细,与玻璃导管相连时需要将玻璃导管拉制成尖嘴状。连接时,尖嘴不要蘸水,否则软管容易滑脱。为了确保点燃试验的绝对安全,在向塑料漏斗中加水前,应先排净软管中的空气。2)浓硫酸的脱水性和氧化性都随浓度增加及温度升高而增大。在乙烯制备过程中,随着反应温度的升高,体系中乙醇和水的量不断减少,浓硫酸的脱水和氧化作用也越来越强烈。如何避免和减少乙醇被炭化和氧化,而又不影响浓硫酸的催化和脱水作用,本研究认为关键在于硫酸能否在反应过程中始终保持适当的浓度,使之既满足乙醇脱水制备乙烯的条件而又不随温度升高而浓度增大。在上述反应体系中加入Fe2O3和ZnO就是为了达到此目的。因为Fe2O3和ZnO均能与浓硫酸发生以下反应:反应(1)在常温条件下,速度缓慢,但随着温度的升高而加快。主要作用是消耗反应过程中脱离出来的浓硫酸;反应(2)速度较快,因ZnO用量较少,该反应会很快结束。其生成物ZnSO4在180℃的情况下,仍能与主反应生成的一定量的水结合生成结晶水合物,故其主要起催化作用。3)实践证明,95%乙醇与浓H2SO4按1:3的体积比事先混合过夜“陈化”,可以达到两个目的:一是满足酯化反应平衡建立所需的时间,以利于生成更多可供受热分解制乙烯的硫酸氢乙酯;二是减少游离的浓硫酸存在,以减弱加热过程中乙醇的炭化程度。本方法在醇酸混合液(体积比为1:3)为10mL的情况下,利用3gFe2O3和1gZnO的混合物粉末为助催化剂,完成反应约需要6-8min;实际收集到的乙烯纯净气体可达850mL(换算成标准状况下为833mL)之多,其产率为85.5%。该方法中Fe2O3和ZnO的用量是尝试用量,其最佳用量还需用正交实验法进一步确定。4)防爆燃烧管的核心部件是细金属丝柱,其长度以5-6cm为宜。它是用一团一团的细金属丝束堆集而成。其防爆原理是燃烧的回火通过金属丝网时因快速导热(使可燃的气体的温度迅速降至燃点以下)而熄灭。实践证明,用废弃的不锈钢窗纱细丝比导线内的细铜丝要好。因为其不仅廉价易得,而且具有优良的耐腐蚀性及不容易生锈的特性。改良导管除了用于气体与溶液反应的所有性质实验外,还可用于洗气装置。它的利用,明显地增大了气体与液体接触的面积,从而增强了对气体的利用效果或洗涤效果。5)该方法中的气体收集方式及点燃试验的操作方法也适用于甲烷、乙炔、氢气、一氧化碳等可燃性气体。若采用这种装置洗气和储气,并以这种方式供气,先后做甲烷、乙烯、乙炔等可燃性气体的燃烧实验,可消除气体流量及流速不同的影响,给它们提供一个可比较的平台。用本法制备乙烯操作简单安全,反应平稳,炭化