對乙醇脫水制乙烯實驗的新研究

摘要：對蘇教版全國普通高中化學選修教材《有機化學基礎》中采用石棉絨作催化劑制取乙烯的實驗進行了研究。同時，對乙醇制取乙烯的催化劑——濃硫酸、五氧化二磷和石棉絨的催化效果進行了比較。

關鍵詞：乙烯制??；石棉絨；濃硫酸；五氧化二磷

文章編號：1005－6629(2007)05－0012－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

中學化學實驗室中常用濃硫酸作為乙醇脫水制取乙烯的催化劑、脫水劑，但是實驗中存在很多的弊端，如：炭化現象嚴重影響觀察，反應所需要的時間長，制取的乙烯純度不高等。蘇教版全國高中化學新教材——《有機化學基礎》（選修）P69頁，關于乙醇脫水制取乙烯的實驗中，沒有采用傳統的方法即以濃硫酸作為催化劑，而是選用石棉絨作為催化劑制取乙烯[1]。教材中采用試管作為反應儀器，將乙醇和石棉絨加入其中用酒精燈進行加熱，并用水進行洗氣來制取乙烯（見下圖）。石棉絨能否作為制取乙烯的催化劑，還需要從其反應機理來看。

乙醇脫水反應是按照E1機理進行的，具體過程如下：

在酸的作用下，乙醇分子上不容易離去的基團——C—O轉變成易離去的基團，C—O鍵斷裂脫水形成C+，C+的鄰位碳原子上失去一個質子，一對電子轉移過來中和正電荷形成雙鍵。從反應機理上看，生成C+的一步是整個反應的速控步驟，還表明醇的脫水反應是一個可逆反應。因此可以通過控制H⁺的濃度即用較濃的酸來使反應向右進行，可以選用濃硫酸或五氧化二磷作為催化劑和脫水劑。另外，醇在350-400℃在氧化鋁或者硅酸鹽表面上脫水，也可形成雙鍵[2]。如：

石棉屬于硅酸鹽類礦物，化學成份是Mg6[Si4O10][OH]8，含有氧化鎂、鋁、鉀、鐵、硅等成分[3]。因此從理論上看石棉絨可以作為乙醇脫水制取乙烯的催化劑，那么它在實際操作中能否有良好的催化效果？與濃硫酸、五氧化二磷在實驗室中的催化效果有什么不同？筆者對此進行了一系列的對比實驗。

1實驗內容

1.1催化劑的選擇

采用濃硫酸作催化劑；

采用石棉絨作為催化劑，分別采用角閃石石棉和蛇紋石石棉；

采用五氧化二磷作催化劑；

采用濃硫酸和石棉絨作為混合催化劑；

采用五氧化二磷和石棉絨作為混合催化劑。

1.2 實驗裝置

1.3 實驗中乙醇的具體用量及催化劑用量

1.4說明

實驗采用具支試管作為反應容器。為了使實驗結果具有明顯的對比性，實驗中檢驗乙烯的酸性高錳酸鉀采用相同的配制: 在試管中加入3滴0.01mol/L的高錳酸鉀稀釋至5mL，再加入3滴1﹕1的鹽酸，混合均勻。由于實驗中濃硫酸、五氧化二磷及產生的雜質都具有酸性，因此選用KOH溶液洗氣，消除雜質對檢驗乙烯的影響。另外，由于熱的乙醇也能夠使高錳酸鉀褪色，為了保證實驗中蒸發出的乙醇對實驗結果沒有影響，加做了一個空白實驗，即不加入任何的催化劑采用和上述裝置相同的裝置進行加熱，將乙醇蒸發經過盛有KOH溶液的洗氣瓶，通入酸性高錳酸鉀溶液中，發現高錳酸鉀未褪色。說明在實驗中乙醇沒有對結果造成影響。另外自然界中的石棉有兩種，角閃石石棉和蛇紋石石棉，上述實驗中的是角閃石石棉。為了準確，筆者將蛇紋石石棉也作為催化劑進行了部分對照實驗。

2實驗現象

2.1濃硫酸作為催化劑

加熱到40s左右時溫度迅速上升到170℃，即有大量的氣泡冒出，酸性高錳酸鉀溶液褪色，褪色情況較好。在反應開始后不久即開始出現炭化現象，到反應結束時溶液的炭化現象非常嚴重，幾乎變成濃黑色。且反應完畢后試管中酸性殘留氣體非常多，試管難以洗滌。

2.2石棉絨（角閃石）作催化劑

加熱開始時溫度升高，有少許氣泡冒出，當溫度上升到78℃時乙醇開始大量地蒸發，加熱到50s左右時有很少量的氣泡冒出，溫度開始上升，但是酸性高錳酸鉀幾乎不褪色，褪色情況明顯不如前者好，且當溫度過高時，石棉絨會變焦。筆者試做的幾次蛇紋石石棉的反應現象還不如角閃石石棉。

2.3五氧化二磷作催化劑

將五氧化二磷加入到盛有乙醇的試管中即有大量的白霧產生，加熱后溫度開始迅速上升，有少許氣泡冒出，當加熱到82℃時即有大量的氣泡冒出，反應進行到35s時酸性高錳酸鉀褪色，褪色情況相對最好。

2.4濃硫酸和石棉絨共同作為催化劑

反應現象同1中相似，但是局部炭化現象比較嚴重，且石棉絨會阻止部分乙烯氣體的逸出，因此酸性高錳酸鉀的褪色時間及褪色情況不如1。

2.5五氧化二磷和石棉絨共同作催化劑

反應現象同3，加熱到87℃左右時會有大量的氣體產生，石棉絨也會阻止乙烯氣體的逸出，因此高錳酸鉀的褪色情況及時間不如3。

3結果分析

3.1 石棉絨作催化劑

石棉絨作為乙醇脫水制乙烯的催化劑在以前的中學教材及文獻中并沒有提及，雖然醇在硅酸鹽表面上能夠發生脫水反應并且不發生重排，但是所需要的溫度非常高，在演示實驗中乙醇往往在脫水之前就已經完全地蒸發掉，只有極少的一部分會脫水生成乙烯。筆者在進行實驗時發現：該反應產生的氣體的量很少，只能使高錳酸鉀稍微褪色，且現象不明顯，反應的重現性很差，即石棉絨對乙醇脫水制取乙烯的催化效果不佳。另外，由于石棉絨屬于致癌物質，對人體的危害較大，所以很多中學實驗室中并不配備石棉絨，而且石棉的種類比較多，成份不同，其催化作用也不盡相同，因此，筆者認為，乙醇脫水制乙烯實驗的催化劑選用石棉絨并無什么優勢，另外，在濃硫酸和五氧化二磷作催化劑時分別加入石棉絨對他們的催化效果也沒有明顯的促進作用，反而會使氣體逸出的時間加長。

3.2 濃硫酸作催化劑

濃硫酸作為一種傳統的催化劑，在教材中被使用得最多，但是也存在較多的問題，主要在于反應時間長，炭化現象嚴重，副產物較多，試管難于清洗。對于濃硫酸作為催化劑在很多文獻中都進行了大量的研究，筆者認為可以通過改變乙醇和濃硫酸的體積比消除此反應的弊端：教材上所給出的乙醇和濃硫酸的體積比為1∶3，在這個比例下乙醇易被濃硫酸炭化，副產物也較多，因此可以適當減少濃硫酸的用量，筆者用1∶1體積比進行實驗，可明顯減輕炭化現象。

3.3 五氧化二磷作催化劑

五氧化二磷作為催化劑，其催化效果在一些文獻中曾被提及。筆者在實驗中也發現：采用五氧化二磷作為催化劑無炭化現象，不影響學生對實驗的觀察，反應時間短，所需溫度不是很高，在80℃左右即可，高錳酸鉀褪色情況良好。但是五氧化二磷屬于強吸水劑，在具體操作中會產生白霧，存在著不便，這也是其在使用中存在的弊端。

經多次反復的對照實驗驗證：在乙醇脫水制取乙烯的實驗中，五氧化二磷的催化效果最為理想，而石棉絨對該反應的催化效果并不理想。

參考文獻：

[1]王祖浩．有機化學基礎[M].南京：江蘇教育出版社，2004：69.

[2]邢其毅．基礎有機化學（上冊）（第三版）[M].北京:高等教育出版社，2005：275.

[3]王箴.化工辭典(第四版)[M].北京:化學工業出版社，2000：837.