胡业宏

摘要：中学化学教材中“乙醇与浓硫酸脱水制乙烯”实验存在明显不足，如耗材多，产率低，有污染，有危险，催化剂不能重复使用，杂质严重影响乙烯检验且耗时长等。改进后的实验装置简单，操作便利，安全可靠，反应产率高，药品消耗量只需不到原来的十分之一，只需5～8分钟便可以完成实验。

关键词：乙醇消去反应；实验改进；ZSM-5分子筛；工业方法；安全瓶

文章编号：1005–6629（2016）10–0061–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 实验背景

“实验室乙醇与浓硫酸脱水制乙烯”实验多年来都是教材重点实验，其主要方法为将浓硫酸与乙醇按3：1体积比混合，然后迅速升温至170℃来制取乙烯。

该实验存在较多不足：

（1）消耗的药品过多，产率低。经计算，要收集到500mL（常温下）左右的乙烯来满足简单的检验与收集，理论上都不需要超过2mL无水乙醇，而演示所用的烧瓶装的乙醇得用50mL以上。

（2）准备时间比较长，经常需要在课前就开始加热装置，而且还得用火力较大的酒精灯加热使其温度快速超过140℃。

（3）乙醇碳化明显，杂质较多，特别是碳化后再与浓硫酸反应，产物中含有二氧化硫，需要除杂后才能利用溴水检验乙烯。由于教师演示该实验时用NaOH溶液除去二氧化硫的步骤往往不够彻底，在实验完成后，可能造成学生对“乙烯使溴水褪色的速度”产生误解。

（4）事后处理较麻烦，作为催化剂的浓硫酸已无法再次利用，处理不当将对环境有不利影响。

（5）存在一定安全风险，如加热时间过长，瓶中有乙醚等危险物品产生。

若将浓硫酸改为体积比1：1的浓硫酸与浓磷酸，或用P2O5作催化剂，可以减少乙醇碳化现象，发生的副反应也比较少。不过，乙醇容易气化损失，产生的气体不均匀，还有可能造成倒吸，且药品用量仍比较多。而若使用氧化铝固体作催化剂，副反应较少，装置简单，成本较低，但需要温度较高，氧化铝容易失去活性，产生气体一旦不均匀，会导致较快的倒吸，引发试管炸裂。

可见，如何做到药品用量少、装置简单、操作便利、现象明显、安全可靠，是主要考虑的问题。

2 实验设计

为了解决上述问题，需要在以下几个方面进行改进：一是减少副反应；二是催化剂要能反复使用；三是反应温度不宜过高，要减少乙醇的碳化；四是试管不怕倒吸或能承受热冲击或加防倒吸装置。

乙醇脱水过程中，一般认为较高温度有利于乙烯生成，较低温度有利于乙醚生成，所以如果让乙烯在气相条件下与催化剂接触，可能有利于提高乙醇的转化率。

为此，充分借鉴了工业上制乙烯的方法[1～4]，设计了一套操作简单、非常适合演示的“乙醇消去反应制乙烯”实验，准备时间短，产率高。

2.1 实验原理

让乙醇蒸气通过高温下的ZSM-5分子筛，产生气体经过简单处理后进行检验与收集。

ZSM-5沸石（分子筛）是二十世纪六十年代末合成出来的一种含有机胺阳离子的新型沸石分子筛。由于它在化学组成、晶体结构及物化性质方面具有许多独特性，因此在很多有机催化反应中显示出了优异的催化效能，在工业上得到了越来越广泛的应用，成为石油化工的一种颇有前途的新型催化剂。ZSM-5分子筛很容易购买，且价格比较合理。

2.2 实验装置

实验装置如图1所示。试管采用耐热的石英试管，可以试管口朝上加热，液体冷却后及时回流，以减少乙醇损耗。

A处装有石棉绒，石棉绒中事先滴入2mL无水乙醇（因制乙烯的产率高，且乙醇冷却能及时回流，使用1～2mL即可）。

B處填充的是棒状ZSM-5分子筛。如果用粉末状的分子筛，可以将其铺在另一块石棉绒上。

C是安全瓶，主要起缓冲作用，用于冷却多余的乙醇蒸气。此外，安全瓶也可防止倒吸。如果缺少C装置，未反应的部分热的乙醇蒸气可能会通过D少量进入E中，对实验造成干扰。

将产生的气体先通过D，可检验乙烯并吸收挥发出的乙醇，这样E中的酸性高锰酸钾的褪色将更加有说服力，从E口出来的气体可以点燃，演示时要注意燃烧导管口的大小，管口太小，由于产生气流较强，可能火焰会被冲灭。

如果不进行检验，可以将D、E装置改成F，使用排水法收集乙烯气体。

酒精灯可以加防风罩，有利于温度快速升高，提高演示效率。

2.3 实验步骤

在左边的石英试管的A处装入石棉绒后，滴加2mL乙醇，再在B处加入ZSM-5分子筛。

先预热石英试管B的右侧，使部分空气排出。再用酒精灯集中加热B处1分钟左右，用于提高分子筛的催化效率，加热B本身对A也起到间接加热作用。

将酒精灯火焰移到A处下部几秒再重新回到B处，A中乙醇蒸气出来，遇到热的分子筛，发生了反应。过程中可以反复依次加热B中部与B略偏向A处的部位。几十秒内，可以看到C处有少量蒸气产生，D中开始有比较均匀的气泡。

将产生的气体依次通过安全瓶、溴水、酸性高锰酸钾溶液，可以看到安全瓶中有少量液体（取出闻气味，可感觉到有少量乙醚的气味），溴水缓慢褪色，酸性高锰酸钾溶液也逐渐褪色。最后排出的气体可以收集，当气流比较稳定后也可以直接点燃，可观察到明亮火焰和少量黑烟。

在实验时，将反应温度控制在170℃左右。温度过高会产生部分碳化现象，降低催化剂的活性。因此，使用酒精灯小火加热即可。

3 总结与反思

此实验设计与传统实验相比，具备以下几个优点：

（1）操作简单。准备时间短（3～5分钟），安全可靠（不用担心倒吸，石英试管容易定制，仅需10元钱）。做完一个班级的实验，冷却后用长滴管重新向装置中加入2mL左右的乙醇，就可以进行下一个班级的演示实验。

（2）产率高。利用乙醇蒸气直接在预热的ZSM-5分子筛表面催化反应的方式，不需要将乙醇与催化剂慢慢加热，减少了副反应的发生。理论上1mL乙醇可以收集到约400mL气体，实际上收集的气体也超过了50mL。

（3）较为环保。不使用浓硫酸，催化剂可多次使用，不存在废酸处理的问题。

（4）通过改进实验，本实验装置将工业生产的新方法应用至实验室中，体现了化学教学与工业实际紧密结合的与时俱进的理念。

当然，本实验仍存在一定问题，主要在于温度不好控制。在不同温度下，得到的乙烯和乙醚的比例有所不同，最好能用气相色谱等方法检验产生气体的成分以及乙烯的百分含量。

参考文献：

[1]柳彦从，李娜，陆江银. PHZSM-5分子筛催化剂催化乙醇制备低碳烯烃的研究[J].天然气化工，2011，36（2）：32～35.

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[4]周丽雯，王飞，罗漫，肖文德，程晓维，龙英才. ZSM-5催化剂在乙醇脱水反应中的失活与再生[J].石油化工，2008，37（4）：333～337.

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