乙烯的制备【优选法探讨硫磷混合酸制备乙烯】
时间：2019-02-07 03:23:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要:应用优选法之一的黄金分割法探讨了硫磷混酸制备乙烯的最佳实验条件,以提高产率,减小炭化,提高实验教学的效果。 关键词:优选法;黄金分割法;乙烯制备 文章编号:1005-6629(2009)07-0016-02中图分类号:G633.8文献标识码:C
所谓优选法,最初是华罗庚运用黄金分割法发明的一种可以尽可能减少做试验的次数、尽快地找到最优方案的方法。近年来,人们把这一数学方法运用到化学领域,以指导化学实验中最佳实验条件的选择。它是指在单因素实验中,如果不需要考查因素对实验结果影响的全貌,而只需找出最佳实验条件的方法。
中学化学实验有以下特点[1]:实验的手段和仪器设备一般都比较简单,条件控制不太严格,变化范围大,其实验方案常用模糊语言来描述(例如“一些”、“少量”、“加热”、“冷却”等),但要求现象明显。而优选法属于单因素控制实验研究方法,既可满足中学化学实验对条件控制不太严格的要求,又可使实验操作简单,现象明显。
黄金分割法是优选法的代表,又称“0.618”法。这是在实验范围内取的第一个试验点,第二个试验点取其对称点,即0.382。在上述二点上进行实验并作实验结果比较,删除较差一点及外侧的实验范围。在保留的范围内再用上述方法取点,直到找到最佳值。
人教版高中化学教材中安排了乙烯的制备实验,用体积比为1∶3 的无水乙醇和浓硫酸为原料,加热到170 ℃ 以上产生乙烯。但该实验存在很多问题,在反应过程中,瓶内反应物会逐渐变黑,最终形成大量碳渣,由于形成大量碳渣,耗费了不少乙醇,使乙烯的产率较低;反应结束清洗反应瓶时,瓶内会散发出很浓的二氧化硫气味及其它难闻的气味,污染空气,有碍健康;有些碳渣附着于瓶壁,很难清除。为了解决这些问题,可以采用硫磷混酸代替浓硫酸,加入磷酸后,使硫酸浓度适当降低,从而大大降低了其氧化性,而磷酸是中强酸,也可作为醇类脱水成烯烃的催化剂。因此,硫磷混酸也具有较强的脱水性,在适当温度下,可使乙醇的分子内脱水反应顺利进行。
根据查阅文献资料,醇酸配比确定为1∶3;温度控制在174 ℃~178 ℃范围内[2]。这里仅用黄金分割法来试验硫磷混酸的最佳配比。首先确定乙醇为10 mL,则硫磷混酸总体积为30 mL,从而可确定实验范围为[0 mL,30 mL]。
1 实验步骤
(1)根据黄金分割法确定第一组试验点如下(所有体积单位为mL):
①浓硫酸:30×0.618=18.54浓磷酸:30×0.382=11.46
②浓硫酸:30×0.382=11.46浓磷酸:30×0.618=18.54
(2)分别对上述两组数据条件进行实验,得出①组效果明显优于②组,②组虽然几乎不炭化,但产率极低,因而确定新的实验范围为[11.46 mL,30 mL]。
(3)由于黄金分割点0.618的平方值等于另一个黄金分割点的值(0.382),所以第二次及以后各次再作黄金分割的两点中,必然有一点是前一次的点,即第二次实验范围内的新试验点只需一次。故确定第二组的点为:
③浓硫酸: 11.46+(30-11.46)×0.618=22.9浓磷酸: 30-22.9=7.1
进行实验后的结果是③比①的产率要高,炭化程度相当。则确定新的实验范围为[18.54 mL,30 mL](18.54来自:11.46+(30-11.46)×0.382)。
(4)据新的实验范围 [18.54 mL,30 mL]可确定第三组试验点如下:
④浓硫酸: 18.54+(30-18.54)×0.618=25.6浓磷酸: 30-25.6=4.4
(5)对上组数据进行实验的结果是③比④的产率高,炭化程度相当,至此得出结论: 第③组的硫磷混酸配比为最佳值。
(6)做对照实验⑤,即采用中学课本中传统制乙烯的方法,催化剂仅用浓硫酸(30 mL)实验结果为严重炭化,产率一般。
2 实验现象、数据记录及处理
由所用乙醇为10 mL,假定其完全反应,根据理想气体状态方程pV=nRT (室温:9 ℃大气压:
100.15 kPa),由n=ρV/M=0.790 g・mL-1×10 mL /46 g・mol-1=0.172 mol, T=282 K, 则可计算得乙烯气体的理论产值为4028 mL,计算乙烯产率可用式:w %=(实际产量/理论值)×100%
3实验结果分析
通过本次实验,可见乙烯的产率均偏低,这主要是由于浓硫酸具有极强的氧化性,致使炭化程度很大,从而降低了乙烯的产率;在实验②中虽然炭化程度小,但由于加入的浓磷酸量大,稀释了浓硫酸,使其氧化性降低的同时也减弱了其脱水性,致使生成乙烯的产率下降。
在实验③中得到的结果还是比较理想的,它的炭化程度相对实验⑤要小,所得乙烯产率也稍高。对中学化学实验教学来说,制备乙烯主要是用于检验性质,对产率的要求不是很高,只要保证炭化程度较低、所得气体纯净、产气速率较快即可。所以实验③的方案很适合中学化学的演示实验,即乙醇、浓硫酸、浓磷酸的体积比取1∶2.3∶0.7为宜,可以得到较好的教学效果。
参考文献:
[1]吴俊明编.中学化学实验研究导论[M].江苏教育出版社.1997. 12.
[2]杜宗辉.巧用混合酸改进乙烯制备实验[J]. 考试周刊,2007,(25).
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