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摘要：为解决人教版高中化学《必修2》石蜡油分解实验，产生稳定气流的时间过长的问题，作者在参考文献资料相关方法的基础上，探索石蜡油分解快速制备乙烯等气体的方案。新的实验方案将产生稳定气流的时间，由20分钟以上缩短至10秒左右，且具有操作快捷、安全、现象明显等优点。
关键词：石蜡油分解；实验改进；催化剂
文章编号：1008-0546（2016）06-0094-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.034
一、 问题的提出
石蜡油分解实验是高中化学《必修2》中一个重要的实验。其目的是使学生了解乙烯来源于石油，烯烃与烷烃性质的不同。课本实验如图1所示：将浸透了石蜡油的矿渣棉放置于试管的底部，试管中加入碎瓷片，采用酒精灯加热碎瓷片，利用碎瓷片作为催化剂，使石蜡油蒸汽通过炽热的碎瓷片发生裂解，生成一定的气体。
按照教材的实验方法，在实际操作中发现：碎瓷片升温很慢，产生气体的时间非常长，难以在教学中演示；产生的气体不连续不稳定，实验现象不够明显；体系内受热不均，易发生倒吸。
针对以上存在的种种弊端，人们对该实验进行了各种改进。例如林宏[1]采用将石蜡油打入盛有无水硫酸铝催化剂和碎瓷片的试管中的方法进行实验。此法由于体系忽冷忽热，试管易炸裂，且易发生倒吸，存在一定的危险性。再如赵佳越[2]利用新制活性氧化铝催化石蜡油分解，仍使用碎瓷片，但加热时间仍较长。
二、现阶段主要实验方案的验证
笔者查阅相关文献资料，对现阶段改进后的主要实验方案，进行了实验验证，实验情况见表1。
从上述实验可以看得出，现阶段的主要实验方案，普遍存在实验耗时太长，难以在教学中演示等致命缺点，但用Al2O3和无水Al2（SO4）3作为催化剂相对较好。
三、快速制备气体方案的探索
1. 背景资料查询
（1）石蜡油催化与裂解
石蜡油主要成分为C16～ C20的直链烷烃[3]。工业上将石蜡油混以水蒸气在管中通过800℃左右的加热装置，然后冷却到300～400℃，这些都是在不到1s的时间内完成的，然后将热裂的产物用冷冻法加以一一分离[4]。
以C16H34为例，产生乙烯等气体的过程可粗略地表示如下：
C16H34→C8H18 C8H16 C8H18→C4H10 C4H8
C4H10→CH4 C3H6 C4H10→C2H4 C2H6
此法条件苛刻，普通教学实验室无法做到。
（2）催化剂的选择
相关资料显示[5]，X型和Y型分子筛（合成铝硅酸盐）常用于石油的催化裂化，也常用于其他有机反应的催化。但由于分子筛是球形固体，质地较硬，不易研成粉末。若仅仅使用分子筛作为催化剂，由于分子筛之间有空隙，短时间内不能使分子筛的温度达到石蜡油蒸汽分解的温度。
于是，笔者采用将分子筛、无水Al2（SO4）3和活性Al2O3一同混合，让这三种催化剂齐头并进，有利于在很短的时间内使分子筛快速升温，从而使石蜡油蒸汽快速分解。
2. 实验药品和仪器
试剂：A. 0.01mol/L KMnO4溶液，Br2的CCl4溶液，饱和溴水（含液溴）；
B. 无水Al2（SO4）3 ，活性Al2O3（γ型）分子筛（X型和Y型）；
C. 酒精，石蜡油（液体石蜡）；
D. 1∶4 H2SO4（用于配制酸性KMnO4溶液），水， NaOH溶液。
器材：带铁夹的铁架台，酒精灯，酒精灯防风罩；用品：火柴，木块，石棉绒（或脱脂棉）。
3. 实验装置及步骤
笔者新设计的实验装置见图2。
实验步骤：
①如图2所示，搭建装置并检验装置的气密性；
②先将试管竖直放置，在试管底部先加入少量分子筛，以盖满试管底部为宜；
③仍保持试管竖直放置，塞入石棉绒，并用滴管在石棉绒上滴加适量石蜡油（以浸透石棉绒为宜，不能过量，否则会使大量石蜡油冷凝在管口，堵塞导管。）；
④取一个研钵，快速加入少量无水Al2（SO4）3和活性Al2O3，再加入少量分子筛，混合均匀。然后将固体混合物（记为B）加入试管中（由于活性Al2O3较易吸水变质，整个过程应快速进行）；
⑤然后再塞上一团石棉绒，防止平放试管时固体混合物B流动；
⑥点燃酒精灯，并罩上防风罩，对固体混合物B加强热，观察现象；
⑦将产生的气体经导管通入溶液A中，观察现象；
⑧将直角导管撤出溶液A，转动单孔橡胶塞180°，使导管口向上，用火柴尝试点燃产生的气体；
⑨熄灭酒精灯，拆卸装置，实验结束。
4. 实验的创新点
①催化剂变单一为多样。不是单单选用分子筛、活性Al2O3或是无水Al2（SO4）3，而是将三者混合起来使用。这样催化效果不但好，而且将主要的催化剂分子筛与活性Al2O3及无水Al2（SO4）3调和，有利于在很短的时间内使分子筛快速升温，从而使石蜡油蒸汽快速分解。
②采取在试管A中Br2的CCl4溶液上方用一层水封，以防Br2蒸汽及CCl4蒸汽挥发，对人体造成影响；
③做气体可燃性的实验时，只需转动单孔橡胶塞180°，使导管口向上，直接点燃导管口排出的气体。而无需再接上一段带有乳胶管的导管，节约时间。
5. 实验现象与结果讨论
（1）实验结果
整个实验非常成功。用带防风罩的酒精灯对试管加强热近10s，导管口便产生了大量稳定气体。 ①将气体通入稀酸性KMnO4溶液中，经过约20s，溶液的紫色便很快褪去；
②将气体通入水封的Br2的CCl4溶液中，经过35s，溶液的橙红色逐渐褪去；
③将气体通入饱和溴水中，经过约60s，溶液的红棕色逐渐褪去；
④将气体通入到水封的液溴（Br2）中，经过约120s，试管底部液溴的深棕红色逐渐褪去，且试管底部有少量无色的油状液体（此过程应在试管口塞上一团浸有NaOH溶液的脱脂棉，以防溴蒸汽随气流外溢，污染环境）；
⑤将导管撤出溶液，转动单孔橡胶塞180°，使导管口向上，用火柴点燃导管口放出的气体，发现气体能够安静地燃烧。导管口周围的火焰为淡蓝色，导管口上方的火焰为明亮的黄色试管口有少量冷凝的黄色油状液体。
（2）实验成功的关键因素
①石蜡油稍过量，保证有足够多的石蜡油蒸汽供后续实验使用；
②催化剂选择恰当并且足量，将分子筛、活性Al2O3和无水Al2（SO4）3以一定比例均匀混合（比例以混合后分子筛颗粒间填满活性Al2O3和无水Al2 （SO4）3的混合物为宜），便可在短时间内迅速催化石蜡油分解；
③酒精灯上加防风罩，使得整个体系可以迅速升温，在短时间内便可达到催化石蜡油分解的温度。且可防止石蜡油的大量挥发，提高原料的利用率；
④用于气体性质的检验的溶液A浓度不宜过高，这样可在短时间内观察到明显的现象。
（3）理论初探
现从热力学角度探讨石蜡油热裂的反应能否进行。整个反应可表示A→B C，生成物分子数增加，因此熵变是重要的。
K=e-ΔG /RT，是一个非常小的数值。当ΔGθ>0时，ΔGθ=-RTlnK，平衡常数K<1，平衡有利于反应物，因此反应很难进行。如果升高温度，在700°C左右进行，使ΔGθ<0， K>1，反应平衡有利于生成物。所以在石蜡油够用的前提下，温度越高，反应越快，石蜡油就越容易分解，使用酒精灯防风罩就是这个原因。若使用酒精喷灯，反应速率还会更快，但试管易软化，所以演示实验时不宜选用喷灯。
（4）结果讨论
综上所述，使用由分子筛、活性Al2O3及无水Al2（SO4）3组成的混合催化剂，并在适当的温度下，可使石蜡油快速地分解，从而获得良好的实验效果。
参考文献
[1] 林宏.全国第十届化学实验仪器创新大赛，2010
[2] 赵佳越.利用新制活性氧化铝促使石蜡油分解[J].化学教与学，2015，（1）：93-94
[3] 化工词典（ http：//www.anychem.com/dict/detail/QRRzqa.html）
[4] 刑其毅，裴伟伟，徐瑞秋，裴坚.基础有机化学（第三版）（上）[M]. 北京：高等教育出版社，2015：146-147
[5] 曹锡章，宋天佑，王杏乔等.无机化学第三版（下）[M]. 北京：高等教育出版社，1994：750-752
关键词：石蜡油分解；实验改进；催化剂
文章编号：1008-0546（2016）06-0094-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.034
一、 问题的提出
石蜡油分解实验是高中化学《必修2》中一个重要的实验。其目的是使学生了解乙烯来源于石油，烯烃与烷烃性质的不同。课本实验如图1所示：将浸透了石蜡油的矿渣棉放置于试管的底部，试管中加入碎瓷片，采用酒精灯加热碎瓷片，利用碎瓷片作为催化剂，使石蜡油蒸汽通过炽热的碎瓷片发生裂解，生成一定的气体。
按照教材的实验方法，在实际操作中发现：碎瓷片升温很慢，产生气体的时间非常长，难以在教学中演示；产生的气体不连续不稳定，实验现象不够明显；体系内受热不均，易发生倒吸。
针对以上存在的种种弊端，人们对该实验进行了各种改进。例如林宏[1]采用将石蜡油打入盛有无水硫酸铝催化剂和碎瓷片的试管中的方法进行实验。此法由于体系忽冷忽热，试管易炸裂，且易发生倒吸，存在一定的危险性。再如赵佳越[2]利用新制活性氧化铝催化石蜡油分解，仍使用碎瓷片，但加热时间仍较长。
二、现阶段主要实验方案的验证
笔者查阅相关文献资料，对现阶段改进后的主要实验方案，进行了实验验证，实验情况见表1。
从上述实验可以看得出，现阶段的主要实验方案，普遍存在实验耗时太长，难以在教学中演示等致命缺点，但用Al2O3和无水Al2（SO4）3作为催化剂相对较好。
三、快速制备气体方案的探索
1. 背景资料查询
（1）石蜡油催化与裂解
石蜡油主要成分为C16～ C20的直链烷烃[3]。工业上将石蜡油混以水蒸气在管中通过800℃左右的加热装置，然后冷却到300～400℃，这些都是在不到1s的时间内完成的，然后将热裂的产物用冷冻法加以一一分离[4]。
以C16H34为例，产生乙烯等气体的过程可粗略地表示如下：
C16H34→C8H18 C8H16 C8H18→C4H10 C4H8
C4H10→CH4 C3H6 C4H10→C2H4 C2H6
此法条件苛刻，普通教学实验室无法做到。
（2）催化剂的选择
相关资料显示[5]，X型和Y型分子筛（合成铝硅酸盐）常用于石油的催化裂化，也常用于其他有机反应的催化。但由于分子筛是球形固体，质地较硬，不易研成粉末。若仅仅使用分子筛作为催化剂，由于分子筛之间有空隙，短时间内不能使分子筛的温度达到石蜡油蒸汽分解的温度。
于是，笔者采用将分子筛、无水Al2（SO4）3和活性Al2O3一同混合，让这三种催化剂齐头并进，有利于在很短的时间内使分子筛快速升温，从而使石蜡油蒸汽快速分解。
2. 实验药品和仪器
试剂：A. 0.01mol/L KMnO4溶液，Br2的CCl4溶液，饱和溴水（含液溴）；
B. 无水Al2（SO4）3 ，活性Al2O3（γ型）分子筛（X型和Y型）；
C. 酒精，石蜡油（液体石蜡）；
D. 1∶4 H2SO4（用于配制酸性KMnO4溶液），水， NaOH溶液。
器材：带铁夹的铁架台，酒精灯，酒精灯防风罩；用品：火柴，木块，石棉绒（或脱脂棉）。
3. 实验装置及步骤
笔者新设计的实验装置见图2。
实验步骤：
①如图2所示，搭建装置并检验装置的气密性；
②先将试管竖直放置，在试管底部先加入少量分子筛，以盖满试管底部为宜；
③仍保持试管竖直放置，塞入石棉绒，并用滴管在石棉绒上滴加适量石蜡油（以浸透石棉绒为宜，不能过量，否则会使大量石蜡油冷凝在管口，堵塞导管。）；
④取一个研钵，快速加入少量无水Al2（SO4）3和活性Al2O3，再加入少量分子筛，混合均匀。然后将固体混合物（记为B）加入试管中（由于活性Al2O3较易吸水变质，整个过程应快速进行）；
⑤然后再塞上一团石棉绒，防止平放试管时固体混合物B流动；
⑥点燃酒精灯，并罩上防风罩，对固体混合物B加强热，观察现象；
⑦将产生的气体经导管通入溶液A中，观察现象；
⑧将直角导管撤出溶液A，转动单孔橡胶塞180°，使导管口向上，用火柴尝试点燃产生的气体；
⑨熄灭酒精灯，拆卸装置，实验结束。
4. 实验的创新点
①催化剂变单一为多样。不是单单选用分子筛、活性Al2O3或是无水Al2（SO4）3，而是将三者混合起来使用。这样催化效果不但好，而且将主要的催化剂分子筛与活性Al2O3及无水Al2（SO4）3调和，有利于在很短的时间内使分子筛快速升温，从而使石蜡油蒸汽快速分解。
②采取在试管A中Br2的CCl4溶液上方用一层水封，以防Br2蒸汽及CCl4蒸汽挥发，对人体造成影响；
③做气体可燃性的实验时，只需转动单孔橡胶塞180°，使导管口向上，直接点燃导管口排出的气体。而无需再接上一段带有乳胶管的导管，节约时间。
5. 实验现象与结果讨论
（1）实验结果
整个实验非常成功。用带防风罩的酒精灯对试管加强热近10s，导管口便产生了大量稳定气体。 ①将气体通入稀酸性KMnO4溶液中，经过约20s，溶液的紫色便很快褪去；
②将气体通入水封的Br2的CCl4溶液中，经过35s，溶液的橙红色逐渐褪去；
③将气体通入饱和溴水中，经过约60s，溶液的红棕色逐渐褪去；
④将气体通入到水封的液溴（Br2）中，经过约120s，试管底部液溴的深棕红色逐渐褪去，且试管底部有少量无色的油状液体（此过程应在试管口塞上一团浸有NaOH溶液的脱脂棉，以防溴蒸汽随气流外溢，污染环境）；
⑤将导管撤出溶液，转动单孔橡胶塞180°，使导管口向上，用火柴点燃导管口放出的气体，发现气体能够安静地燃烧。导管口周围的火焰为淡蓝色，导管口上方的火焰为明亮的黄色试管口有少量冷凝的黄色油状液体。
（2）实验成功的关键因素
①石蜡油稍过量，保证有足够多的石蜡油蒸汽供后续实验使用；
②催化剂选择恰当并且足量，将分子筛、活性Al2O3和无水Al2（SO4）3以一定比例均匀混合（比例以混合后分子筛颗粒间填满活性Al2O3和无水Al2 （SO4）3的混合物为宜），便可在短时间内迅速催化石蜡油分解；
③酒精灯上加防风罩，使得整个体系可以迅速升温，在短时间内便可达到催化石蜡油分解的温度。且可防止石蜡油的大量挥发，提高原料的利用率；
④用于气体性质的检验的溶液A浓度不宜过高，这样可在短时间内观察到明显的现象。
（3）理论初探
现从热力学角度探讨石蜡油热裂的反应能否进行。整个反应可表示A→B C，生成物分子数增加，因此熵变是重要的。
K=e-ΔG /RT，是一个非常小的数值。当ΔGθ>0时，ΔGθ=-RTlnK，平衡常数K<1，平衡有利于反应物，因此反应很难进行。如果升高温度，在700°C左右进行，使ΔGθ<0， K>1，反应平衡有利于生成物。所以在石蜡油够用的前提下，温度越高，反应越快，石蜡油就越容易分解，使用酒精灯防风罩就是这个原因。若使用酒精喷灯，反应速率还会更快，但试管易软化，所以演示实验时不宜选用喷灯。
（4）结果讨论
综上所述，使用由分子筛、活性Al2O3及无水Al2（SO4）3组成的混合催化剂，并在适当的温度下，可使石蜡油快速地分解，从而获得良好的实验效果。
参考文献
[1] 林宏.全国第十届化学实验仪器创新大赛，2010
[2] 赵佳越.利用新制活性氧化铝促使石蜡油分解[J].化学教与学，2015，（1）：93-94
[3] 化工词典（ http：//www.anychem.com/dict/detail/QRRzqa.html）
[4] 刑其毅，裴伟伟，徐瑞秋，裴坚.基础有机化学（第三版）（上）[M]. 北京：高等教育出版社，2015：146-147
[5] 曹锡章，宋天佑，王杏乔等.无机化学第三版（下）[M]. 北京：高等教育出版社，1994：750-752