乙烯制取与性质实验的思考与创新
武进区洛阳高级中学 王坚
【摘 要】：微型化学实验因绿色化学而诞生，随绿色化学而发展。学生通过简单的微型实验，充分发挥自主能力和创新能力，培养了逻辑思维、创新思维，又大大地激发了学生进行化学实验的兴趣。传统的乙烯制备与性质实验装置，存在操作时时间长，药品用量大，污染大，不易实现等缺点，使得教师和学生在操作时受到约束，影响学生的学习、智力、能力的发展，不利于中学有机化学的教学。本人针对上述缺点对乙烯制备与性质实验，进行改进。
【关键词】： 乙烯 制备性质 微型化 绿色化
一 选题背景
中学化学有机化学部分的乙烯实验,是中学化学教学大纲要求必做的演示实验和学生实验。现行高中课本第二册规定,通过演示实验和学生实验使学生掌握乙烯的制法和乙烯的性质。性质实验的具体要求是: 1.把乙烯通入盛溴水的试管里,观察溴水到红棕色很快消失,说明乙烯有加成反应。 2.把乙烯通入盛有酸性高锰酸钾溶液的试管里,观察到溶液紫色的很快褪去,说明乙烯能发生氧化反应。 3.点燃乙烯,有明亮的火焰,同时有烟,也说明乙烯能发生氧化反应。
二 问题提出
课本上讲的实验室制乙烯的方法是用浓硫酸与无水乙醇的混合物加热至170℃制得乙烯，首先，由于该反应温度不同，药品用量不同，产物也会不同，因此在实验时应严格控制药品的用量和反应混合液的温度，其次，该实验中使用了浓硫酸也具有一定的危险性，现具体分析如下：①浓硫酸的作用是催化剂和脱水剂，为了防止因酯的生成而不利于乙烯的生成，浓硫酸要过量，它的体积一般应是无水酒精的三倍。②温度计的水银球要插入混合溶液里，加热时迅速升温到170℃，以防止在140℃以下酒精的大量挥发和在140℃～160℃之间生成副产物乙醚，并要严格控制反应温度在170℃左右，不能超过180℃，否则会因温度过高，导致浓硫酸使酒精迅速脱水炭化，并且将生成的碳氧化，产生大量的二氧化碳、同时浓硫酸被还原成二氧化硫气体，不利于乙烯的生成。③液体混合时要将浓硫酸缓缓倒入酒精里，并不断的摇动烧瓶，切不可颠倒混合顺序，否则会因浓硫酸与酒精混合时放出大量的热使液体飞溅，产生危险。④反应是液体与液体共热制气体，加热时极有可能出现液体暴沸，为了避免这种现象往往向混合液体中加入碎瓷片。
以上可以看出这种制法存在以下缺点：①浓硫酸作催化剂，具有一定的危险性。②产生乙烯的温度范围较窄，只能在160℃-180℃之间，难以控制，若反应温度高于180℃即发生炭化；③副反应多，产生的乙烯的纯度较低(含乙醇、乙醚、SO2、CO2、H2O等气体)，产率较低(约48%)④实验过程中产生了大量的有污染的物质如二氧化硫、乙醚等，如果不处理，则会污染空气，要处理则使用的仪器较多，对装置气密性的检验增加了难度，不易操作。⑤实验效果不够理想，如果加热温度超过180℃，浓H2SO4氧化有机物而产生SO2干扰乙烯的性质，后期SO2、CO2致火焰小，不明亮，看不到明显的黑烟，并且气量不稳定，可能导致试管内液体倒流；⑥反应过程中产生的SO2等气体发出难闻气味，并污染空气，同时炭化的碳渣附着于瓶壁，难于清洗；⑦性质实验时，反应时间长，一般从加热混合物到性质实验做完，需要13min左右。⑧从课本内容的设置来看，并没有要渗透这个反应产物的多样性，对于乙醇分子间脱水生成乙醚已作为选学的内容，不做要求，而乙醇与浓硫酸的酯化反应也没做介绍，只讲述了乙醇在浓硫酸催化作用下分子内脱水生成乙烯，这就给学生对乙烯的制法的进一步理解、分析造成了知识上的障碍，那么在实验室里有没有更好的方法制取乙烯呢？
三 实验的改进
（一）实验微型化、绿色化的理论基础
总的指导思想：以微型化学实验、绿色化学的核心理念为指导，以尽可能少的化学药品(一般为常规用量的1/10及以下)来获得所需的实验信息，努力实现化学实验低成本、简约化、安全、可控、操作方便，使学生人人皆有动手实验的机会，达到常规实验教学的目标，进一步提高实验教学的效率与效益，圆满地完成教学任务。
(二) 探讨与研究
针对乙烯制取实验中存在的问题，我们作了一些有关反应机理的探究，从反应机理分 析可知：浓硫酸的催化作用主要表现在提供质子（H＋），而质子的提供物有很多，具有较强酸性的物质基本上都可担当此任，如五氧化二磷甚至比浓硫酸的脱水性还要强。因此我根据以上研究思路进行了替代物的寻找工作。通过许多次实验探索，发现用五氧化二磷比用浓硫酸更具有意想不到的效果。
（三）微型化的理论基础
实验的微型化最主要体现在减量上。现在，我们用乙醇与五氧化二磷来计算，对比实验如下表：
V(C2H5OH) | 1 mL | 2mL | 3mL |
m(五氧化二磷) | 2g | 2g | 2g |
V(C2H4) | 240 mL | 410mL | 600mL |
t（时间） | 1.2分钟 | 2分钟 | 3分钟 |
从实验可知，当我们取体积为2mL的乙醇时，足以能完成教科书上所有的性质实验。
（四）实验装置图说明
装置 | 教科书实验 | 绿色微型实验 |
实 验 装 置 图 | （如图1所示） |
（如图2所示） |
1.实验步骤
（1）按照图二所示安装好仪器，并检查气密性。
（2）将带支管的大试管放入80℃-90℃的水浴中加热。
（3）将粘贴KMnO4溶液和溴水润湿的滤纸环的玻璃棒，伸到导管口，可观查到滤纸环
褪色
（4）将导管伸到事先准备好的装有肥皂水的表面皿中，点燃肥皂泡，如气体不纯会有爆鸣声，如果纯净则可燃烧观察颜色或者直接点燃。
2.实验注意事项
为保证实验快速进行，可事先预热催化剂。水浴加热时要严格控制温度。
（五）改进的效果
（1）用水浴加热来代替直接加热，同时让学生清楚什么叫水浴加热、水浴加热有哪些优点、为什么可用水浴加热来制取酒精蒸汽等问题，以增强学生理论联系实际的能力和对基本的实验操作的感悟能力，加深对基本实验仪器使用方法的理解，促进实验能力的提高。
（2）水浴加热浸泡了酒精的脱脂棉，避免了酒精的暴沸。
(3) 此实验设计经反复检验具有稳定性和可靠性。由于该改进实验反应温度较低（80℃左右），所以不会出现炭化现象，副反应少，自始至终产生的乙烯很纯，且乙烯产量大。做乙烯的性质实验时现象明显，点火时，火焰长且明亮，且无熄灭现象。
（4）实验教学中可以采用对比实验的方法，将学生分组，一半学生采用课本实验方式一半同学采用改进方案，这样既训练了学生的实验操作能力，又从中向学生渗透了最佳实验方案设计的原则。有利于培养他们科学严谨的学习态度，勇于探索的实践精神。
总之，本实验的微型化、绿色化充分体现了“资源节约、节能减排、环境友好”的基本理念，在整个实验过程中既贯穿了绿色化学的核心思想，又有效实现了“尽可能小剂量实验、省资源、少污染、降成本”，让学生在有限的实验资源条件下人人动手、安全实验，有利于学生把握药品的实际用量，还增强了他们的环境保护意识。
【主要参考文献】
[1]朱清时.绿色化学[J].北京：化学进展.2001（11）
[2]朱文祥.绿色化学与绿色化学教育[J].北京：化学教育.2001（1）
[3]华东师范大学《化学教学》编辑部.化学活动课及微型化学实验设计与实践（中学微型化学实验分册）[M].北京：民主建设出版社.2000
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