周梦茜 景一丹 肖小明
摘要:石蜡油分解是化学必修二教材中非常重要的一个实验,但实验成功率不高。在进行原理分析与實验探索的基础上,使用三颈烧瓶替换试管,将催化剂碎瓷片改用二氧化锰粉末,用双向玻璃管代替传统玻璃导管防倒吸,再用针筒注射器逐滴加入石蜡油,有效提高了实验成功率,而且操作简便快捷,安全系数也更高。
关键词:石蜡油分解;实验改进;催化剂
文章编号:1008-0546(2019)01-0085-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.026
化学是一门以实验为基础的学科,在化学教材的设计中涉及了许多实验探究,但部分实验存在现象不明显、易操作难成功的问题,通过对石蜡油分解实验方案的改进探究,提高课堂实验成功率。石蜡油分解是将浸透了石蜡油的石棉放置在硬质试管的底部,试管中加入做催化剂的碎瓷片,给碎瓷片加强热,石蜡油蒸汽通过炽热的碎瓷片表面发生反应,产生一定量的气体,再将气体通入酸性高锰酸钾溶液及溴的四氯化碳溶液中,溶液褪色,从而证明生成物与烷烃具有不同的性质 [1]。
一、课本实验的不足
依据教材的实验方案进行实验,成功率较低,主要的原因有:加热的温度不足以使石蜡油分解;石蜡油蒸汽与碎瓷片接触缓慢且不充分;石蜡油量过少;催化剂效率不高;酸性高锰酸钾或溴的四氯化碳溶液浓度过高等,以上因素都有可能导致实验失败,且实验中实际操作过程中还存在一定的危险性,石蜡油加热过程中产生蒸汽的气压不稳定,极易发生倒吸,导致试管炸裂,同时实验时间过长,一般会超过十分钟,在课堂完整呈现难度较大。
针对以上问题,对石蜡油分解的实验易失败的根源进行分析,寻求最适合石蜡油分解的实验装置、温度及催化剂。
二、实验改进探索
石蜡油的沸点在300℃左右,一般情况下,在500℃左右发生裂化,将重油转化为轻质油;在600℃左右发生裂解,轻质油继续裂解生成小分子烯烃。所以石蜡油的沸腾温度低于分解温度,根据教材实验可知,当石蜡油沸腾产生蒸汽时,气体流动性较大,有一部分未在碎瓷片上发生反应就通过导管流出发生装置,且会带走碎瓷片所积蓄的热量,导致实验效果不佳。
基于以上因素,可采取三条改进思路提高实验成功率和安全系数:(1)升高实验时温度,确保达到石蜡油分解温度;(2)寻找合适的催化剂,能更大程度降低石蜡油的分解温度;(3)选用合适的实验装置,使石蜡油蒸汽能与催化剂更大面积的接触,且避免发生倒吸。根据以上思路进行了以下实验探索。
1.实验装置的改进
教材中将试管横置,石蜡油易流出,且温度易流失,本实验方案采用25mL的三颈烧瓶代替横置试管,圆形容器相比于直型试管聚热效果更佳,采用医用注射器加石蜡油,以控制添加速度,避免出现石蜡油量少的问题,同时增大石蜡油蒸汽与催化剂的接触面积。采用双向玻璃管代替普通导管,避免气压不稳定时发生倒吸现象 [2]。
2.升高实验温度
由于石蜡油的裂解温度在600℃左右,普通酒精灯的火焰温度较低,难以达到其裂解温度,不加以改进的酒精灯不适合充当石蜡油分解的热源;酒精喷灯的温度可达到800-1000℃,但噪音较大不适宜课堂实验。因此调整灯芯高度,加粗灯芯,在酒精灯上加上防风罩,让热源更集中。实验装置如图2所示。
3.催化剂的选择
(1)氧化铝
将表面未打磨的氧化铝剪成小片,放置在烧瓶底部,先预热烧瓶,直至烧瓶内部无水气产生,再滴入石蜡油,石蜡油接触氧化铝立即分解产生蒸汽,将产生的气体通入到酸性高锰酸钾溶液及溴的四氯化碳溶液中,约1分钟左右,溶液褪色。相比于教材实验,实验时间有所缩短,但氧化铝的氧化程度易受影响,影响实验效果。
(2)二氧化锰粉末
取3g二氧化锰粉末置于烧瓶底部,与氧化铝做催化剂采取相同的实验操作,当气体通入到酸性高锰酸钾溶液中,溶液迅速褪色,历时大约5秒。
(3)沸石
沸石有防暴沸的效果,其表面疏松多孔,也可收集蒸汽,积蓄热量,采取同样的实验装置与实验操作,使酸性高锰酸钾溶液褪色时间约为3分钟。
三、实验改进方案与效果
1.实验改进方案
通过上述实验对比,采用二氧化锰做催化剂效果最佳,实验时间最短。实验前,将3g二氧化锰粉末加到烧瓶中,按图2连好实验装置,使用防风酒精灯预热三分钟左右,用医用注射器滴入几滴石蜡油,实验过程中,石蜡油一次滴加的量不能过多,否则极易导致实验失败。产生的气体通入到0.003%酸性高锰酸钾溶液(将2滴0.01mol/L高锰酸钾、稀硫酸滴入2mL水中)中,5秒钟后溶液即褪色,可以证明石蜡油分解产生了不同于烷烃的物质。
2.新实验方案的优点
实验通过该装置进行改进后,实验现象非常明显,且耗时很短。采用针筒注射器可细微地控制所添加的量,在实验过程中可以采取逐滴加入的方法,可以有效保证实验成功率。相比于试管而言,使用三颈烧瓶聚热效果更佳,不容易炸裂。采用双向玻璃管代替普通导管,解决了倒吸问题,安全系数更高。
参考文献
[1] 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书:化学2(必修)[M].北京:人民教育出版社,2007:67
[2] 滕尚杰.双具支恒压烧瓶和防倒吸实验装置[J].中国科技教育,2007(1):36-37
[3] 李润.铜与浓、稀硝酸反应的改进实验[J].化学教育(中英文),2018,39(7):63-65