负载型催化剂用于酯化反应——化工综合实验<br/>

负载型催化剂用于酯化反应——化工综合实验

2013-09-08贺新福杜荣军章结兵冯爱红

实验技术与管理 2013年8期

柳娜，贺新福，杜荣军，章结兵，冯爱红

（1.西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054）

1 实验方法

1.1 实验药品与仪器

药品：无水乙醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；冰醋酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；乙酸乙酯（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；甲酸乙酯（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；SiO2（国药集团化学试剂有限公司）；偏钨酸铵（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

仪器：磁力搅拌器（西安大幅实验仪器有限公司）；带磁力搅拌的油浴（西安大幅实验仪器有限公司）；GC112A型气相色谱（上海精密科学仪器有限公司）。

1.2 实验目的

（1）掌握负载型催化剂的制备、活性评价方法。

（2）理解乙酸乙酯合成原理。

（3）掌握气相色谱的原理及使用方法

1.3 实验方法

1.3.1 负载型催化剂WO3／Al2O3的制备

催化剂的制备采用湿法浸渍：分别称取1g载体γ－Al2O3放入4个100mL小烧杯中，然后在上述4个烧杯中按钨（W）含量（质量分数）为5%、10%、15%、20%加入一定量的偏钨酸铵；再加入15mL蒸馏水在室温下搅拌5h，然后将4个小烧杯放入120℃烘箱中干燥8h，将干燥的后的样品取出，放入马弗炉中在500℃下焙烧6h。

1.3.2 乙酸乙酯合成

其诗题有《乡人或病予诗多道蜀中遨乐之盛，适春日游镜湖，共请赋山阴风物，遂即杯酒间作四绝句，却当持以夸西州故人也》。

将30mL无水乙醇和30mL冰醋酸以及制备好的不同负载量的 WO3／Al2O3催化剂0.5g放入250 mL的三口烧瓶中，装上回流冷凝管以及温度计，剩下的口用橡胶塞塞住，反应温度控制在100℃，100℃反应1h停止，冷却后取上层液体10mL于试管中保存。

1.3.3 产物检测

反应体系中产物含量采用气相色谱检测，检测器TCD，填充柱GDX－101，进样器温度200℃，柱箱温度150℃，载气（N2气）流量25mL／min，采用内标法进行标定［9］。取反应完成的样品1mL以及内标物甲酸乙酯0.5mL，用乙醇为溶剂溶解在10mL的容量瓶中，用微量注射器吸取容量瓶中溶液并注射进色谱进样口中，每次进样量为2μL，记录下乙酸乙酯及甲酸乙酯的峰面积。各物质在本气相色谱检测器TCD上的相对质量响应因子［10］：f（乙酸）＝0.86，f（乙酸乙酯）＝1.01，f（甲酸乙酯）＝0.94。

1.3.4 乙酸乙酯产率η计算

式中：V为总体积，V＝60mL；A（乙酸乙酯）为乙酸乙酯相对峰面积；ρ（甲酸乙酯）为甲酸乙酯的密度（g／mL）；M （乙酸乙酯）为乙酸乙酯的摩尔质量（g／mol）；A（甲酸乙酯）为甲酸乙酯相对峰面积；ρ（乙酸）为乙酸的密度（g／mL）；V（乙酸）为乙酸体积，V（乙酸）＝30mL；M（乙酸）为乙酸的摩尔质量（g／mol）。

2 实验结果及分析

图1和表1为典型的反应物产物气相色谱分析图和分析结果，按出峰顺序，除了第1个峰是杂质峰外，从第2个峰开始分别是乙醇、甲酸乙酯、乙酸、乙酸乙酯。将色谱图上相对峰面积代入上述计算公式可以求得乙酸乙酯产率，其数据处理结果见表2。从表2中可以发现，随着W含量w（W）从5%增加到15%。乙酸乙酯的产率逐渐增加，但是当 W的含量达到20%时，乙酸乙酯的产率反而减少。

图1 产物气相色谱谱图

表1 分析结果表

表2 不同WO3／Al2O3催化剂上乙酸乙酯合成反应性能

3 需要思考或讨论的问题

在该综合实验中，需要学生思考及讨论的问题有：

（1）在常压100℃下，乙酸乙酯的平衡产率为多少？自己的实验结果距离平衡有多远？

（2）乙酸乙酯合成反应一般使用哪些催化剂，优缺点是什么？

（3）气相色谱检测的基本原理及何为内标法？

（4）乙酸转化率的推导公式？

（5）影响乙酸乙酯产率的因素，为何钨的含量并不完全是和乙酸乙酯产率成正比？

4 教学实践讨论

本实验是将经典的有机合成实验和催化剂制备评价相结合的综合性实验，在该实验中涉及乙酸乙酯合成原理、催化剂的制备、性能评价方法、气相色谱的基本原理及操作方法多重知识和技能的综合应用。学生通过实验，可以把学到的有机化学（乙酸乙酯合成）、工业催化［11］、仪器分析［12］及实验技能有机地结合在一起，对提高学生的综合素质有很大的帮助。

本实验以小组（每组4人）方式，并对过去的实验教学模式（教师或实验技术人员将实验装置仪器事先准备好并详细讲解实验目的、原理、操作步骤等）进行了改革。在实验前就先将题目下发给学生，要求学生通过对书籍、中国期刊网上的资料收集与实验有关的文献信息，设计实验方案，每个小组对自己的实验方案进行讲解、讨论，通过对比确定最终的实验方案和计划。这种实验方式可以大大提高学生的积极性和主动性，并且可以让学生了解一些科研方面的基本过程，为将来做毕业设计打基础。

在该实验中并没有用有机化学实验中蒸馏的方法来确定乙酸乙酯的产率，而是采用气相色谱来检测。气相色谱已经广泛应用于产品质量、环境、工农业生产及科学研究等领域，但在实验教学中，该仪器的应用还未普及，通过综合实验可以使学生提早接触熟悉该仪器的功能和操作，为后续的学习及工作打下基础。

（References）

［1］曾昭琼，曾和平.有机化学实验［M］.3版.北京：高等教育出版社，2005.

［2］邓谦，彭振山，蔡铁军，等.杂多化合物膜在乙酸乙酯合成中的催化性能［J］.化学研究与应用，2003，15（2）：241－243.

［3］王延吉，赵新强，苑保国，等.沸石型超强酸催化剂上乙酸乙酯合成反应研究［J］.河北工业大学学报，1997，26（1）：99－104.

［4］马培华，周开志，姚祖铭，等.活性炭固载硫酸催化合成乙酸乙酯和环己稀［J］.实验技术与管理，2007，24（2）：44－46.

［5］张新位，郑维能，王陆瑶，等.微波辐射法合成乙酸乙酯实验研究［J］.实验技术与管理，2009，26（2）：40－42.

［6］马培华，周开志，施辉毅，等.瓜环硫酸盐催化合成乙酸乙酯［J］实验室研究与探索，2007，26（5），24－26.

［7］董彩霞，孟志芬，祝勇，等.对乙酸乙酯的合成进行探究式教学的尝试［J］.实验技术与管理，2005，22（9）：92－93.

［8］刁开盛，邓之舜，韦启锋.实验室制备乙酸乙酯的改进［J］.广西民族学院学报：自然科学版，2006，12（1）：55－58.

［9］顾惠祥，阎宝石.气相色谱实用手册［M］.北京：化学工业出版社，1990.

［10］王宇成，最新色谱分析检测方法及应用技术实用手册［M］.长春：吉林省出版社发行集团，2008.