利用新制活性氧化铝促进石蜡油分解

赵佳越

（江苏省通州高级中学 江苏 南通 226300）

一、问题的提出

人教版高中化学必修2 教材设计了如下实验：利用石蜡油发生裂化反应制取乙烯并检验乙烯的化学性质。将矿渣棉中浸透石蜡油，利用碎瓷片作催化剂，加热碎瓷片的同时使石蜡油发生气化，石蜡油蒸汽通过碎瓷片发生裂化和裂解，产生烯烃，将烯烃通入酸性高锰酸钾溶液观察溶液褪色，得出产生的气体与烷烃性质不同。根据教材中的实验方法进行操作发现，实验时间很长，大约需15～20 分钟左右才能观察到现象，显然不太适合作为演示实验。笔者查阅了相关资料，采用新制活性Al2O3作为催化剂，在短时间内快速产生乙烯，现将新制活性氧化铝的制备和乙烯制取的改进过程阐述如下，与各位同仁分享。

二、背景资料查阅

1．乙烯的制取

实验室制取乙烯的方法较多，最常用的方法是乙醇在浓硫酸作用下发生消去反应，在选修五《有机化学》中作为实验室制法进行研究。另外还有丙烯酸制成钠盐脱羧制取乙烯［1］、无水乙醇为原料，以P2O5做脱水剂制取乙烯［2］、用乙烯利在碱性条件下制取乙烯［3］以及利用石蜡油制取乙烯［4］。其中对石蜡油制取乙烯论述较少。

2．石蜡油裂化与裂解

石蜡油又名液体石蜡，主要成分为C16～C20的直链烷烃［5］。工业上将石蜡油在催化剂和加热、加压条件下发生裂化和裂解，工业过程控制比较复杂。一般而言在500℃左右发生裂化，分子中的碳－碳键、碳－氢键发生断裂，将重质油转化为汽油和柴油；在600℃左右发生催化裂解，将轻质油继续分裂转化为小分子烯烃等。以C16H34为例，产生乙烯的过程可以粗略表示如下：

C16H34→C8H18＋C8H16

C8H18→C4H10＋C4H8

C4H10→CH4＋C3H6

C4H10→C2H4＋C2H6

3．催化剂的选择

工业上石油裂化和裂解的催化剂种类很多，以分子筛催化剂为主，在中学化学难以做到，此处不再赘述。实验室使用碎瓷片做载体，瓷器使用高岭土烧制而成，高岭土的主要成分为Al2O3·2SiO2·2H2O，不同地区的瓷器由于原料、配方和烧制工艺不同，其瓷片的化学组成各有不同，但主要成分是SiO2、Al2（SiO3）3和CaSiO3。碎瓷片中有很多细小空隙，表面积较大，可以吸附石蜡油蒸气。为了提高裂化和裂解的效果，可使用新制活性Al2O3作为裂化的催化剂。Al2O3晶体类型分为α、β、γ 型，其中γ 型Al2O3具有多孔结构，高分散度以及高比表面积，且处于不稳定的过渡态，因而具有较大的活性，常用作吸附剂、催化剂和催化剂的载体。

三、设计实验方案

1．实验药品与仪器

试剂：Al2（SO4）3溶液、浓氨水、酸性高锰酸钾溶液、石蜡油。

仪器：试管、铁架台、酒精灯、橡皮塞、导管若干、胶头滴管、碎瓷片、坩埚、坩埚钳、漏斗、三角架、玻璃棒、泥三角。

用品：火柴、滤纸、木块。

2．实验步骤与现象

（1）活性氧化铝的制备

用托盘天平称量20 g Al2（SO4）3固体溶解在200g水中，另将25%的浓氨水进行稀释，获得12%左右的较浓氨水40 mL。将两种溶液均分为两等份。第一份将Al2（SO4）3溶液逐滴滴入氨水中并不断搅拌，得到沉淀1；第二份将氨水逐滴滴入Al2（SO4）3溶液中并不断搅拌，得到沉淀2，如图1 所示。使用过滤器分别将沉淀进行过滤、洗涤，如图2 所示。将沉淀取出干燥，在坩埚中进行充分灼烧，获得三氧化二铝固体。为了增加氧化铝的表面积，提高催化效果，三氧化二铝固体冷却后在研钵中进行研磨， 获得Al2O3样品1 和样品2 备用。

（2）乙烯的制取

因为石蜡油呈液态，容易流动，且增加氧化铝与石蜡油的接触，所以将氧化铝粉末与石棉绒、石蜡油混合调成糊状备用。仍采用教材提供的实验装置进行实验（如图3 所示），在催化剂和温度控制等细节处做一些改动，比较氧化铝的催化效果以及温度对石蜡油裂解的影响，结果如下。

图1

图2

图3

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四、实验现象与结果讨论

通过实验2、3、4 可以发现，不论石棉绒中是否加入Al2O3作催化剂， 如果使用酒精灯直接加热石棉绒中的石蜡油，均不会出现褪色现象。主要原因是石蜡油的沸点在300℃左右， 酒精灯直接加热会使石蜡油快速气化还没有达到裂化和裂解的温度就脱离了与催化剂的接触，几乎没有乙烯产生，所以酸性高锰酸钾不会褪色。

Al2O3样品明显具有催化作用， 可以使反应时间大为缩短，尤其是Al2O3样品2 的催化效果更好。样品1 是将Al2（SO4）3逐滴滴加到氨水中，溶液的pH 由大到小转变，产生多种形态的水化物；样品2 是将氨水滴加到Al2（SO4）3中，实验结束时测定pH 为9～10，过滤、干燥最终得到的是γ 型Al2O3，催化效果较好，与文献记载相一致。

酒精灯火焰温度在500～600℃左右， 在加热碎瓷片时， 内侧石棉绒和氧化铝中的石蜡油温度升高至300～400℃左右，石蜡油一部分气化，另一部分在新制的γ 型Al2O3作为催化剂作用下发生裂化，产生的混合气体向外溢出，遇到温度更高的炙热的碎瓷片，进一步发生裂化和裂解， 产生乙烯等气体。从实验7、8、9 可以发现， 提高温度有利于裂化和裂解的进行，所以使用带风罩的酒精灯效果更好，只需2 分多钟就能使酸性高锰酸钾溶液褪色。若使用酒精喷灯，褪色更快，但试管容易发生变形和破裂，演示时不宜采用。

［1］张春艳．实验室制取乙烯新方法 ［J］．科技信息，2010，（29）：141

［2］冯桂荣， 张会茹．乙烯实验室制法改进 ［J］．化学教学，2011，（3）：37

［3］黄勇良．用乙烯利制备乙烯的方法［J］．化学教学，2012，（7）：46

［4］王金龙， 余兴庆．石蜡裂化反应实验的再实践与再认识［J］．化学教育，20l0，（10）：69－70

［5］化工词典．http：／ ／www．chemyq．com／xz／xzl／1666pdfku／htm．2009－09－15