五氧化二磷催化乙醇脱水反应制乙烯实验的改进

程素芳 王慧

摘要： 分析现行高中化学教材中已有的乙烯制备实验，从试剂选择、反应条件确定、装置选用三个层面对实验进行优化改进。改进后的实验减小了反应物用量，加快了化学反应速率，提高了乙烯产率，简化了实验操作过程。实验改进通过学生实验予以实施，学生的参与度高，有利于培养学生的综合素质。

关键词： 五氧化二磷; 乙醇; 乙烯; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2021）10-0068-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

“乙烯的制备及其相应性质实验的现象”是高中化学必修课程核心内容之一，是高中学生学习的重点知识，而这离不开乙烯的实验室制备。

高中化学教材《有机化学基础（选择性必修3）》人教版、鲁科版均为： 在圆底烧瓶中加入乙醇和浓硫酸（体积比约为1∶3）混合液20mL，温度维持在170℃左右制备乙烯并进行相应的性质实验，实验装置如图1所示[1]。该方案用浓硫酸作催化剂，用酒精灯直接加热，温度达到140℃时会伴有副反应发生;温度高于180℃时乙醇碳化现象严重，会有SO2、 CO2等杂质气体生成，需用10%氢氧化钠溶液处理生成的气体。因此加热过程温度难以控制，实验完成耗时较长，试剂用量较大。

《有机化学基础（选修5）》苏教版则为： 在试管中加入2g P2O5并注入4mL 95%的乙醇，用酒精灯直接加热制备乙烯，实验装置如图2所示[2]。该方案用P2O5作催化剂，在装有P2O5的试管中加入95%的乙醇。实验过程会有“吱吱”的响声，大量白雾产生，伴有放热现象，测得溶液温度可达94℃。不足之处是： 乙醇脱水反应速率太快，通常很难将生成的乙烯捕捉，产生的乙烯气体在橡胶塞塞上之前已经逸出，导致乙烯性质实验难以进行。用酒精灯直接加热，气泡快速生成并剧烈沸腾，还存在一定的安全隐患。

查阅相关文献，邵国强等[3]指出，用现制焦磷酸12mL和无水乙醇10mL在185～260℃温度范围内持续加热可以制得乙烯气体;刘波等[4]指出，采用P2O5作催化剂制乙烯实验的方案，无碳化现象，反应时间短，所需温度不是很高，高锰酸钾褪色情况良好;李先拴[5]指出，P2O5先与水形成磷酸，磷酸与乙醇在P2O5脱水作用下形成磷酸氢乙酯等副产物，由于磷酸氢乙酯比硫酸氢乙酯稳定，故90℃附近很难生成乙烯气体，产生的气体主要为乙醇蒸气。

为此，本研究对P2O5催化乙醇脱水制乙烯实验展开探索，以期找到实验室制备乙烯的最佳条件。表1从反应物用量、反应时间、反应温度以及乙烯产率等多角度比较选用浓硫酸和P2O5两种不同催化剂制乙烯的差别。对比相关数据可以得出： 选用P2O5催化乙醇脱水反应制备乙烯有明显的优势，但按图2所提供的实验方法，在实际操作中仍存在一些问题，值得我们进一步探索改进。

2  P2O5催化乙醇脱水反应实验探究

2.1  试剂选择

2.1.1  P2O5与乙醇用量

P2O5具有很强的吸水性和脱水性，这一性质与浓硫酸类似。乙醇制乙烯选用P2O5作催化剂，符合高中学生已有认知，学生容易理解。根据

C2H5OHP2O5CH2CH2

不难得出，C2H5OH与P2O5的计量数之比为3∶1。实际反应时体系中的水和生成的水都会消耗部分P2O5，为提高乙烯产率，理论上P2O5的用量略过量一些比较好。吕亚娟等[6]指出，C2H5OH与P2O5物质的量之比约在1.5∶1时，乙烯产率最高，为73.6%。此时P2O5用量约为理论用量的2倍。4mL 95%的乙醇，根据其密度及摩尔质量，可计算出乙醇的物质的量约为0.065mol。假设乙醇完全脱水，产生的水的物质的量应当为0.065mol，产生的水将消耗掉0.022mol P2O5。由P2O5的摩尔质量计算需要P2O5的质量约为3g。考虑到溶液中的水及P2O5在该反应中的催化作用，需要多余的P2O5去促使乙醇脱水生成乙烯，所以4mL 95%的乙醇需要P2O5的质量为6g左右比较合适。

经多次实验结果证明： 用体积为2mL 95%的乙醇与3g P2O5反应，足以完成教材上乙烯的相关性质实验。因此从简约性、安全性考虑，实际操作时可以减少教材中规定的乙醇体积，适当增加P2O5用量。

2.1.2  乙醇浓度和溴的四氯化碳溶液的选择

多次实验结果表明，将3g P2O5分别与2mL 95%的乙醇或等体积无水乙醇反应比较，酸性高锰酸钾溶液褪色速度无明显差异。实际教学中，由于我们仅仅需要制得少量的乙烯用于使4mL 0.01mol/L酸性高锰酸钾溶液、溴的四氯化碳溶液褪色以及乙烯的燃烧实验，对乙烯生成量的多少要求较低，因此，无论是选用95%的乙醇还是无水乙醇，都可满足演示实验的需求。实验时只要注意控制好乙醇浓度在95%附近一般都能获得较好的效果。关于烯烃中碳碳双键的检验，人教版《有机化学基础》（选择性必修3）第97页指出也可以用溴水[7]，实验多次证实该实验溴水褪色现象明显，效果更好，故本实验用溴水代替溴的四氯化碳溶液。因为四氯化碳本身有一定毒性，使用溴水更符合环保要求。

2.2  反應条件确定

该实验如果用酒精灯直接加热，温度较难控制，若升温速度过快极易引起反应混合液暴沸，导致乙醇大量气化造成原料浪费，热的乙醇蒸气还会使酸性高锰酸钾溶液褪色而干扰乙烯检验。且直接加热还会导致试管中反应物受热不均匀，气流不稳定，倒吸现象发生几率高，实验安全性差。但若选择水浴加热，由于水浴温度过低达不到乙醇脱水生成乙烯的目的。笔者尝试用不同种类油浴加热的方法。一般油浴在密封状况下加热温度可达到200℃，但开放状态下比较困难，且黏稠度大，不方便操作。而硅油因其黏稠度小、燃点高，是该实验的理想选择。经试验后确定采用硅油浴加热，温度约为200℃。

2.3  装置选用

2.3.1  发生装置

本实验采用大试管（内置硅油）套小试管（内置反应物）油浴加热的方式，装置如图3所示。该装置减少了硅油使用量和热量损失，同时油浴温度测量也较方便。当硅油加热到200℃以上时，试管中的乙烯气体能连续平稳地产生，并使溴水和酸性高锰酸钾溶液较快褪色。实验时间约3min，且重复性好。

2.3.2  除杂装置

P2O5催化乙醇脱水制得的乙烯气体中究竟混有哪些杂质？杂质是否如图2所示，必须要用KOH溶液吸收，有没有其他更好的选择？

马春生等[8]指出，气体样品GC图谱检测显示： 在250℃的实验温度下，反应生成的气体几乎不含酸性气体，乙烯气体中的杂质主要为空气、乙醇蒸气和水蒸气。笔者用pH试纸检测95%乙醇加入P2O5中产生的白雾，pH试纸不变色，说明产生的白雾不是酸雾，而是气化的乙醇。在用酸性高锰酸钾检验乙烯前需要除去实验过程中挥发出来的乙醇蒸气。由于乙醇与水互溶，故反应产生的乙烯气体用水洗效果很好，所以除杂试剂不必使用KOH溶液。

3  实验仪器和试剂

仪器： 大试管、小试管、酒精灯、量筒、洗瓶、铁架台、试管夹、导管、温度计、火柴

试剂： 乙醇（95%）、P2O5、溴水、酸性高锰酸钾溶液、硅油

4  实验步骤

（1） 按图3所示搭建好实验装置，并检验装置的气密性。

（2） 乙烯制备： 在大试管中加入一定量硅油，加热。用纸槽取约3g P2O5于小试管中，当硅油温度接近200℃时，将2mL 95%的乙醇缓慢倒入小试管中混合，振荡，待反应稍平缓，用带有玻璃导管的橡胶塞塞上，放进大试管的硅油浴中加热。

（3） 乙烯性质实验： 当油浴温度达到200℃时，观察洗瓶中的气泡，待乙烯气流速度稳定（约1min后），先将导气管通入盛有1～2mL淡黄色溴水的小试管中，观察到溶液颜色褪成无色（约50s）;再将导气管通入盛有1～2mL紫色酸性高锰酸钾溶液的小试管中，观察到溶液颜色褪成无色（约30s）;最后点燃导气管口的气体，观察到火焰明亮并伴有黑烟。上述实验现象均证明产生的气体为乙烯。

5  对实验改进的评价

（1） 改进实验中所使用的催化剂。乙醇消去反应制乙烯通常是用浓硫酸作催化剂，本实验改用P2O5作催化剂符合高中学生已有的认知基础。通过同一个化学反应选择不同种催化剂，学生能体验到合适催化剂的选取对乙烯的实际生产具有重要意义。由此，还可引导学生进一步分析能否使用FeCl3、 Al2O3等作本实验的催化剂。

（2） 寻找最佳反应实验条件。从理论计算、论证推理和实验对照等多重角度，分析探索实验室制备乙烯的最佳反应物用量、反应物浓度、除杂试剂、加热介质、反应装置等。通过改进教学实验，培养学生敢于质疑、不唯书本、严谨求实的科学态度。

（3） 改进后的实验有以下优点： 乙烯气体产生快，完成实验用时短，制得的乙烯气体所含杂质少且易除去，整套实验装置简洁，反应物用量少，操作简便，现象明显，污染小。

（4） 本实验的改进过程基于学生认知水平，且通过学生实验予以实施，学生的参与度高。关注实驗方法的多样性、实验活动的可行性、实验过程的安全性和实验试剂的简约性，有利于培养学生的综合素质。

参考文献：

[1][7]王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·有机化学基础（选择性必修3）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 57～59.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·有机化学基础（选修5）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2009： 69.

[3]邵国强， 丁红萍. 实验室制备乙烯新方法[J]. 化学教学， 2002， （1）： 34～35.

[4]刘波， 王程杰. 对乙醇脱水制乙烯实验的新研究[J]. 化学教学， 2007， （5）： 45～47.

[5]李先栓. “五氧化二磷使乙醇脱水”实验方案的调研报告[J]. 广州化工， 2011， 39（16）： 190～191.

[6]吕亚娟，赵国虎，白林等. 对五氧化二磷催化乙醇制取乙烯的再研究[J]. 化学工业. 科技创新导报， 2011， （1）： 112.

[8]马春生，朱莹敏. 对五氧化二磷催化乙醇脱水反应的研究[J]. 化学教育， 2011， （6）： 70.