CN110444096B - 一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置及其使用方法 - Google Patents
一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置及其使用方法,包括主试管、橡皮塞、玻璃管、橡胶导管、玻璃尖嘴、防风罩酒精灯、铁架台和验证试管,所述主试管的封闭端装有已滴加石蜡油的固定玻璃丝,所述固定玻璃丝远离所述主试管封闭端的一侧装有催化玻璃丝,所述催化玻璃丝与所述主试管口之间装有填充玻璃丝,所述防风罩酒精灯的外焰正对所述催化玻璃丝的中心。本发明通过对催化剂的改进及操作条件的优化,可以有效解决产气严重不足、操作繁琐费时、重复性差、成本高的问题,同时可实现实验过程的环保性及装置的规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及高中化学教具领域,具体涉及一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置及其使用方法。
背景技术
在化工生产中,石油催化裂化工艺过程主要是,原料油在500℃左右、0.25~0.4兆帕条件下,与催化裂化的催化剂接触,经过裂化反应生成气体、汽油、柴油、重油及焦炭。催化裂化生产装置一般由四个单元组成:反应-再生系统、分馏系统、吸收-稳定系统和再生烟气能量回收系统。现行高中化学教育中,对于这一过程的展示,是通过现行高中化学教材中的石蜡油分解实验为学生展示的。
现行人民教育出版社出版的教材高中化学必修二中,关于石蜡油分解实验的操作过程如下:参见附图1,将浸透了石蜡油的石棉放置在硬质试管底部,试管中加入碎瓷片,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,生成一定量的气体。利用该气体进行如下性质实验:
(1)将气体通入酸性高锰酸钾溶液,观察实验现象;
(2)将气体通入溴的四氯化碳溶液,观察实验现象;
(3)用排水法收集一试管气体,在试管口点燃,观察燃烧的情况。
该实验是以碎瓷片为催化剂,利用高温催化裂解石蜡油产生低分子量的气态烯烃(C2~C4),并通过三个性质实验阐明烯烃与前面学过的烷烃在性质上存在差异,为典型烯烃——乙烯的学习打下基础。
但该实验在实际操作过程中存在如下问题:(1)产气严重不足:产气量难以完成三个性质实验,用时太长,通常需要十余分钟以上,难以满足教学计划对演示实验最多3~5min完成的基本要求;(2)操作繁琐费时:试管内的碎瓷片需要教师提前寻找、破碎、筛分,试管内的药品需要临时装填,整个准备工作至少需要约1小时以上;(3)实验的重复性差:由于石蜡油用量、硬质试管规格、碎瓷片粒度、碎瓷片用量、碎瓷片装填位置及加热位置等参数教科书没有固定化,实验具有随意性,导致各次实验之间的实验结果差异很大;(4)实验成本高且不环保:实验本身产气速率低且产气量少,硬质试管有较大的空间,存储在空间的产气不能得到利用,石蜡油也只能得到少量利用,一次装配只能做一次实验,成本高且效率低下,而且教科书实验采用石棉作为石蜡油载体,石棉已被归为一类致癌物清单,不环保。
基于上述石蜡油分解实验在教学中存在的问题,该实验成为高中化学中重要的疑难实验,部分教师对该实验进行了一定的研究,以期望改进实验,更好的满足实验教学的要求,但研究报道并不多,研究文献非常有限,研究者几乎都为中学教师,从研究方法看,都是一些定性研究,缺乏定量数据。从研究结果看,得到的都是一些定性结果,少有规律性的结论,无法从本质上认识该实验的基本规律。从研究的问题看,都没能全面系统地对该实验进行研究,只偏注于一些点上。从研究内容看,主要针对装置的改进及催化剂的选择。
首先,关于装置改进研究,一是将试管横放加热改为竖向加热,其目的是提高温度,有利于反应的进行;二是改变石蜡油投加方式,比如通过注射器投加,分液漏斗投加,胶头滴管投加,虽然可以调节石蜡油用量,但滴加过程中断断续续,影响产率和速率;三是反应器的改进,如将试管改换为具支试管或改换为“L”旋转90°型,甚至还有将装置改为更复杂的,类似于球形干燥管的装置。这样的仪器在中学实验室几乎很难找到,且不易装入药品。四是加热条件的改进,如用两个防风罩酒精灯分别对横向和纵向相应部位加热。这些改进无疑能在一定程度上提高反应速率,从而缩短实验时间,但都没有确切的数据表明其达到了实验教学的要求。
其次,催化剂的选择研究,一部分研究改换了催化剂,这些催化剂包括MnO2粉末、碎瓷片与活性Al2O3的混合物、无水Al2(SO4)3、活性 Al2O3(γ型)、分子筛(X型和Y型)的混合物等。这些研究存在如下问题,一是有些催化剂不是常用药品,实验室难于找到,二是众多报道的催化剂中,Al2O3的催化效果相对较好,即便如此,也难以从时间上满足实验教学要求,实验表明,采用Al2O3作为催化剂,完成实验也需要10余分钟,耗时的问题依然存在。
通过对实验的深入研究表明,导致教科书实验用时过长,甚至失败的原因是多方面的:1)碎瓷片作为催化剂,自身催化效果不佳,产气量少;2)教科书没有给出具体的操作条件,使得教师在实际操作中带有随意性,导致实验不是在最佳条件下进行,从而影响实验效果;3)反应器普遍采用试管,而在实际操作中试管内往往有较大的剩余空间,这些空间在实验过程中需要用产气来填充,降低了产气的利用率;4)性质实验操作复杂,需要单独收集一试管气体才能将其点燃,这也导致实验时间延长。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的在于解决现有实验产气严重不足、操作繁琐费时、重复性差、成本高、不环保的问题,提供一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置及其使用方法,通过新的催化剂的使用以及对操作条件的优化,可以有效解决上述问题,同时可实现装置的规模化生产。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置,包括主试管、橡皮塞、玻璃管、橡胶导管、玻璃尖嘴、防风罩酒精灯、铁架台和验证试管,其特征在于,所述主试管的封闭端装有已滴加石蜡油的固定玻璃丝,所述固定玻璃丝远离所述主试管封闭端的一侧装有催化玻璃丝,所述催化玻璃丝与所述主试管口之间装有填充玻璃丝,所述防风罩酒精灯的外焰正对所述催化玻璃丝的中心。
现有教科书实验采用碎瓷片作为催化剂,而碎瓷片本身催化效果不佳,需要教师提前寻找、破碎、筛分,并且试管内的药品需要临时填装,整个准备工作至少需要1小时以上,这大大增加了教师的工作量。本发明将主试管通过铁架台横向固定,防风罩酒精灯置于主试管封闭端的下侧一定距离,橡皮塞装在主试管的开口处,橡皮塞上通过开孔与玻璃管连接,玻璃管通过橡胶导管与玻璃尖嘴连接,玻璃尖嘴可插入通过铁架台固定的验证试管,验证试管内装有酸性高锰酸钾溶液或溴的四氯化碳溶液。本发明在对该实验的研究过程中,意外发现玻璃丝具有良好的催化作用,并且催化速率是碎瓷片的2.1倍,催化效果优于碎瓷片,而且玻璃丝为实验室常用的物品,教师获得非常容易,因此首先采用固定玻璃丝替代石棉将石蜡油固定在主试管封闭端,再用催化玻璃丝进行催化,从而能在短时间内大量产生气体,为后续性质实验做好准备。本发明还在固定玻璃丝与主试管口之间存在的剩余空间中充入填充玻璃丝来填充多余空间,一方面可以尽可能排走空气,提升产气的利用率,节省实验时间,实际操作证明,这一操作可以节省实验时间1′12″,另一方面,填充玻璃丝不会对气体的流通造成阻碍,产生的气体可以顺利导出进行后续的性质实验,还可以避免教师接触致癌物石棉,提升实验装置的环保性。
进一步,所述主试管为18×200mm的试管,所述验证试管为15×150mm的试管,所述石蜡油的滴加量为4mL,所述固定玻璃丝的填充长度为2.5cm,所述催化玻璃丝的填充长度为3.5cm,所述填充玻璃丝的填充长度为11cm。实际操作时,在催化玻璃丝与填充玻璃丝之间,留有1cm长的间隙。本发明通过对主试管规格、石蜡油用量、玻璃丝填充长度进行优化,最大程度的缩短实验时间。
进一步,所述固定玻璃丝的填充密度为0.83g/cm,填充质量为2.1g,所述催化玻璃丝的填充密度为0.83g/cm,填充质量为2.9g,所述填充玻璃丝的填充密度为1.31g/cm,填充质量为14.4g。本发明通过进一步对玻璃丝填充密度、填充质量进行优化,使整个反应在最优条件下进行,更进一步的缩短实验时间。
进一步,所述验证试管内装有2.0mL0.15mmol/cm3的酸性高锰酸钾溶液。通过优化酸性高锰酸钾溶液浓度与用量,通入酸性高锰酸钾性质实验所用时间可控制在29s。
进一步,所述验证试管内装有2.0mL15.0μmol/cm3溴的四氯化碳溶液。通过优化溴的四氯化碳溶液浓度与用量,通入溴的四氯化碳性质实验所用时间可控制在31s。
一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置的使用方法,包括如下步骤:
将所述防风罩酒精灯外焰对准所述催化玻璃丝中心处加热,用产生的气体分别完成如下性质实验,观察并记录实验现象:
1)将玻璃尖嘴插入装有2.0mL0.15mmol/cm3酸性高锰酸钾溶液的验证试管中;
2)将玻璃尖嘴插入装有2.0mL15.0μmol/cm3溴的四氯化碳溶液的验证试管中;
3)将玻璃尖嘴的尖嘴处直接点燃。
本发明的实验装置可直接将玻璃尖嘴点燃,而不用像教科书中那样,需要用排水法收集一试管气体,在试管口点燃,再观察燃烧情况。本发明通过直接点燃玻璃尖嘴进行观察燃烧情况,至少可节约49s。
进一步,所述防风罩酒精灯外焰的中心,距离所述主试管封闭端边缘5.0cm。在此位置进行加热可以起到最好的加热催化效果。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明通过采用玻璃丝作为催化剂,提升了催化效果,其催化速率是碎瓷片的2.1倍,显著加快了产气速度;利用玻璃丝填充主试管中的剩余空间,避免用反应产生的气体来填充空间,这一操作不仅提升了气体的利用率,还节省实验时间1′12″。
2、本发明通过对实验步骤进行细致优化,从实验的各个环节缩短实验时间,采用本发明装置及使用方法完成该实验仅需2′13″~2′35″,这与按照教科书操作需要10余分钟,甚至无法完成实验相比,有了极大程度的改善。
3、本发明主试管中的实验材料的一次填装,可以重复进行7次实验,每次实验的实验时间在2′13″~2′35″范围内,与教科书一次装填只能进行一次实验相比,大大节省了材料,节省了实验的准备时间,而且用玻璃丝替代了具有致癌效果的石棉,兼具环保效应与经济效应。
4、本发明材料易得,所有材料均为实验室常规仪器药品;实验准备简单,操作过程简易可控;同时,本发明重复性好。
5、本发明可做成成套实验装置,适用于企业批量生产成套实验装置,从而减少教师实验准备的工作量,并有效保证实验条件的一致性。
附图说明
图1为现有教科书实验装置图。
图2为本发明一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置的结构示意图。
图3为本发明一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置产气量随时间变化图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例:
一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置,包括主试管1、橡皮塞2、玻璃管3、橡胶导管4、玻璃尖嘴5、防风罩酒精灯6、铁架台7和验证试管8,所述主试管1的封闭端装有已滴加石蜡油的固定玻璃丝11,所述固定玻璃丝11远离所述主试管1封闭端的一侧装有催化玻璃丝12,所述催化玻璃丝12与所述主试管1口之间装有填充玻璃丝13,所述防风罩酒精灯6的外焰正对所述催化玻璃丝12的中心。通过采用催化玻璃丝12替代碎瓷片,提升催化效果,使实验装置能产生足量的气体供后续性质实验使用。通过填充玻璃丝13填充剩余空间,提高气体的利用率。
具体实施时,所述主试管1为18×200mm的试管,所述验证试管8规格为15×150mm,所述石蜡油的滴加量为4mL,所述固定玻璃丝11的填充长度为2.5cm,所述催化玻璃丝12的填充长度为3.5cm,所述填充玻璃丝13的填充长度为11cm。所述固定玻璃丝11的填充密度为0.83g/cm,填充质量为2.1g,所述催化玻璃丝12的填充密度为0.83g/cm,填充质量为2.9g,所述填充玻璃丝13的填充密度为1.31g/cm,填充质量为14.4g。实际操作时,在催化玻璃丝12与填充玻璃丝13之间,留有1cm长的间隙。对主试管1的尺寸、固定玻璃丝11、催化玻璃丝12、填充玻璃13的填充密度、填充长度和填充质量进行进一步优化,使整个实验能在最优条件下进行,进一步缩短实验时间。
所述验证试管8内装有2.0mL0.15mmol/cm-3的酸性高锰酸钾溶液。通过优化酸性高锰酸钾溶液浓度与用量,通入酸性高锰酸钾性质实验所用时间可控制在29s。
所述验证试管8内装有2.0mL15.0μmol/cm-3溴的四氯化碳溶液。通过优化溴的四氯化碳溶液浓度与用量,通入溴的四氯化碳性质实验所用时间可控制在31s。
本发明实验装置的组装方法如下:在18×200mm(直径为18mm、长度为200mm)主试管1底部塞入长度2.5cm固定玻璃丝11(用于固定液体石蜡),用吸量管滴入4.0mL液体石蜡于固定玻璃丝11上,紧挨固定玻璃丝11再装入填充密度ρ=0.83g/cm,长度3.5cm的催化玻璃丝12(用作催化剂),与催化玻璃丝12间隔1cm,继续充入填充玻璃丝13,长度11cm(填充密度为1.31g/cm,用于降低试管剩余空间,提高气体利用率),再按附图2进行组装,连接带导管的橡皮塞及玻璃尖嘴。
一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置的使用方法:
将所述防风罩酒精灯6外焰对准所述催化玻璃丝12中心处加热,用产生的气体分别完成如下性质实验,观察并记录实验现象:
1)将玻璃尖嘴5插入装有2.0mL0.15mmol/cm3酸性高锰酸钾溶液的验证试管中;
2)将玻璃尖嘴5插入装有2.0mL15.0μmol/cm3溴的四氯化碳溶液的验证试管中;
3)将玻璃尖嘴5的尖嘴处直接点燃。
对本发明所构建的一种高效环保高中化学石蜡油分解实验装置及其使用方法,进行了如下验证试验:
1)产气速率
参见附图3,产气量与加热时间成直线关系,产气均匀稳定,产气速率稳定保持在17.5mL/min。
2)完成试验各环节所需时间
表1 完成实验各环节所需时间
环节 | 排空气时间 | 通入酸性高锰酸钾 | 通入溴的四氯化碳 | 点燃 |
用时 | 1′11″ | 29″ | 31″ | 7″ |
3)装置一次装填的重复利用次数
表2 装置使用次数与实验时间
完成次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
实验时间 | 2′14″ | 2′14″ | 2′13″ | 2′14″ | 2′14″ | 2′23″ | 2′35″ | 2′50″ |
从表2可以看出,装置一次装填后,不仅能完成一次实验,还至少能重复利用7次,每次实验所用时间在2′13″~2′35″范围内,由此可知,一次装填能满足7个班级的演示实验,与按照教科书装填一次,只能做一次实验相比,大大节约了时间成本与经济成本,也极大的减轻了教师的工作量。
最后需要说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案,本领域的普通技术人员应当理解,那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种高效环保高中化学石蜡油分解实验方法,采用的装置包括主试管(1)、橡皮塞(2)、玻璃管(3)、橡胶导管(4)、玻璃尖嘴(5)、防风罩酒精灯(6)、铁架台(7)和验证试管(8);其特征在于,所述主试管(1)的封闭端装有已滴加石蜡油的固定玻璃丝(11),所述固定玻璃丝(11)远离所述主试管(1)封闭端的一侧装有催化玻璃丝(12),所述催化玻璃丝(12)与所述主试管(1)口之间装有填充玻璃丝(13),所述防风罩酒精灯(6)的外焰正对所述催化玻璃丝(12)的中心;实验时将所述防风罩酒精灯(6)外焰对准所述催化玻璃丝(12)中心处加热,用产生的气体分别完成如下性质实验,观察并记录实验现象:
1)将玻璃尖嘴(5)插入装有2.0mL0.15mmol/cm3酸性高锰酸钾溶液的验证试管中;
2)将玻璃尖嘴(5)插入装有2.0mL15.0μmol/cm3溴的四氯化碳溶液的验证试管中;
3)将玻璃尖嘴(5)的尖嘴处直接点燃。
2.根据权利要求1所述高效环保高中化学石蜡油分解实验方法,其特征在于,所述主试管(1)为18×200mm的试管,所述验证试管(8)为15×150mm的试管,所述石蜡油的滴加量为4mL,所述固定玻璃丝(11)的填充长度为2.5cm,所述催化玻璃丝(12)的填充长度为3.5cm,所述填充玻璃丝(13)的填充长度为11cm。
3.根据权利要求1所述高效环保高中化学石蜡油分解实验方法,其特征在于,所述固定玻璃丝(11)的填充密度为0.83g/cm,填充质量为2.1g,所述催化玻璃丝(12)的填充密度为0.83g/cm,填充质量为2.9g,所述填充玻璃丝(13)的填充密度为1.31g/cm,填充质量为14.4g。
4.根据权利要求1所述的高效环保高中化学石蜡油分解实验方法,其特征在于,所述防风罩酒精灯(6)外焰的中心,距离所述主试管(1)封闭端边缘5.0cm。
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