甲烷制備實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

傳統(tǒng)的提議是用1藥盒研磨的無(wú)機(jī)堿和用3藥盒研磨的堿性石灰混合加熱。在實(shí)際操作中,普遍存在甲烷不能產(chǎn)生或者產(chǎn)氣率低、產(chǎn)氣速率慢;副產(chǎn)物多(氣體能使酸性KMnO從已查到的30余篇相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看,一些問(wèn)題依然沒(méi)有能夠得到很好的解決。針對(duì)實(shí)驗(yàn)存在的四方面問(wèn)題,研究往往注重了單一或少數(shù)問(wèn)題的解決,而忽略了問(wèn)題的全面解決;對(duì)加熱過(guò)程中NaAc和NaOH狀態(tài)發(fā)生變化的認(rèn)識(shí)不足,不能解釋試管破裂的原因;對(duì)NaAc·3H1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和藥物鐵架臺(tái)、電子天平、酒精燈、研缽、止水夾、量筒、試管、集氣瓶;NaAc、CaO、NaOH、堿石灰、0.05%高錳酸鉀酸性溶液、鋁箔1.2研磨法破碎法將NaAc、NaOH、CaO、堿石灰分別研細(xì),于烘箱烘干(130℃,2小時(shí)),烘干后置于干燥器中備用。按下列實(shí)驗(yàn)步驟操作。(1)按比例定量稱(chēng)取經(jīng)前處理的NaAc、NaOH、CaO于研缽,在通常研磨的情況下研磨一定時(shí)間,快速稱(chēng)取一定量的混合物,并置于硬質(zhì)大試管,按圖1用酒精燈加熱一定時(shí)間,觀察試管在加熱過(guò)程中是否發(fā)生破裂,測(cè)定量筒中水的體積(扣除空白,空白值約為21mL)。(2)加熱完畢,關(guān)閉止水夾1和止水夾2,拆下止水夾2與大試管之間的橡皮管連接,在橡皮管上連接尖嘴玻璃管;(3)打開(kāi)止水夾2,將氣體點(diǎn)燃,觀察火焰顏色;用尖嘴玻璃管將氣體通入3mL0.05%高錳酸鉀酸性溶液,觀察溶液顏色變化;(4)洗滌試管,判斷洗滌的難易程度。2結(jié)果與討論2.1甲烷氣體的產(chǎn)生機(jī)理將0.400g未干燥NaAc[該NaAc經(jīng)130℃烘干后失重45.0%,超過(guò)NaAc·3H相同條件下,改用干燥的NaAc與堿石灰反應(yīng)能產(chǎn)生11mL甲烷,用NaOH與CaO的混合物代替堿石灰能產(chǎn)生101mL甲烷氣體。用NaOH與CaO的混合物代替堿石灰之所以有很高的產(chǎn)氣量,除了與市售堿石灰[Ca(OH)圖2的結(jié)果也證實(shí)了研磨過(guò)程中NaOH對(duì)水吸收并引起CH需要說(shuō)明的是,當(dāng)NaAc、NaOH、CaO不進(jìn)行研磨(研磨時(shí)間為0min),直接混裝加熱時(shí),試管破裂,沒(méi)有收集到氣體。綜上所述,實(shí)驗(yàn)前必須將反應(yīng)物干燥,其中,NaAc的干燥溫度必須在123℃以上(NaAc·3H2.2加熱時(shí)間與生產(chǎn)力之比2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析由表1可知,在固定NaAc用量的情況下,隨NaOH用量的增大,試管更易損壞,試管的洗滌更困難,氣體點(diǎn)燃后的顏色由黃色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎５乃{(lán)色,氣體通入酸性KMnO甲烷制備實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)是一級(jí)均裂脫羧的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),可用如下反應(yīng)式表示氣體點(diǎn)燃后的顏色呈黃色以及氣體能使酸性KMnO甲烷制備實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于試管破裂的原因,目前的文獻(xiàn)都沒(méi)有給出相應(yīng)的解釋,課題設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn):在不加入CaO(CaO不參與主要反應(yīng),卻掩蓋了NaAc與NaOH在加熱過(guò)程中的狀態(tài)變化)的情況下,NaAc與NaOH混合直接加熱。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加熱過(guò)程中混合物逐漸融化(NaAc與NaOH的熔點(diǎn)分別為324℃和318.4℃),且在融化前幾乎不產(chǎn)生甲烷氣體,但在熔融后,卻快速產(chǎn)生甲烷氣體,且多次這樣的實(shí)驗(yàn)試管均不破裂。因此,NaAc與NaOH生成甲烷的反應(yīng)主要是在液相的情況下發(fā)生,試管破裂的主要原因不是NaOH對(duì)試管的腐蝕作用。在有CaO存在的甲烷制備實(shí)驗(yàn)中,由于NaAc與NaOH的融化需要潛熱,且液相的升溫滯后于試管,導(dǎo)致加熱過(guò)程中液相的溫度顯著低于試管溫度,當(dāng)液相的流動(dòng)接觸試管時(shí),較大的溫差會(huì)導(dǎo)致試管破裂。因此,NaOH用量越大,液相量越多,流動(dòng)性越大,試管的腐蝕和破裂程度增大。綜合考慮反應(yīng)制取甲烷的純度、產(chǎn)率、試管的破裂程度和洗滌難易程度,NaAc與NaOH的質(zhì)量比為2.05:1(物質(zhì)的量之比為1:1)時(shí)為最佳反應(yīng)比例,并建議適度減緩升溫速度,降低液相與試管之間的溫差。2.4cao用量的影響表2可知,在試管完好的情況下,甲烷產(chǎn)氣率隨著CaO用量的增加而減小,隨著CaO用量的增加,試管外觀卻不易損壞,試管更易于洗滌。CaO在實(shí)驗(yàn)中的作用顯然,CaO用量的增加,不利于NaAc與NaOH的有效接觸,不利于甲烷產(chǎn)生。但CaO用量的增加卻有利于對(duì)液相的固定,有利于試管不受損壞,有利于試管洗滌。綜上所述,制備甲烷反應(yīng)物NaAc、NaOH、CaO的質(zhì)量比在2.05:1:(1～1.4)范圍內(nèi)最為適宜。2.5改變固相混合物總量在m(NaAc):m(NaOH):m(CaO)=2.05:1:1.2,反應(yīng)時(shí)間為10.0min,研磨時(shí)間為0.5min情況下,改變固相混合物總量分別為0.42、0.63、0.84、1.05、1.26、1.47、1.68g,甲烷產(chǎn)率從80.8%逐漸升高到84.2%。因此,在一定范圍內(nèi),反應(yīng)物總質(zhì)量對(duì)甲烷產(chǎn)率影響不大。2.6固體混合物的熱膨脹問(wèn)題從已有實(shí)驗(yàn)可知,三種物質(zhì)無(wú)論在什么比例下,反應(yīng)對(duì)試管都有腐蝕,只是嚴(yán)重程度不同而已,為解決這一問(wèn)題,有研究者將固體混合物置于鋁箔內(nèi)實(shí)驗(yàn)還將NaOH與鋁箔直接在試管中加熱,知道NaOH熔融,發(fā)現(xiàn)鋁箔上產(chǎn)生大量氣體(H3實(shí)驗(yàn)最佳條件的確定甲烷制備實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)主要是在NaAc與NaOH熔融的情況下發(fā)生;試管破裂是液相流動(dòng)接觸試管,液相與試管的較大溫差所致。防止水分在反應(yīng)物中的存在是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵,建議將堿石灰改為NaOH與CaO的混合物。實(shí)驗(yàn)的最適宜條件是,NaAc、NaOH、CaO固體分別研細(xì)后在130℃條件下烘干2小時(shí),其適宜質(zhì)量比為2.05:1:(1.0～1.4),混合物研磨時(shí)間0.5min,迅速裝填于試管,加熱時(shí)間6min。在m(NaAc)=0.400g,m(NaOH)=m(CaO)=0.195g,研磨時(shí)間為0.5min條件下,