Вопросы для самопроверки:

1. Где нашли применение процессы этерификации, гидролиза, гидратации и дегидрата­ции?

2. Где используют сложные эфиры?

Лабораторная работа № 5 Гидратация ацетилена (получение ацетальдегида)

Цель работы

Изучение реакции жидкофазной гидратации ацетилена в аце­тальдегид в присутствии двухвалентной ртути и превращение ацетальдегида в смесь паральдегида и метальдегида; определе­ние выхода продуктов на первой и второй стадиях и составление материального баланса опыта.

Среди различных промышленных методов производства ацетальдегида до настоящего времени не утратил своего значения процесс жидкофазной гидратации ацетилена по реакции М. Г. Кучерова, открытой им в 1881 г. По этой реакции ацетальдегид по­лучают гидратацией ацетилена в присутствии двухвалентной рту­ти в разбавленном растворе серной кислоты:

Реакция протекает через комплекс ртути с ацетиленом по схеме:

Скорость гидратации ацетилена возрастает с повышением как концентрации серной кислоты в катализаторном растворе, так и температуры реакции, но одновременно усиливаются и процессы образования побочных продуктов. Серная кислота оказывает кон­денсирующее действие на ацетальдегид, в результате образуют­ся альдоль, кротоновый альдегид и другие соединения:

Нежелательной является и реакция восстановления ацетальдегидом двухвалентной ртути до нулевалентного состояния, так как это приводит к дезактивации катализатора

По обеим этим причинам образующийся ацетальдегид необхо­димо быстро выводить (отдувать) из зоны реакции. Для отдува ацетальдегида из реакционной жидкости используют непрореаги­ровавший ацетилен, который подают на реакцию в некотором из­бытке

Продлению времени работы ртутного катализатора способст­вует и добавление к реакционной массе солей трехвалентного железа. Трехвалентное железо, будучи более сильным окислите­лем, чем двухвалентная ртуть, окисляет одновалентную ртуть и регенерирует активную форму катализатора

В промышленности процесс гидратации ацетилена осуществ­ляют при 75—95°С и концентрациях серной кислоты 10—20% (масс) и двухвалентной ртути (в пересчете на НgО) в катализаторном растворе 0,5—1% (масс).

Выполнение работы

Реактивы

Ацетилен (из газометра) 9 л

Серная кислота концентрированная = 1,836) 15 мл

Оксид ртути 1,8 г

Сульфат железа 3 г

Дистиллированная вода 150 мл

Ацетон 700 мл

Сухой лед

Гидратацию ацетилена в ацетальдегид проводят на установ­ке, схема которой приведена на рис. 7. Она состоит из газомет­ра постоянного давления 3, трубок 4 и 12 с безводным хлоридом кальция, реометра 5, контактного термометра 6, обратного холо­дильника 7, реактора 8, предохранительной склянки 9, защитного кожуха 11, реле-регулятора 14, автотрансформатора 15, ловушки 16 и сосуда Дьюара 17 с охлаждающей смесью. Перед началом опыта проверяют правильность сборки и герметичность всех со­единений установки градуируют реометр, если он ранее не был проградуирован проверяют надежность работы системы для поддержания заданной температуры в реакторе.

Рис. 65. Установка для гидратации ацетилена

1,2 – краны, 3- газометр, 4,12 - трубки с безводным хлоридом кальция, 5 - реометр, 6 – контактный термометр, 7- обратный холодильник, 8 - реактор 9 - предохранительная склянка, 10 – барботер, 11 - кожух, 13 - электроспираль, 14- реле регулятор, 15 — авто­трансформатор, 16 — ловушка 17 — сосуд Дьюара

Реактор изготовлен из термостойкого стекла и представляет собой колонку с диаметром реакционной части 35 мм и высотой 180 мм Он снабжен барботером 10 для подачи ацетилена, элек­троспиралью 13 для нагрева реакционной массы и двумя шлифовыми горлами для присоединения контактного термометра и обратного холодильника. Получают необходимое для реакции количество ацетилена и готовят катализаторный раствор и смесь для охлаждения ловушки.

Для приготовления катализаторного раствора в коническую колбу емкостью 500 мл из термостойкого стекла загружают 1,8±0,01 г оксида двухвалентной ртути, 3,0±0,01 г сульфата трехвалентного железа, 150 мл дистиллированной воды и при перемешивании осторожно приливают 15 мл концентриро­ванной серной кислоты После растворения оксида ртути и суль­фата железа катализаторный раствор заливают в реактор, пускают воду в обратный холодильник и включают обогрев

В процессе нагрева катализаторного раствора до температуры реакции готовят смесь для охлаждения ловушки. Для этого в сосуд Дьюара емкостью 1 л наливают 700 мл ацетона и осто­рожно добавляют небольшие кусочки (около 5X5 мм) сухого льда до полного прекращения вспенивания ацетона (работу ве­дут в защитных очках). В полученную смесь погружают предва­рительно взвешенную (с заглушками) ловушку, заглушки снима­ют и ловушку присоединяют к установке.

По достижении температуры катализаторного раствора 95 °С включают подачу ацетилена в реактор со скоростью 70 мл/мин л при этой температуре подают 9 л газа. Скорость подачи ацети­лена регулируют краном 2 при полностью открытом кране 1. Для стабильного поддержания заданной скорости подачи ацети­лена высота столба Н в напорном устройстве газометра должна быть не менее 800 мм.

После окончания подачи ацетилена выключают обогрев реак­тора и сразу отсоединяют от барботера линию ацетилена для предотвращения засасывания в нее катализаторного раствора. Затем отсоединяют от установки ловушку, закрывают отверстия заглушками, вынимают из сосуда Дьюара и выдерживают при комнатной температуре до прекращения конденсации влаги на поверхности ловушки. После этого ловушку тщательно обтира­ют фильтровальной бумагой, взвешивают с точностью до 0,01 г и определяют массу полученного ацетальдегида.

В случае отсутствия в лаборатории сухого льда ацетальдегид можно выделить и другим путем.

Для превращения полученного ацетальдегида в смесь паральдегида и метальдегида ловушку снова опускают в сосуд Дьюара на 20 мин. Одновременно на технических весах взвеши­вают коническую колбу емкостью 25 мл с одной каплей концент­рированной серной кислоты, закрытую корковой пробкой, и ох­лаждают в фарфоровой чашке с сухим льдом. Затем быстро пе­реливают ацетальдегид из ловушки в колбу, встряхивают и ос­тавляют на холоду еще на 20 мин.

По истечении 20 мин колбу вынимают из сухого льда, дают нагреться до комнатной температуры, обтирают фильтровальной бумагой, взвешивают и определяют массу смеси паральдегида и метальдегида.

Вычисляют выход ацетальдегида на пропущенный ацетилен, выход смеси паральдегида и метальдегида и потери ацетальде­гида.

Обсуждают результаты опыта и формулируют свои выводы о выполненной работе.