木材的干馏及馏出物成分的探究

木材的干馏及馏出物成分的探究襄阳市地处鄂西北，木炭是一种经常用于农村家庭冬季取暖和城市烧烤的燃 料，因此学生非常熟悉这种物质。在学习了煤的干馏和主要产品及用途之后，为 了激发学生浓厚的学习兴趣和满足他们强烈的求知欲1，选择了“木材的干馏及 馏出物成分的探究”这一问题进行探究，这一探究活动操作性强，因为材料易得， 操作过程简单，现象也很明显。1 知识背景木炭的生产有着非常悠久的历史，人们对木炭都很熟悉，但对其生产过程中 的副产品则了解甚少。干馏时的馏出物经冷凝后，可得到粗木醋液和不凝性的气 体产物（木煤气），残留物是木炭。实验结果表明，木醋液是一种组成成分相当 复杂的混合物，大部分组成是水，主要成分除乙酸外，还有含量较少、种类繁多 的酮类、酚类、酯类、醛类和醇类等化合物2,3。2 探究的内容由于受到高中学生的知识水平和实验仪器设备的限制，探究的内容可以是烧 制木炭条件及设备的选定，烟气的冷却及木醋液精制方法，对木醋液成分中有机 酸、酚类、酮类、醛类等组分进行定性分析。3 探究过程3.1 提出问题围绕主题，学生通常会提出 “木材的干馏条件及实验装置 ” “ 烟气如何冷 却？” “馏出物如何精制？” “如何定性地分析馏出物成分？”等具体问题，这些问 题的解决既可在课堂中进行，也可以安排在课外研究；可以由学生个体独立完成， 也可以分小组合作进行。3.2 猜想与假设结合日常生活知识及在炭厂的实地考察，通过查阅资料、上网搜索、咨询老 师及有关技术人员、交流讨论等方式，得出猜想：木材的干馏条件必须高温隔绝 空气，烟气可以通过冷凝管冷却，馏出物可以经过蒸馏、用活性炭进行吸附过滤 而得到精制，馏出物中红褐色液体称之为木醋液是一种组成成分相当复杂的混合 物，大部分组成是水，主要成分除乙酸以外，另外还有含量较少、种类繁多的酮 类、酚类、酯类、醛类和醇类等化合物。3.3 实验论证3.3.1 木材干馏的实验、烟气的冷却操作及实验现象：按图 1 安装好装置，在硬质玻璃管中装入锯末，给冷凝管 通水，用酒精喷灯加热，锯末迅速变黑，在试管中出现大量的白色烟雾，经冷凝 管后在锥形瓶中收集到澄清的红褐色液体木醋液和黑色的木焦油。当加热反 应一段时间后在尾部点燃气体，气体可以燃烧，火焰呈黄色。图 1 木材的干镏3.3.2 木醋液的精制操作及实验现象：收集到的液体先采用虹吸法吸出上层清液木醋液（图 2），除去下层黑色的木焦油。将木醋液用常压蒸馏装置进行常压蒸馏。在常压下， 首先将低沸点组分，醋酸与大量的水一同蒸馏出来，而后蒸馏出含有酚类的高沸 点组分，以便除去较多的溶解焦油。利用常压蒸馏法将温度从6080 C升到100C，得到pH=1.53.7，密度为1.001 g/mL以上的精制木醋液。图 2 虹吸法也可以用活性炭吸附虹吸后的木醋澄清液中的焦油，使其产生沉淀，活性炭 粉用量为虹吸后木醋澄清液质量的 5%，随着活性炭用量的增加，木醋液颜色逐 渐变淡，总酸、溶解焦油含量逐渐降低，pH逐渐增大4。3.3.3 木醋液成分中有机酸、醛类、酮类、酚类等组分定性分析操作及实验现象：在表面皿上放一小段pH试纸，用洁净的玻璃棒蘸取经过 精制的木醋液滴在试纸上，变色后与比色卡对照pH=2。然后用试管取一定量的 木醋液，滴加饱和的NaHCO订3溶液，产生大量的气泡。结论：说明木醋液中 含有机酸。操作及实验现象：在10%的NaOH溶液2 mL中滴入2%CuSO订4溶液46滴，振荡后加入少量的木醋液，溶液立刻变为黄色浑浊，用酒精灯加热一会儿颜 色加深呈黄褐色，溶液沸腾后生成了红色沉淀。结论：说明木醋液中含醛类。在试管中加入新配制的饱和亚硫酸氢钠溶液篁2 mL,滴加木醋液68滴，剧烈摇匀，置于冰水中，观察到有沉淀析出。结论：说明木醋液中含酮类和醛类 5。操作及实验现象：用试管取一定量的木醋液，滴加FeCl订3溶液，溶液呈深 紫色。用试管取10 mL木醋液，滴入浓硫酸1 mL,摇匀，在沸水浴中加热5分 钟，并不断振荡，使反应完全，冷却后加水工3 mL,小心地逐滴加入2 mL浓硝 酸，振荡均匀，在沸水浴中加热至溶液呈黄色，取出试管，冷却，有少量黄色固 体析出。结论：说明木醋液中含酚类6。3.4 讨论及解释(1) 在进行木材干馏时最好选用柞木锯末，若选用松木在干馏时会生成松节 油不利于木醋液的分离，使用锯末可以缩短炭化的时间，加热时最好使用酒精喷 灯。(2) 在采用常压蒸馏对木醋液进行精制时，馏分中化合物种类和含量大为减 少，很多成分会消失，对后面的实验现象有一定的影响。采用活性炭进行吸附操 作相对简便，得到的木醋液进行后面的实验现象较为明显。(3) 由于馏出物非常复杂，只是定性地分析了木醋液中含有有机酸、酚类、 酮类、醛类等组分，对于气体只能探究它的可燃性和还原性，而木焦油及木醋液 中的醇类、酯类及其他的有机物由于学生的知识水平和实验条件有限没有做过多 的讨论和探究。(4) 饱和亚硫酸氢钠溶液的配制：在家100 mL40%亚硫酸氢钠溶液中加入无 水乙醇 25 mL7。参考文献1 中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准(实验).北京：人 民教育出版社，2003:342 徐社阳.广州化学，2006，31(3)： 28-313 王海英.东北林业大学学报，2005，33(3)： 110-1124 周岭,蒋恩臣等.可再生能源，2007，25(4)： 56-575 曾昭琼.有机化学实验. 北京：高等教育出版社，1992:1926曾昭琼.有机化学实验. 北京：高等教育出版社，1992:1907曾昭琼.有机化学实验. 北京：高等教育出版社，1992:230注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以 PDF 格式阅读原文