乙醇催化氧化實驗的反思與創新設計

文章編號：1005-6629(2010)12-0011-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：C

1問題的提出

現行高二化學教材設計的“加熱銅絲插入”實驗，銅絲的紅一黑一紅顏色變化鮮明，裝置簡單，操作簡約，銅絲可以多次重復實驗，但難于檢驗乙醇氧化產物而降低了實驗的價值。事實上，學生聞試管中液體產生的氣味既不明顯，并有相當多學生將乙醇的氣味與乙醛的氣味混淆而難于分辨，如做銀鏡反應等，則因乙醛含量太少而現象不佳。

鑒于此，對教學中乙醇在Cu(或Ag)催化下氧化為乙醛的實驗是許多從教者長期研究的重要實驗，由劉正賢主編的《中學化學實驗大全》就提供了多個范例。從近階段許多雜志發表的文章看，許多實驗者都設計在裝入銅片的試管中加熱氧氣和乙醇蒸氣來彌補教材實驗難于檢驗產物等不足。華東師范大學蔡晶、陳磊磊分析了一些乙醇在銅催化下與氧氣反應生成乙醛的實驗中氧氣和乙醇來源的情況，并利用氣等從空氣中獲取氧氣和利用棉花團蘸取無水乙醇獲取乙醇蒸氣。但這樣一些改進思路，仍然存在裝置、操作復雜化；反應不易控制，不能提供充足乙醇蒸氣使反應持續進行等某些缺陷。一些實驗甚至將作為催化劑的單質銅直接改為CuO，使用希夫試紙檢驗產物乙醛，但這又無法對教材中Cu(或Ag)的催化作用作出合理說明，同時超越了學生的知識基礎和認識水平。

我們認為，高中學生已經知道酒精燈火焰就是乙醇的燃燒，焰心是乙醇的蒸氣，空氣中約1／5體積是氧氣等知識。如果能巧妙地通過獲取酒精燈焰心乙醇蒸氣和空氣中的氧氣完成這一實驗，這既能很好地幫助學生理解反應原理，又能有效發展學生的創新思維。對此，我們設計了一個裝置簡單，操作簡便的“酒精燈焰心蒸氣進行乙醇催化氧化”的實驗，達到了較為理想的效果。

2乙醇催化氧化實驗的創新

2.1實驗目的

實證乙醇在加熱和銅催化條件下被氧氣氧化為醛，深化對乙醇催化氧化原理的認識。

2.2設計思路

為使裝置簡單，采用酒精燈焰心提供乙醇蒸氣，用空氣提供氧氣，并使二者可控制地與催化劑接觸反應。

2.3實驗裝置

課堂演示實驗裝置：

(1)將玻璃管彎曲為U形，與一球形管(或干燥管)構成反應器，反應器中裝適量小銅片或銅絲。

(2)用一橡皮塞做成一旋轉器，旋轉器一端連反應器，另一端連玻璃管，此端可通過玻璃管旋轉。

(3)用注射器作乙醇蒸氣和空氣的吸人裝置和反應后氣體的收集裝置。為方便氣體注入銀氨溶液檢驗產物，可用膠頭滴管將注射器口加長。

學生分組實驗裝置(圖2)：

省去了反應器中的球形管或干燥管。使實驗微型化，僅將U形玻璃管的一端留長，放入小銅片或銅絲即可。

實驗裝置的特點：

(1)利用注射器可控制吸入乙醇蒸氣和空氣的量，以及收集反應產物進行有效檢驗。

(2)旋轉器的巧妙設置，使乙醇蒸氣和空氣能交替進入反應器，使實驗現象鮮明。旋轉器制作簡單，材料為普通橡皮塞，將橡皮塞打孔，一端連反應器，一端連一導出反應后氣體的玻璃管并可旋轉即可。

2.4實驗步驟

(1)按圖1所示裝置連接，固定在鐵架臺上，點燃酒精燈加熱。

(2)轉動旋轉器15～20度度角，使U形管口離開酒精燈焰心處火焰，同時緩緩拉動注射器。現象：管內銅片由紅變黑。又轉動旋轉器，使管口重新插入酒精燈焰心處，繼續拉動注射器，現象：管內銅片由黑變紅。

(3)將開始收集的少量氣體水洗后排空(開始反應時乙醛量少，主要為未反應的氮氣等)，繼續上述操作(2)并使注射器收集滿氣體。現象：球形管內銅片紅、黑現象交替出現。

(4)將收集的氣體注入銀氨溶液，用銀鏡反應檢驗氣體中含有醛(或用新制Cu(OH)2檢驗醛的存在)。

注：多次收集后，注射器中有無色刺激性氣味的液體。

2.5結果與討論

該實驗明顯地達到了乙醇催化氧化實驗理想的效果。

(1)簡潔地證實了乙醇在銅(或銀)做催化劑的條件下，可以被空氣中的氧氣氧化為乙醛的結論。實驗對反應產物的檢驗效果明顯。

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(2)實驗現象鮮明，特別是銅片由紅變黑，由黑變紅交替出現的現象。對學生理解乙醇催化氧化過程中Cu的催化作用極為生動。

(3)實驗裝置簡單，操作簡便。整個實驗完成時間約在3min左右，根據教學需要可反復進行。

學生分組實驗，在使用圖2裝置的基礎上，還可由一學生用試管夾夾持或手握旋轉器有節奏地插入和移開酒精燈焰心，另一學生拉動注射器收集產物，激發動手實驗興趣，培養團隊協作精神。