實驗研究觀察—思考—創新

高晶+劉開勝

在人教版《必修2》教材中，乙醇的催化氧化實驗是學生學習掌握乙醇性質的關鍵實驗。

課本中的實驗操作為：“向1支試管中加入3 mL～5 mL乙醇，取一根10 cm～15cm長的銅絲，下端繞成螺旋狀，在酒精燈上灼燒至紅熱，插入乙醇中，反復幾次。注意觀察反應現象，小心聞試管中液體產生的氣味。”這種方法盡管簡單易操作但是要使用更多的乙醇，產物的檢測也不夠嚴謹。同時，學生的注意力往往集中于銅的變化而忽略該反應的主角——乙醇。

關于乙醇催化氧化實驗改進文獻多有報道。其中改進的策略主要集中在：

（1）實驗儀器的設計，如采用彎型玻璃試管作反應器，在三頸瓶中發生反應，采用電熱絲加熱等。

（2）產物的檢驗，多采用定性的檢測方法如席夫試劑銀鏡反應等來代替通過聞乙醛氣味，使實驗更科學嚴謹。

（3）進料方式設計，可采用蘸有酒精的棉花團加熱，用滴管滴加或用注射器輔助等方法。這些改進都一定程度地節省了乙醇藥品的使用增加實驗的趣味性和科學性。

一、實驗的改進

1.改進思路

本實驗的改進從經典教材中的實驗出發按照教材學生進行分組試驗操作。在實驗過程中學生發現了一個有意思的現象：在加熱螺旋銅絲時，當銅絲變黑之后，靠近酒精燈焰芯時銅絲轉化為紅色，靠近外焰加熱時又轉化成黑色。這個現象引起學生很大的興趣，也引發學生思考：為什么會出現這樣的現象，經過思考，銅絲被氧化成氧化銅，稿酒精燈的焰芯有沒有燃燒的乙醇蒸汽還原氧化銅，自身被氧化成乙醛，這正是乙醇催化氧化的過程。在此過程中，酒精燈即作為加熱裝置又能提供反應原料。這一經典實驗的發現和思考為改進實驗提供了最初的靈感。

2.改進過程

本實驗的改進主要集中在通過巧妙的設計并自制玻璃彎管，將酒精燈的酒精蒸汽引出作為反應底物，在帶有催化劑（銅絲）的玻璃彎管中發生催化氧化反應，將產物導入銀氨溶液中通過銀鏡反應檢驗乙醇被氧化的產物。

二、結果與討論

1.實驗儀器創新

自制玻璃彎管反應器：將螺旋狀銅絲插入玻璃管中，在距玻璃管一端4 cm～5 cm處用酒精噴燈加熱，緩緩彎成約45°角，將銅絲固定在彎管中，略長一端距離彎折處約1 cm的位置。將玻璃彎管一端通過橡膠導管接尖嘴玻璃導管。玻璃彎管的另一端稍擴口。

2.實驗過程創新

（1）將尖嘴玻璃導管放入銀氨溶液試管中。注意玻璃管尖嘴懸于液面，不要插入液面下，保證空氣進入熱的銅絲管中。小試管置于冷水浴中冷卻減少乙醛逸出。

（2）移動酒精燈，預熱裝有銅絲的45°角玻璃彎管反應器。

（3）玻璃彎管口轉至離開酒精燈火焰，集中加熱彎管中的銅絲部位直至銅絲變為黑色。

（4）轉動玻璃管的方向，將彎管擴口置于酒精燈焰芯處。使乙醇蒸汽從酒精燈焰心引出進入反應器，同時使酒精燈的外焰加熱銅絲至銅絲上黑色氧化銅被乙醇還原出現紅色。

這樣使氧氣和乙醇蒸汽交替進入反應器，發生催化循環。

（5）重復步驟（3）（4）幾次，使乙醇和空氣交替進入玻璃管，可以看到銅絲紅-黑交替變化（每次不到10 s），乙醇不斷被氧化成乙醛，氧化銅被還原成銅。

（6）停止加熱后，將尖嘴玻璃導管插入銀氨溶液，用洗耳球將玻璃管內的殘余氣體鼓入銀氨溶液中，輕微振蕩后置于約40℃水浴。

（7）仔細觀察試管中出現棕色渾濁，逐漸加深，約5分鐘后形成光亮的銀鏡，證明乙醛生成。

本實驗改進的核心是巧妙設計45°角玻璃彎管這一簡單易操作的儀器。在制作過程中預先把曲成彈簧狀的銅絲置于玻璃管內，然后再通過酒噴燈加熱把直玻璃管彎成約45°角。玻璃彎管的長度和角度要保證可以從酒精燈的焰芯引出酒精后同時可以使酒精燈外焰加熱銅絲。角度過大或過小對實驗都是不利的。同時應該注意，在氧化銅與乙醇發生反應時反應體系不能離開酒精燈。保證在持續穩定的加熱條件下反應對實驗成功是必要的。

三、評價與反思

本實驗的改進靈感來自于教材實驗的操作。在實驗操作過程中發現銅絲在酒精燈外焰和焰芯加熱的有趣現象。通過認真思考分析，設計將酒精燈中的乙醇引出作為反應原料。怎樣能利用酒精燈提供原料的同時又能加熱銅絲發生反應實現酒精燈的多種用途是改進研究的瓶頸，直到巧妙設計了45°角的玻璃彎管反應器這一問題才得以突破。采用酒精燈氣化的酒精做反應物，熱的酒精蒸汽能順利進入反應器發生反應。這樣簡化了操作而且節省乙醇藥品，實驗結束沒有任何浪費的乙醇，符合綠色化學的發展理念。

教材中采用聞乙醛氣味的方式認識反應產物是通乙醛的物理性質來辨別。這樣雖然簡單方便，但是怎樣知道產生的氣味就是乙醛缺乏說服力。另外由于乙醛大部分溶于乙醇溶液中揮發較少，不易察覺而被忽略。這樣，通過教學實際情況反饋整個實驗中學生的興趣在于銅絲的顏色變化而忽略了乙醇被氧化成乙醛本身的反應，使得實驗教學目標發生偏離。所以改進中，將檢驗乙醛的化學性質代替物理性質，將檢測產物的方式改成現象明顯的銀鏡反應。

經過改進后的乙醛催化氧化實驗使學生能整體把握實驗的原理，更明確反應物和產物，而不是僅僅關注銅絲的顏色變化，使實驗更嚴密，更據科學性，更具有說服力。