乙醇催化氧化改進實驗的再探究

周盛

摘要：為完善教材中乙醇催化氧化的實驗方法，在對一種改進方法實踐的基礎上，探究了實驗中無水CuSO4的制備、催化劑銅絲的選擇、乙醇與無水CuSO4的最佳加入量等問題。同時為了優化實驗，對其冷凝方式和加熱儀器也進行了改進。

關鍵詞：乙醇催化氧化；無水CuSO4制備；冷凝方式；加熱儀器；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）3–0077–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

乙醇的催化氧化反應是人教版必修二第三章第三節“生活中兩種常見的有機物”中的重要內容[1]。為了讓學生在學習這一部分內容時，能對反應現象和產物有更直觀的觀察和認知，在進行這部分內容的教學設計之初，筆者就查閱了大量有關該實驗的文章，了解了很多乙醇催化氧化的實驗方法。其中一篇在《化學教學》2014年第10期上發表的“乙醇催化氧化反應實驗的再改進”的文章[2]引人關注，該文主要圍繞以下三點對教材實驗進行了改進：（1）使用無水CuSO4，利用白色無水CuSO4遇水變藍的特性，說明反應有水生成。（2）減少乙醇用量，利用熾熱銅絲接觸少量乙醇產生的乙醇蒸氣在銅絲表面發生反應，使產生的刺激性氣味更加明顯。（3）使用橡皮塞塞住試管，減少了生成物逸出[3]。文中裝置如圖1所示。

認真閱讀分析后認為：上述的實驗改進方法很好，若將其運用到實際教學中，將能有效地完善教材中演示實驗方法的不足。

在這一動機的驅動下，對該文所提的實驗方法進行了實踐。按照文章中所描述的實驗過程，為了能達到該實驗的最佳效果，進行了反復多次實驗。經歷了不斷地遇到問題、探究問題、解決問題及實驗的優化改進等過程后，更加深了對該實驗的理解，現將實驗過程中出現的問題及一些具體做法描述如下。

1 無水CuSO4的制備

實驗中需要利用CuSO4·5H2O加熱制取白色無水CuSO4。實驗之初，用蒸發皿加入CuSO4·5H2O，直接在酒精燈上加熱。加熱一段時間后，發現得到的無水CuSO4顏色并不是像我們平時熟知的白色，而是有一些偏灰色，并且在加熱的過程中，還產生了刺激性的氣味。查閱相關資料，得知CuSO4·5H2O加熱至650℃時，可分解為CuO和SO3氣體。了解了這個原因后，再次實驗時，對之前的制取方法做了一些調整：為了降低蒸發皿的受熱溫度，先加上石棉網，再將蒸發皿放在石棉網上進行加熱（如圖2所示）。為了防止蒸發皿底部的CuSO4·5H2O分解產生水時結塊，確保所有的CuSO4·5H2O能夠均勻地受熱分解，在加熱過程中，還要用玻璃棒不停地進行攪拌，通過這樣處理后，基本上得到了白色的無水CuSO4。

2 催化劑銅絲的選取

由于多次實驗均未得到文章中所描述的無水CuSO4明顯變藍的現象，估計是因為水的產生量過少，才導致了這一現象不明顯。實驗中的水是由乙醇與氧化銅發生氧化還原反應產生的，如果在反應時能提高乙醇與氧化銅的接觸面積，可能會增加水的產生量。接下來在具體操作中，從增加銅絲匝數和選擇不同粗細的銅絲展開了實驗。

通過多次對比實驗，發現利用物理電學實驗中使用的漆包線效果最好。將其綁在一根帶橡皮塞的鐵絲上，螺旋纏繞到大約7cm長，再依次按照文章中描述的方法進行實驗，經過了3次重復實驗后，無水CuSO4外圍終于出現了明顯的變藍現象。需要注意的是，在使用漆包線做實驗時，由于其外層有絕緣漆，在進行實驗前需加熱燃燒除盡。

3 乙醇與無水CuSO4的最佳加入量

在多次的實驗摸索中，發現無水CuSO4加入量為1小藥匙（大約1克），剛好覆蓋住試管的底部[5]，乙醇的使用量如作者所描述，以10滴（0.5mL）為宜[6]。在滴加過程中，將乙醇盡量滴至試管底部無水CuSO4的中心位置，保持周邊無水CuSO4干燥，當冷凝水沿試管壁流向試管底部時，周邊無水CuSO4變藍與中間白色的CuSO4能夠形成強烈的對比效果。

按照該文的實驗改進方法，通過反復的實驗探究，終于較為明顯地做出了文中描述的實驗現象[7]。具體現象如下：銅絲自下而上迅速由黑變為紅色，經過一段時間，試管溫度降低，有液體冷凝回流至試管底部，底部白色的無水CuSO4邊緣出現少量藍色（若想得到更為明顯的實驗對比效果，則需要重復實驗2～3次），打開橡皮塞，聞到了較為明顯的刺激性氣味。

4 實驗的再改進

4.1 出現的問題

由于一味地尋求增加水的產生量，將銅絲匝數增加得比較多，因此產生了一些負面影響。銅絲量過大，加熱時銅絲溫度過高，加之該反應也是放熱反應，兩方面溫度因素疊加，導致試管底部溫度過高，使無水CuSO4和生成的水之間形成了一個高溫區域，阻礙了水與無水CuSO4的結合。甚至在好幾次實驗過程中，還出現了由于試管內部溫度過高，導致氣體壓強過大，將螺旋狀銅絲上的橡皮塞沖出試管的情況。在實驗中為了觀察無水CuSO4變藍，需要等試管內溫度降低，由于進行的是空氣中的熱交換，因而導致實驗等待時間過長，影響了教學任務的完成，在課堂教學的運用上存在一定的困難。

4.2 問題的處理

如何迅速地將反應后的試管溫度降下來，從而縮短實驗時間，就成為亟待解決的問題。一開始筆者用冷毛巾包裹在試管的上方，發現起到了一點作用，但效果不太好，而且由于毛巾的遮擋，不利于學生觀察實驗現象。進一步思考意識到，這個問題的實質就是如何快速將反應中產生的水冷凝，與無水CuSO4結合生成CuSO4·5H2O。按照常規冷凝方法思考，一是利用空氣冷凝，顯然效果不好；二是采用水冷凝管的冷凝原理，在熱的氣體周圍營造一個冷水環境。受此啟發，采用了將試管放入一個裝滿水的平底燒瓶中，再插入熾熱銅絲的方法（裝置如圖3所示）。這個方法使用后，產生了非常明顯的冷凝效果，實驗時間明顯縮短，且不需要多次反復進行，學生甚至可以看到試管壁上有水滴流下，試管底部的白色無水CuSO4迅速變藍，試管內的乙醛氣味也相當明顯。

4.3 問題的再完善

隨著冷凝效果的提升，問題又隨之而來。由于冷凝過快，本身利用酒精燈加熱的銅絲在未參與反應前溫度就開始下降，直接影響了該反應的進程，甚至有好幾次實驗由于溫度較低，出現了反應幾乎不能發生的情況。一邊是需要高溫促進反應的發生，一邊又需要在反應進行后迅速冷凝降低溫度，這確實是一件非常矛盾的事情。如何在二者之間尋求一個平衡？一個偶然的機會，看到一位老師做的實驗使用了三芯酒精燈來提高反應的溫度，通過實際操作發現使用三芯酒精燈加熱銅絲進行后續實驗，不但加快了銅絲的加熱速度，還能夠有效地克服冷凝帶來的負面影響，確保了實驗開始所需溫度，使實驗的成功率和實驗效果得到了進一步的提升。

參考文獻：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學2[M].北京：人民教育出版社，2007：74～75.

[2][3][4][6][7]宋志貴.乙醇催化氧化反應實驗的再改進[J].化學教學，2014，（10）：50～51.

[5]潘虹，杜文敏，朱華英，劉懷樂.乙醇氧化反應實驗的再認識[J].化學教學，2016，（5）：58～60.