對乙醇催化氧化實驗的研究與再改進

宋曉鋒

摘? 要：課本中乙醇催化氧化實驗存在諸多不足，鑒于有關(guān)研究現(xiàn)狀，本文對該實驗進行了再改進。改進后的實驗現(xiàn)象明顯，操作簡單、耗時短、綠色環(huán)保且與課本中的實驗方法相比更具有信度，有助于發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：乙醇;催化氧化;實驗改進

一、問題的提出

人教版《化學(xué)必修（第二冊）》第七章第三節(jié)第78頁在《乙醇》一課安排了乙醇的催化氧化實驗，課本中的實驗方案如下：向試管中加入少量無水乙醇，取一根銅絲，下端繞成螺旋狀，在酒精燈上灼燒后插入乙醇，反復(fù)幾次，注意觀察反應(yīng)現(xiàn)象，小心地聞試管中液體產(chǎn)生的氣味。此實驗是學(xué)生認(rèn)知乙醇性質(zhì)的一個重要實驗，同時學(xué)生從實驗中理解反應(yīng)的原理，也可為其后續(xù)學(xué)習(xí)有機化學(xué)知識打下基礎(chǔ)。

然而，按教材的方法進行實驗優(yōu)缺點也很明顯。優(yōu)點：實驗操作相對簡單，也確實能明顯地觀察到銅絲顏色的變化。缺點：乙醛對學(xué)生而言是一種即將學(xué)習(xí)的新物質(zhì)，學(xué)生對乙醛的狀態(tài)氣味也都無任何概念，因此采用聞氣味的方法來說明反應(yīng)后乙醇被氧化成乙醛缺乏可信度，且乙醇也有氣味即使反應(yīng)產(chǎn)生了少量的乙醛溶解在乙醇中，兩者混在一起，學(xué)生也很難分辨。況且，乙醛還帶有一定的毒性，實驗也不利于對學(xué)生進行綠色安全環(huán)保教育。教材的實驗方法未對乙醛進行更為直觀的實驗驗證，也未對實驗的另一種產(chǎn)物水進行實證。

二、問題研究的現(xiàn)狀分析

很多學(xué)者對本實驗進行了改進、探索與研究，為該實驗的開展與進一步研究提供了有價值的借鑒和參考，研究的關(guān)注點主要包含以下兩個方面：

（一）從實驗產(chǎn)物乙醛的檢驗角度

范海花等人為測定產(chǎn)物乙醛與研究小組進行了大量的研究活動，對乙醛進行了定性和定量的檢測，讓學(xué)生經(jīng)歷了定性到定量的研究過程，該探究過程有利于學(xué)生思維的發(fā)展。但該探究過程中用到了希夫試劑，而學(xué)生對希夫試劑并不熟悉，也很難理解其反應(yīng)的原理。且希夫試劑存在不穩(wěn)定、不易保存等缺點，故最好現(xiàn)配現(xiàn)用。此外，該實驗還用到了更為高科技的pH傳感器，然而一般的學(xué)校也無法配備，故無法實現(xiàn)用最簡單的方式來產(chǎn)生最明顯的實驗現(xiàn)象的實驗需求。張婧等人也是采用希夫試劑對產(chǎn)物乙醛進行了檢驗。李勇等用百分之二十的氫氧化鈉溶液與百分之五的硫酸銅溶液反應(yīng)制得絳藍(lán)色的Na2[Cu（OH）4]，并在水浴加熱下對產(chǎn)物乙醛進行了檢驗，短時間內(nèi)就能觀察到實驗現(xiàn)象。這些學(xué)者所研究的實驗關(guān)注點都存在著同樣的問題，即實驗中只注意到了產(chǎn)物乙醛的檢驗，而對于實驗中另一產(chǎn)物水都未能做出相關(guān)驗證。

（二）從實驗一體化角度

劉興全等根據(jù)實驗安全、直觀、簡單、環(huán)保的設(shè)計原則，對該實驗進行了一體化改進，如圖1所示。該實驗對產(chǎn)物乙醛和水均進行了驗證，實驗結(jié)果也更具體而有說服力。但該裝置只用一只酒精燈加熱銅絲，通過其加熱具支試管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到試管底部再使無水乙醇揮發(fā)變蒸汽與銅絲反應(yīng)，實際反應(yīng)的效果值得思考，且用該裝置進行實驗前需將浸有無水乙醇的棉花投入具支試管底部而使整根試管內(nèi)壁都粘有無水乙醇，可能也會影響后續(xù)實驗的進行。

楊毅旭等利用4V形玻璃管對該實驗進行了創(chuàng)新改進，如圖2所示：

該實驗也既檢驗了產(chǎn)物乙醛、又檢驗了產(chǎn)物水，實驗現(xiàn)象明顯，且該實驗全程氣體處在一個封閉系統(tǒng)，還利用高錳酸鉀溶液進行尾氣處理，值得借鑒。但該實驗所使用的4V形管實驗室一般較難獲得，且加料也存在諸多不便，該裝置攜帶及固定也較為不便，通過洗耳球進行鼓氣傳輸氣體的實際實驗效果也還是值得思考，此外檢驗乙醛的試劑依然采用了希夫試劑。

周怡等人利用具支U形管、一次性注射器、干燥管等試驗用具，設(shè)計了乙醇催化氧化實驗及產(chǎn)物驗證的一體化裝置，如圖3所示：

改進后的實驗現(xiàn)象更加明顯，對產(chǎn)物的檢驗也更精確與全面。但實驗的安全性值得商榷，在加熱過的溫度較高的銅粉中直接滴入無水乙醇，很大可能會導(dǎo)致具支U形管底部驟冷而破裂，且實驗過程中利用氣唧鼓氣的頻率也較難控制，也可能會延長反應(yīng)的時間，進而影響實驗的效果。

三、實驗的改進

為了能通過實驗的方法直觀地證明乙醇催化氧化產(chǎn)物確實生成了乙醛和水，也為了能讓學(xué)生對此實驗現(xiàn)象和原理能有更好的體驗和認(rèn)知。在鑒于以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，筆者對上述實驗進行了再改進與研究。

（一）實驗原理

2Cu+O2 [=][△] 2CuO

C2H5OH+CuO [△]CH3CHO+H2O+Cu

2CH3CH2OH+O2 [Cu] [△] 2CH3CHO+2H2O（總）

CuSO4+5H2O [=] CuSO4·5H2O

2CH3CHO+Cu（OH）2+NaOH [△]CH3COONa+Cu2O↓+3H2O

（二）實驗用品

1. 儀器：雅美娜牌小型制氧機、酒精燈、雙孔玻璃管（長30cm、直徑2.5cm）、10ml注射器、橡皮塞、鐵架臺、止水夾、玻璃導(dǎo)管、小木塊、試管、脫脂棉

2. 藥品：2%的CuSO4溶液、10%的NaOH溶液、無水CuSO4粉末、銅絲、無水乙醇

（三）實驗裝置圖

實驗裝置如圖4所示：

實驗裝置圖說明：

按上圖4所示組裝好實驗裝置。雙孔玻璃管左側(cè)連有10mL注射器（內(nèi)裝無水乙醇），雙孔玻璃管內(nèi)從左到右依次裝有脫脂棉、螺旋狀銅絲（長度約為2.5cm）、粘有無水硫酸銅粉末的脫脂棉，雙孔玻璃管右側(cè)連接的雙孔橡皮塞下導(dǎo)管伸入裝有新制氫氧化銅懸濁液的試管中，上導(dǎo)管用橡膠管（橡膠管上裝有止水夾）與小型制氧機的氧氣出口相連接。

（四）實驗步驟、現(xiàn)象及分析

1. 打開小型制氧機，調(diào)節(jié)氧氣的通入速度，10s后用酒精燈加熱銅絲，會觀察到銅絲慢慢由紅變黑，如圖5所示。

2. 關(guān)閉制氧機和止水夾，停止氧氣通入。將注射器中的無水乙醇擠入脫脂棉中，并加熱脫脂棉，使乙醇蒸氣受熱揮發(fā)，1.5分鐘后會觀察到銅絲由黑色又變?yōu)榧t色，如圖6所示。可反復(fù)進行上述操作，銅絲出現(xiàn)由紅→黑→紅的重復(fù)實驗現(xiàn)象。且右側(cè)白色的無水CuSO4粉末逐漸變成了淡藍(lán)色，證實反應(yīng)中有水生成，而無水CuSO4也吸收了反應(yīng)中產(chǎn)生的水，變成了CuSO4·5H2O（藍(lán)色），如圖7所示：

3. 在停止反應(yīng)后，先取下那支盛有新制氫氧化銅懸濁液的試管并加熱到沸騰，可看到試管內(nèi)產(chǎn)生磚紅色懸濁液，即有Cu2O生成，證明實驗產(chǎn)物中有乙醛，如圖8所示：

注：在學(xué)習(xí)本課前學(xué)生并未學(xué)習(xí)過乙醛的相關(guān)性質(zhì)，即與氫氧化銅懸濁液等的反應(yīng)。在此，可以先簡單地向?qū)W生做醛類物質(zhì)檢驗方法的介紹，同時也可聯(lián)系生物課中學(xué)過的用斐林試劑來檢驗葡糖等還原性單糖的知識，來加深對該反應(yīng)的理解，這樣也可為后續(xù)乙醛、葡萄糖性質(zhì)的學(xué)習(xí)做鋪墊。

4. 對比實驗：另取兩支試管，加入與上述實驗一致的新制的氫氧化銅懸濁液。向左側(cè)試管中滴加少許無水乙醇并用小型制氧機通入一定量的氧氣后，加熱到沸騰。向右側(cè)試管中通入一定量的氧氣后，也加熱到沸騰。現(xiàn)象如圖9所示，但均無磚紅色沉淀生成，這就可進一步證實與新制的氫氧化銅懸濁液反應(yīng)的物質(zhì)是乙醛。

四、實驗評價

1. 改進后的實驗操作安全簡單、現(xiàn)象非常明顯，且在短時間內(nèi)就能完成所有的實驗操作，方便課堂教學(xué)演示使用或?qū)W生分組實驗使用。

2. 改進后的實驗不但能更有效地檢測乙醛和水，同時還能使學(xué)生更加直觀地體會到銅作為催化劑的反應(yīng)原理，這樣可以增進學(xué)生對抽象的乙醇催化氧化反應(yīng)機理的認(rèn)識，從而促進了學(xué)生對乙醇性質(zhì)的認(rèn)知，并能為學(xué)生后續(xù)的有機化學(xué)學(xué)習(xí)打下較好的基礎(chǔ)。

3. 該改進實驗在實驗過程中能將產(chǎn)物全部排入新制的氫氧化銅懸濁液中，與教材的敞口試管相比，可以有效地減少毒害氣體的排放，符合綠色環(huán)保的理念，有利于學(xué)生環(huán)保意識的培養(yǎng)。

4.該改進實驗不但可以使學(xué)生體會實驗創(chuàng)新的魅力，并發(fā)現(xiàn)實踐與探索的快樂，還可以讓學(xué)生在實驗中掌握化學(xué)知識，并引發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)化學(xué)的濃厚興趣，從而實現(xiàn)對學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

五、實驗改進的思考

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，而化學(xué)實驗對于培養(yǎng)學(xué)生良好的基礎(chǔ)素養(yǎng)、基本實驗技術(shù)、操作能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等都有著重大的意義。化學(xué)實驗教育貫穿于中學(xué)化學(xué)課程的始終，教師通過對化學(xué)實驗的改進不但能夠更有效地解決教師教學(xué)中原有實驗的各項缺陷，同時也能夠提高教師的教學(xué)水平和整體的教學(xué)質(zhì)量，最重要的是在此教學(xué)實踐過程中能夠有效地調(diào)動學(xué)生對學(xué)習(xí)的濃厚興趣、使學(xué)生感受科研探究的整個流程、拓寬學(xué)生的知識面，進而使學(xué)生的高階思維得到發(fā)展，并帶動學(xué)生核心素養(yǎng)的整體提高。其實，許多實驗問題在我們沒有親自做過以前都很容易出錯，所以在改進實驗時不但要找出原來實驗中出現(xiàn)問題的處理方式，還應(yīng)該把實驗改進與實際教學(xué)聯(lián)系在一起，回到課程的本原上，即在不破壞原有教材實驗的教育功能和內(nèi)涵價值的前提下，讓其以更為優(yōu)化的方式出現(xiàn)，以便于真正實現(xiàn)化學(xué)實驗的教育功能，從而更好的服務(wù)于化學(xué)教育。

對于本課題，筆者也只是研究到了論文所寫的理論深度，在今后的教研工作中筆者仍會不斷學(xué)習(xí)新理論、不斷進行實驗改進，希望可以研究出更多更好的實驗，并同時把實驗改進運用到課堂教學(xué)實際中，實現(xiàn)其真正的價值。

（責(zé)任編輯：鄒宇銘）

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