基于數字化實驗對乙醇催化氧化實驗改進的研究

劉睿琪

摘要：對乙醇的催化氧化實驗進行改進：一是控制銅絲與反應物的距離，使銅絲持續紅熱以強調銅絲的催化作用；二是利用傳感器及實時測定實驗中銅絲附近氧氣含量的變化和反應容器中水蒸氣含量的變化。幫助學生基于客觀實驗事實構建乙醇被氧化成乙醛的理解。

關鍵詞：實驗改進；乙醇催化氧化

文章編號：1008-0546（2022）12x-0096-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.024

一、問題的提出

“乙醇的催化氧化”作為新人教版化學必修第二冊的重要實驗，承載的不僅僅是乙醇的還原性的知識載體功能，更多的是培養學生基于實驗現象，對有機化學中基于碳骨架和官能團認識物質性質的實驗探究能力。

教材實驗通過多次循環觀察銅在空氣中氧化成氧化銅，氧化銅與乙醇反應2CH3CH2OH+O2-△→2CH3CHO+2H2O，判斷乙醇與氧氣反應，盡管能夠讓學生理解催化劑的反應原理，但重復多次的操作不利于學生理解“真實情境”下催化劑銅在乙醇和氧氣反應中的催化作用和效率。尤為不足的是，沒有通過實驗現象判斷反應物氧氣的參與以及水的生成，導致實驗后方程式的呈現沒有足夠“實驗現象”支撐。

二、問題的解決

為此，對教材實驗進行以下改進。一是控制銅絲與反應物的距離，使銅絲持續紅熱以強調銅絲的催化作用；二是利用傳感器在實驗過程中實時測定銅附近氧氣含量的變化，以及容器內空氣中水蒸氣含量的變化，旨在呈現出定性到相對定量的變化。幫助學生基于客觀實驗現象確定反應物和生成物從而完成對反應的認識和反應化學方程式的書寫。

筆者設計的“乙醇的催化氧化改進實驗”裝置圖如圖1所示。

具體實驗步驟與現象為：

第一步：組裝實驗裝置，調試好傳感器、數據采集器和電腦。

第二步：在一支20mL試管中加入約10 mL無水乙醇。點燃酒精燈，用試管夾取裝有無水乙醇的試管。取準備好的銅絲將螺旋狀的下端在酒精燈上灼燒（變黑）后，插入無水乙醇液面下（變紅），重復一次。將銅絲擱置好，熄滅酒精燈。

第三步：將試管內含有大量乙醇的液體緩慢倒入500 mL燒杯中。點燃酒精燈，再將銅絲下端在酒精燈上灼燒至紅熱后，馬上將銅絲插入燒杯中，調整螺旋狀銅絲，與兩個傳感器以及燒杯的內壁都保持一定的距離。此時銅絲持續保持紅熱（見圖2）。

第四步：觀察與數據采集器連接的電腦屏幕，發現氧氣含量持續降低，說明氧氣作為反應物在不斷減少（見圖3）；濕度不斷增大，表明生成物有水（見圖4）。

第五步：待氧氣濃度降低到一定程度反應停止后，取出銅絲，用扇聞法小心地聞燒杯中液體產生的氣味（有刺激性氣味）。

三、說明與反思

為保證安全，自制裝置沒有“絕對密封”。但傳感器測定的是螺旋狀銅絲附近區域的數值，具有一定的可信度，特別是濕度在測試的243秒時間內從77. 14%增大到82.86%，起始的77. 14%就是空氣的濕度，足以表明實驗有水蒸氣生成。同時，反應進行到2 min 55 s時氧氣的含量從起始19.62%降到最低6.13%，氧氣太少導致銅絲不再紅熱（停止反應），外面空氣滲入（沒有“絕對密封”），含氧量逐漸增大。但溫度不夠，反應不能再進行。所以含氧量的測定也具有可信度。

實驗操作過程中，傾倒液體時要注意液體不要與傳感器接觸；銅絲放人到燒杯中后要調整螺旋狀銅絲與傳感器和燒杯內壁的距離，以免高溫對裝置造成損壞。

為確保實驗成功，最后一次螺旋狀銅絲在酒精燈上加熱時間長一點，直到看到有紅熱出現再插入燒杯中，否則有可能看不到理想的實驗現象。

實驗用品（硬紙、廢光盤）易得，組裝的裝置可多次使用，操作簡單方便，成功率高。

實驗結束后，反應裝置中燒杯內壁有液滴的思考、熱的氧化銅插入裝有乙醇試管上端時的現象等引發的關于乙醇揮發性、反應熱效應的問題思考，是引導學生通過實驗現象發現問題、解決問題的重要途徑，可以幫助學生基于客觀實驗事實構建對乙醇被氧化成乙醛的理解。