乙醇催化氧化反應產物的探究

摘 要： 對乙醇催化氧化實驗進行再改進，證明乙醇催化氧化實驗的產物中含有乙醛、乙酸和二氧化碳。通過該實驗打破了乙醇催化氧化產物只有乙醛的認知，培養了學生“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

關鍵詞： 實驗改進； 乙醇催化氧化反應； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）12007604

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

乙醇催化氧化實驗是高中有機化學的經典實驗之一，現行的幾種版本教材中的實驗方案均為：向試管中加入約2mL無水乙醇，取一根光潔的銅絲繞成螺旋狀，置于酒精燈外焰上加熱，然后伸入無水乙醇中，反復幾次，觀察銅絲的變化，聞一聞液體的氣味［1～3］。有多篇文獻資料指出，教材中乙醇催化氧化實驗通過聞氣味的方法確定反應產物，沒有較強的說服力［4，5］。生成的乙醛易溶解在乙醇之中，難以聞到刺激性氣味；乙醇容易揮發，對揮發出來的乙醛的氣味有干擾；生成乙醛的量較少，很難通過聞氣味的方法判斷是否有乙醛生成，即使聞到了刺激性的氣味，也不能說明產物為乙醛。

在一次乙醇催化氧化實驗教學時，教師讓學生按教材中的實驗方案完成該實驗，完成實驗后讓學生描述該實驗的現象：銅絲由黑色變為紅色，試管中聞到了刺激性的氣味。這時有一位學生提出，在銅絲表面有氣泡產生，會不會是CO2氣體，其依據是：在初中學習過CO還原氧化銅，在CO還原氧化銅的過程中，其反應為CuO+CO△Cu+CO2，在該反應中氧化銅為氧化劑，二氧化碳為氧化產物，根據氧化還原反應的規律，氧化劑的氧化性大于氧化產物，則氧化銅的氧化性大于二氧化碳。因此，從理論上分析可得，乙醇也有可能被氧化銅氧化為二氧化碳。又一個學生提出，紅熱的氧化銅能否將乙醇氧化為乙酸呢？乙酸也有刺激性氣味，所以根據是否有刺激性氣味，無法判斷乙醇氧化的產物一定是乙醛。乙醇催化氧化產物中究竟有沒有CO2和乙酸？這些問題和懸念的提出，激發了學生對該實驗的進一步探究的欲望。為此，我們對教材中乙醇催化氧化實驗進行了再改進，并對其氧化產物的成分進行了探究。

2 文獻中乙醇催化反應產物的檢驗案例簡介

2.1 乙醛的檢驗

劉全興用新制的氫氧化銅懸濁液檢驗乙醛［6］，但該方案操作復雜，反應速率慢，短時間難以觀察到氫氧化銅懸濁液中產生的磚紅色沉淀。伏勁松利用銀氨溶液檢驗乙醛，用無水硫酸銅檢驗生成的水［7］，同樣，改進后的實驗裝置和操作均比較復雜，不利于課堂演示和分組實驗。胡崇安等用酸性高錳酸鉀溶液檢驗產物中的乙醛［8］，由于乙醇易揮發，乙醇蒸氣會干擾乙醛的檢驗，即使高錳酸鉀溶液退色，也不能證明產物中一定存在乙醛。王志美使用堿性K2MnO4溶液檢驗產物中的乙醛［9］，堿性K2MnO4溶液的氧化性較弱，與乙醛反應較慢，在實驗的過程中難以觀察到堿性K2MnO4溶液變為綠色，且堿性條件下錳酸鉀不穩定，自身也可以分解。陳錦等利用希夫試劑檢驗生成的乙醛，雖然檢驗乙醛比較靈敏［10］，但實驗過程中只用酒精燈給試管內的銅絲加熱，乙醇揮發得較慢，銅絲由紅色變為黑色的現象也比較慢。

2.2 乙酸的檢驗

潘虹等人用浸濕的藍色石蕊試紙檢驗產物中的乙酸，將紅熱的銅絲從無水乙醇中取出后，用橡皮圈固定一片浸濕的藍色石蕊試紙，伸進反應后的乙醇液面上方，藍色試紙迅即變紅，證明乙醇催化氧化產物中有乙酸［11］。但該實驗沒有在閉密的體系中完成，生成的乙醛逸出對環境造成污染，同時取出銅絲后，再用藍色石蕊試紙檢驗，體系的溫度降低，生成的乙酸大部分冷凝，藍色石蕊試紙的變色不很明顯。若反應過程中生成了CO2，也可使藍色石蕊試紙變紅，因此無法排除是二氧化碳使藍色石蕊試紙變紅。

2.3 二氧化碳的檢驗

杜文敏、潘虹等人用吸有澄清石灰水的膠頭滴管，伸入到乙醇反應后的液面上方，輕輕擠壓膠頭滴管，讓滴管尖端懸掛一滴石灰水，放松膠頭，再慢慢擠壓膠頭，反復操作2～3次，以此方法檢驗CO2［12，13］。但該操作過程中難以控制膠頭的擠壓程度，操作不當可導致澄清石灰水滴入乙醇溶液中。由于反應中生成的二氧化碳較少，一滴石灰水和CO2的接觸面積小，也難以觀察到澄清石灰水變渾濁的現象。

3 探究乙醇催化氧化產物中的乙醛和乙酸

3.1 實驗用品

希夫試劑、銅絲、無水乙醇、試管、酒精燈、pH試紙、膠頭滴管、棉棒、二氧化碳

3.2 實驗原理

（1） 乙醛的檢驗：希夫試劑（Schiff）又稱品紅亞硫酸試劑，能與醛類物質作用顯紫紅色，與酮作用不顯色，其變色原理如圖1所示［14］。

（2） 乙酸的檢驗：乙酸是一種弱酸，其酸性強于碳酸，其溶液呈酸性，可以使pH試紙變紅。

3.3 實驗步驟

（1） 取一根光潔的銅絲繞成螺旋狀，在離螺旋狀一端5cm處，固定一棉棒頭，在離棉棒頭2～3cm處固定一張pH試紙。在棉棒頭上滴1滴無水乙醇，用希夫試劑將棉棒頭恰好潤濕；再用蒸餾水潤濕pH試紙。將銅絲的上端插入到橡膠塞中，如圖2所示。

（2） 在試管中加入2～3mL無水乙醇，把螺旋狀的銅絲在酒精燈上加熱至紅熱，伸入到盛有無水乙醇的試管中，用橡膠塞塞住試管口，觀察實驗現象。

（3） 再取一張濕潤的pH試紙，將其伸入到盛有純凈的二氧化碳氣體中，與銅絲上端的pH試紙顏色變化進行對比。

3.4 實驗現象及結論

在棉棒頭上滴1滴無水乙醇，然后用希夫試劑將棉棒頭潤濕，棉棒頭沒有明顯的變化，說明所使用的乙醇中沒有乙醛。把銅絲加熱至紅熱后，伸入到無水乙醇中，銅絲表面有大量的氣泡產生，紅熱的銅絲由黑色變為紅色，棉棒頭變為紫紅色，則說明乙醇催化氧化產物中有乙醛產生。銅絲上方的pH試紙變為紅色，其pH約為3，實驗現象如圖3所示。用pH試紙測得伸入到二氧化碳氣體中的pH約為6。

乙醇催化氧化試管中pH小于二氧化碳中的pH。通過以上實驗現象可證明，乙醇催化氧化產物中有乙醛和乙酸。故不能用聞刺激性氣味證明乙醇催化氧化產物中是否有乙醛。

4 探究乙醇催化氧化產物中的二氧化碳

4.1 實驗用品

銅絲、無水乙醇、雙頸燒瓶、酒精燈、膠頭滴管、數字化探究實驗儀器二氧化碳傳感器（江蘇蘇威爾科技有限公司）、電腦

4.2 實驗步驟

（1） 取一根光潔的銅絲繞成螺旋狀，將銅絲的上端插入到橡膠塞中。

（2） 在雙頸燒瓶中加入少許無水乙醇，在右側瓶口插入二氧化碳傳感器，打開數據采集器開關。

（3） 把螺旋狀的銅絲在酒精燈上加熱至紅熱，從中間瓶口將紅熱的銅絲伸入雙頸燒瓶中，用橡膠塞塞住試管口，實驗裝置如圖4所示。觀察實驗現象。

4.3 實驗現象及結論

先把二氧化碳傳感器插入雙頸燒瓶中，打開數據采集器的開關，觀察到二氧化碳的含量保持穩定狀態。當把螺旋狀的銅絲在酒精燈上加熱至紅熱，伸入到盛有無水乙醇的雙頸燒瓶中，觀察到銅絲表面由黑色變為紅色；數據采集器中二氧化碳的含量逐漸增大。通過該實驗現象，證明本乙醇催化氧化實驗的產物中有二氧化碳產生。

5 結語

現行教材中的乙醇催化氧化實驗，讓學生通過聞氣味檢驗乙醛的生成并不科學，同時實驗中產生的乙醛對師生的健康也會造成危害，不利于教師的演示或學生的分組實驗。因此，對乙醇催化氧化實驗的再改進以及產物成分的檢驗，是對現有教材中該實驗的很好的補充。教師在教學中應引導學生深入研究實驗的每一個細節，要多思考，不斷地進行探究與創新，或許會有意外的收獲。

參考文獻：

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［11］［13］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.

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