實(shí)驗(yàn)研究觀察—思考—創(chuàng)新

高晶+劉開勝

在人教版《必修2》教材中，乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)掌握乙醇性質(zhì)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。

課本中的實(shí)驗(yàn)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(fù)幾次。注意觀察反應(yīng)現(xiàn)象，小心聞試管中液體產(chǎn)生的氣味?！边@種方法盡管簡單易操作但是要使用更多的乙醇，產(chǎn)物的檢測也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。同時(shí)，學(xué)生的注意力往往集中于銅的變化而忽略該反應(yīng)的主角——乙醇。

關(guān)于乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)文獻(xiàn)多有報(bào)道。其中改進(jìn)的策略主要集中在：

（1）實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)，如采用彎型玻璃試管作反應(yīng)器，在三頸瓶中發(fā)生反應(yīng)，采用電熱絲加熱等。

（2）產(chǎn)物的檢驗(yàn)，多采用定性的檢測方法如席夫試劑銀鏡反應(yīng)等來代替通過聞乙醛氣味，使實(shí)驗(yàn)更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

（3）進(jìn)料方式設(shè)計(jì)，可采用蘸有酒精的棉花團(tuán)加熱，用滴管滴加或用注射器輔助等方法。這些改進(jìn)都一定程度地節(jié)省了乙醇藥品的使用增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和科學(xué)性。

一、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.改進(jìn)思路

本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)從經(jīng)典教材中的實(shí)驗(yàn)出發(fā)按照教材學(xué)生進(jìn)行分組試驗(yàn)操作。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一個有意思的現(xiàn)象：在加熱螺旋銅絲時(shí)，當(dāng)銅絲變黑之后，靠近酒精燈焰芯時(shí)銅絲轉(zhuǎn)化為紅色，靠近外焰加熱時(shí)又轉(zhuǎn)化成黑色。這個現(xiàn)象引起學(xué)生很大的興趣，也引發(fā)學(xué)生思考：為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，經(jīng)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(yīng)原料。這一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)和思考為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)提供了最初的靈感。

2.改進(jìn)過程

本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要集中在通過巧妙的設(shè)計(jì)并自制玻璃彎管，將酒精燈的酒精蒸汽引出作為反應(yīng)底物，在帶有催化劑（銅絲）的玻璃彎管中發(fā)生催化氧化反應(yīng)，將產(chǎn)物導(dǎo)入銀氨溶液中通過銀鏡反應(yīng)檢驗(yàn)乙醇被氧化的產(chǎn)物。

二、結(jié)果與討論

1.實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新

自制玻璃彎管反應(yīng)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(dǎo)管接尖嘴玻璃導(dǎo)管。玻璃彎管的另一端稍擴(kuò)口。

2.實(shí)驗(yàn)過程創(chuàng)新

（1）將尖嘴玻璃導(dǎo)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(jìn)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(yù)熱裝有銅絲的45°角玻璃彎管反應(yīng)器。

（3）玻璃彎管口轉(zhuǎn)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?yōu)楹谏?/p>

（4）轉(zhuǎn)動玻璃管的方向，將彎管擴(kuò)口置于酒精燈焰芯處。使乙醇蒸汽從酒精燈焰心引出進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)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(xiàn)紅色。

這樣使氧氣和乙醇蒸汽交替進(jìn)入反應(yīng)器，發(fā)生催化循環(huán)。

（5）重復(fù)步驟（3）（4）幾次，使乙醇和空氣交替進(jìn)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(dǎo)管插入銀氨溶液，用洗耳球?qū)⒉ＡЧ軆?nèi)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(xì)觀察試管中出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)的核心是巧妙設(shè)計(jì)45°角玻璃彎管這一簡單易操作的儀器。在制作過程中預(yù)先把曲成彈簧狀的銅絲置于玻璃管內(nèi)，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(shí)可以使酒精燈外焰加熱銅絲。角度過大或過小對實(shí)驗(yàn)都是不利的。同時(shí)應(yīng)該注意，在氧化銅與乙醇發(fā)生反應(yīng)時(shí)反應(yīng)體系不能離開酒精燈。保證在持續(xù)穩(wěn)定的加熱條件下反應(yīng)對實(shí)驗(yàn)成功是必要的。

三、評價(jià)與反思

本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)靈感來自于教材實(shí)驗(yàn)的操作。在實(shí)驗(yàn)操作過程中發(fā)現(xiàn)銅絲在酒精燈外焰和焰芯加熱的有趣現(xiàn)象。通過認(rèn)真思考分析，設(shè)計(jì)將酒精燈中的乙醇引出作為反應(yīng)原料。怎樣能利用酒精燈提供原料的同時(shí)又能加熱銅絲發(fā)生反應(yīng)實(shí)現(xiàn)酒精燈的多種用途是改進(jìn)研究的瓶頸，直到巧妙設(shè)計(jì)了45°角的玻璃彎管反應(yīng)器這一問題才得以突破。采用酒精燈氣化的酒精做反應(yīng)物，熱的酒精蒸汽能順利進(jìn)入反應(yīng)器發(fā)生反應(yīng)。這樣簡化了操作而且節(jié)省乙醇藥品，實(shí)驗(yàn)結(jié)束沒有任何浪費(fèi)的乙醇，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念。

教材中采用聞乙醛氣味的方式認(rèn)識反應(yīng)產(chǎn)物是通乙醛的物理性質(zhì)來辨別。這樣雖然簡單方便，但是怎樣知道產(chǎn)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(fā)較少，不易察覺而被忽略。這樣，通過教學(xué)實(shí)際情況反饋整個實(shí)驗(yàn)中學(xué)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(yīng)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)發(fā)生偏離。所以改進(jìn)中，將檢驗(yàn)乙醛的化學(xué)性質(zhì)代替物理性質(zhì)，將檢測產(chǎn)物的方式改成現(xiàn)象明顯的銀鏡反應(yīng)。

經(jīng)過改進(jìn)后的乙醛催化氧化實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能整體把握實(shí)驗(yàn)的原理，更明確反應(yīng)物和產(chǎn)物，而不是僅僅關(guān)注銅絲的顏色變化，使實(shí)驗(yàn)更嚴(yán)密，更據(jù)科學(xué)性，更具有說服力。