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(chǔ)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(yōu)化實驗，對其冷凝方式和加熱儀器也進行了改進。

關(guān)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(yīng)是人教版必修二第三章第三節(jié)“生活中兩種常見的有機物”中的重要內(nèi)容[1]。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時，能對反應(yīng)現(xiàn)象和產(chǎn)物有更直觀的觀察和認知，在進行這部分內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計之初，筆者就查閱了大量有關(guān)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(xué)教學(xué)》2014年第10期上發(fā)表的“乙醇催化氧化反應(yīng)實驗的再改進”的文章[2]引人關(guān)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(yīng)有水生成。（2）減少乙醇用量，利用熾熱銅絲接觸少量乙醇產(chǎn)生的乙醇蒸氣在銅絲表面發(fā)生反應(yīng)，使產(chǎn)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(xué)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(qū)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(fù)多次實驗。經(jīng)歷了不斷地遇到問題、探究問題、解決問題及實驗的優(yōu)化改進等過程后，更加深了對該實驗的理解，現(xiàn)將實驗過程中出現(xiàn)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(fā)皿加入CuSO4·5H2O，直接在酒精燈上加熱。加熱一段時間后，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生了刺激性的氣味。查閱相關(guān)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(diào)整：為了降低蒸發(fā)皿的受熱溫度，先加上石棉網(wǎng)，再將蒸發(fā)皿放在石棉網(wǎng)上進行加熱（如圖2所示）。為了防止蒸發(fā)皿底部的CuSO4·5H2O分解產(chǎn)生水時結(jié)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(xiàn)象，估計是因為水的產(chǎn)生量過少，才導(dǎo)致了這一現(xiàn)象不明顯。實驗中的水是由乙醇與氧化銅發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的，如果在反應(yīng)時能提高乙醇與氧化銅的接觸面積，可能會增加水的產(chǎn)生量。接下來在具體操作中，從增加銅絲匝數(shù)和選擇不同粗細的銅絲展開了實驗。

通過多次對比實驗，發(fā)現(xiàn)利用物理電學(xué)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(jīng)過了3次重復(fù)實驗后，無水CuSO4外圍終于出現(xiàn)了明顯的變藍現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fù)的實驗探究，終于較為明顯地做出了文中描述的實驗現(xiàn)象[7]。具體現(xiàn)象如下：銅絲自下而上迅速由黑變?yōu)榧t色，經(jīng)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(xiàn)少量藍色（若想得到更為明顯的實驗對比效果，則需要重復(fù)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(xiàn)的問題

由于一味地尋求增加水的產(chǎn)生量，將銅絲匝數(shù)增加得比較多，因此產(chǎn)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(yīng)也是放熱反應(yīng)，兩方面溫度因素疊加，導(dǎo)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(qū)域，阻礙了水與無水CuSO4的結(jié)合。甚至在好幾次實驗過程中，還出現(xiàn)了由于試管內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)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(nèi)溫度降低，由于進行的是空氣中的熱交換，因而導(dǎo)致實驗等待時間過長，影響了教學(xué)任務(wù)的完成，在課堂教學(xué)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(yīng)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(fā)現(xiàn)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(xué)生觀察實驗現(xiàn)象。進一步思考意識到，這個問題的實質(zhì)就是如何快速將反應(yīng)中產(chǎn)生的水冷凝，與無水CuSO4結(jié)合生成CuSO4·5H2O。按照常規(guī)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(huán)境。受此啟發(fā)，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(chǎn)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(fù)進行，學(xué)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(nèi)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(yīng)前溫度就開始下降，直接影響了該反應(yīng)的進程，甚至有好幾次實驗由于溫度較低，出現(xiàn)了反應(yīng)幾乎不能發(fā)生的情況。一邊是需要高溫促進反應(yīng)的發(fā)生，一邊又需要在反應(yīng)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(yīng)的溫度，通過實際操作發(fā)現(xiàn)使用三芯酒精燈加熱銅絲進行后續(xù)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(xué)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(yīng)實驗的再改進[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（10）：50～51.

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