借助兩個(gè)注射器改進(jìn)乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)

陳錦 李德前 石磊

摘要： 在教材試管實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用“主體附加法”，通過(guò)增加兩個(gè)注射器對(duì)乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，具有較好的科學(xué)性、簡(jiǎn)約性、環(huán)保性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 乙醇催化氧化； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 一體化設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2023）05006303

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

乙醇的催化氧化反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)教科書(shū)中經(jīng)典的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，人教版、魯科版和蘇教版等高中化學(xué)教科書(shū)對(duì)此實(shí)驗(yàn)均有所涉及（裝置見(jiàn)圖1［1］）。教科書(shū)上該實(shí)驗(yàn)是在試管中進(jìn)行的，通過(guò)將表面燒黑的細(xì)銅絲趁熱反復(fù)插入50℃的無(wú)水乙醇中，引導(dǎo)學(xué)生觀察銅絲顏色的改變，并感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程中乙醇?xì)馕兜淖兓?/p>

客觀地說(shuō)，上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中銅絲顏色的變化（由黑變紅）還是很明顯的，而對(duì)乙醛氣味的感受則是不明確的（因?yàn)閷W(xué)生根本不知道乙醛有何特殊氣味），也是不明顯的（因?yàn)榉磻?yīng)生成的乙醛偏少，而且乙醇揮發(fā)出來(lái)的刺激性氣味沖淡了乙醛的氣味），因此僅通過(guò)聞氣味來(lái)識(shí)別乙醛的方法是值得商榷的。另外，揮發(fā)出來(lái)的乙醛作為有毒氣體，通過(guò)學(xué)生的嗅覺(jué)器官檢驗(yàn)，以及在敞口的試管里做此實(shí)驗(yàn)，也不符合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全性和環(huán)保性要求。

1 已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的評(píng)述

查閱中國(guó)知網(wǎng)等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)不難發(fā)現(xiàn)，不少化學(xué)教師對(duì)乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，有關(guān)改進(jìn)的思路主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

1.1 提高氧氣濃度

教科書(shū)上乙醇氧化實(shí)驗(yàn)的氧氣來(lái)自于空氣，黃秋玲等老師改變了供氧方式，直接為乙醇的氧化提供氧氣，因而增加了雙氧水分解制氧氣的氣體發(fā)生裝置［2］。有了充足的氧氣，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，也使得實(shí)驗(yàn)?zāi)苤貜?fù)進(jìn)行。但是增加了制備氧氣，實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)操作因此變得相對(duì)復(fù)雜，也容易分散學(xué)生的注意力。

1.2 優(yōu)化產(chǎn)物檢驗(yàn)

劉興全等老師設(shè)計(jì)用無(wú)水硫酸銅和新制的氫氧化銅懸濁液，分別檢驗(yàn)氧化產(chǎn)物水和乙醛［3］。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)新制氫氧化銅懸濁液中出現(xiàn)磚紅色沉淀，說(shuō)明反應(yīng)生成了醛類物質(zhì)；通過(guò)無(wú)水硫酸銅粉末由白色變?yōu)樗{(lán)色，說(shuō)明反應(yīng)生成了水蒸氣。這樣檢驗(yàn)乙醛，比單純聞氣味的方法說(shuō)服力更強(qiáng)，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的水蒸氣很難證明是氧化產(chǎn)物，因?yàn)樗部赡苁菤溲趸~懸濁液產(chǎn)生的。

1.3 簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)方案

張婧等老師在一端封閉的硬質(zhì)玻璃管中依次放入浸有無(wú)水乙醇的脫脂棉、銅片、浸有希夫試劑的脫脂棉、浸有高錳酸鉀稀溶液的脫脂棉［4］。這樣的設(shè)計(jì)裝置簡(jiǎn)單、操作方便，但由于實(shí)驗(yàn)體系沒(méi)有完全封閉，氧化產(chǎn)物（乙醛）極易逸散到空氣中，因而希夫試劑的顏色變化不夠明顯，酸性高錳酸鉀稀溶液棉團(tuán)只有少許褪色，難以完全吸收尾氣。

1.4 增強(qiáng)趣味性

肖修鋒等老師直接在圓形的凹狀的銅片表面進(jìn)行乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)，先將銅片加熱至紅熱、發(fā)黑，然后向銅片表面滴加無(wú)水乙醇，液滴滾過(guò)的區(qū)域，銅片再次變?yōu)榧t色，他們形象地稱之為“滴醇生花”［5］。李婷婷等老師用吸有無(wú)水乙醇的膠頭滴管，在灼熱的黑色銅片表面寫(xiě)下諸如“CuO”“Cu”“氧化”等字樣，銅片上立即呈現(xiàn)清晰的紅色字跡［6］。這樣設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)潔、直觀、有趣，重復(fù)性好，視覺(jué)沖擊力強(qiáng)，但是生成的乙醛會(huì)擴(kuò)散到空氣中污染環(huán)境。

1.5 裝置一體化

韓學(xué)忠老師的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案涉及四個(gè)連續(xù)裝置，即乙醇蒸氣發(fā)生裝置、乙醇催化氧化裝置、乙醛的吸收與檢驗(yàn)裝置、尾氣處理裝置［7］，因而該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了一體化思想。但是，由于實(shí)驗(yàn)所需的氧氣不能持續(xù)提供，導(dǎo)致該集成化裝置不能重復(fù)演示，這顯然降低了該實(shí)驗(yàn)裝置的使用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)雖然還有不足之處，但其提高氧氣濃度、優(yōu)化產(chǎn)物檢驗(yàn)、進(jìn)行綠色化設(shè)計(jì)、重復(fù)實(shí)驗(yàn)演示等創(chuàng)意，為我們后續(xù)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新工作提供了有益的啟發(fā)?？紤]到學(xué)生剛接觸乙醇催化氧化反應(yīng)，因此不宜對(duì)課本原實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行顛覆式的改進(jìn)［8］，否則不利于學(xué)生思維的有效銜接，也有悖于最近發(fā)展區(qū)的教學(xué)理念。

我們對(duì)乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)思路是：以教科書(shū)中的試管實(shí)驗(yàn)為主體，運(yùn)用“主體附加法”［9］，增加兩個(gè)帶有單向閥的注射器（一個(gè)注射器里盛裝氧氣，另一個(gè)注射器里盛裝希夫試劑），以此形成的一體化裝置達(dá)到了簡(jiǎn)約、直觀、環(huán)保的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

銅絲（長(zhǎng)約35cm、直徑約1mm），無(wú)水乙醇，氧氣，希夫試劑等；50mL注射器，18mm×180mm具支試管（石英材質(zhì)），雙孔橡皮塞（兩個(gè)孔的孔徑分別與注射器吸入口、銅絲直徑相匹配），細(xì)導(dǎo)管，酒精燈，單向閥，鐵架臺(tái)，砂紙等

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示（夾持儀器略）。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 準(zhǔn)備一根長(zhǎng)約35cm、直徑約1mm的銅絲，用砂紙打磨其表面（既除去氧化膜又使銅絲表面凹凸不平），再將其一端繞成螺旋狀（繞有10圈左右，使螺旋狀部分長(zhǎng)約3cm左右）。

（2） 在銅絲的直端涂抹少許黃油（或植物油），然后從雙孔橡皮塞的反面將銅絲插入橡皮塞的小孔中，并使銅絲可以自由地上下移動(dòng)。

（3） 準(zhǔn)備兩個(gè)50mL注射器（分別標(biāo)識(shí)為A、 B），在注射器A的針筒里吸入50mL氧氣（該注射器吸入口接有單向閥［10］，使得注射器活塞只能向前移動(dòng)、不能向后移動(dòng)），在注射器B的針筒里吸入20mL希夫試劑（該注射器吸入口也接有單向閥，使得注射器活塞只能向后移動(dòng)、不能向前移動(dòng)）。

（4） 準(zhǔn)備一支18mm×180mm的具支試管，在其中注入約15mL無(wú)水乙醇。

（5） 按圖2所示連接實(shí)驗(yàn)裝置（注射器B暫不接入），然后先推動(dòng)注射器A的活塞向試管里通入20mL的氧氣（使銅絲浸沒(méi)在富氧空氣中），再接上注射器B（要確保裝置氣密性良好）。

（6） 點(diǎn)燃酒精燈，從試管外對(duì)準(zhǔn)銅絲的螺旋狀部位加熱，很快銅絲呈紅熱、發(fā)黑狀態(tài)。停止加熱，立即將黑色的螺旋狀銅絲插入乙醇中，待銅絲表面由黑變紅后，提起細(xì)銅絲使其脫離乙醇。如此反復(fù)2～3次。

（7） 輕輕向外拉動(dòng)注射器B的活塞，充分吸入試管里乙醇氧化的產(chǎn)物，觀察到希夫試劑變?yōu)槊黠@的紫紅色，說(shuō)明乙醇氧化的產(chǎn)物有醛類（主要反應(yīng)是2CH3CH2OH+O2Cu2CH3CHO+2H2O）。然后取下注射器B，將針筒內(nèi)的尾氣推出、點(diǎn)燃消除。

（8） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.4 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1） 配制希夫試劑時(shí)，需將SO2通入堿性品紅溶液中至褪色，并控制最終溶液的pH在2左右。配好的希夫試劑其保存期一般不超過(guò)2天，并且需要避光保存在4℃以下的環(huán)境中。使用時(shí)要提前從低溫環(huán)境中取出，待其恢復(fù)至室溫時(shí)方可使用。

（2） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液體受熱汽化、氣體受熱膨脹，會(huì)導(dǎo)致試管內(nèi)氣壓增大，從而引發(fā)試管內(nèi)的部分混合氣自動(dòng)進(jìn)入注射器B中，此時(shí)希夫試劑就會(huì)稍微變色（這對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有不良影響）。

（3） 在連續(xù)授課中，當(dāng)再次演示乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般無(wú)需拆開(kāi)裝置，只需更換新的希夫試劑，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟（5）（6）（7）即可。

2.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 新的實(shí)驗(yàn)裝置以課本中的試管實(shí)驗(yàn)為主體，通過(guò)附加兩個(gè)注射器和兩個(gè)單向閥而得到一體化裝置，并且裝置固定、相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)新裝置，明晰實(shí)驗(yàn)原理［11］。

（2） 使用希夫試劑檢驗(yàn)乙醇氧化的產(chǎn)物，看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡(jiǎn)單、直觀，實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有說(shuō)服力，有助于學(xué)生理解有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的斷鍵規(guī)律。

（3） 盛有氧氣的注射器，方便靈活地為實(shí)驗(yàn)體系適時(shí)補(bǔ)充氧氣，可隨時(shí)多次地重復(fù)該演示實(shí)驗(yàn)。

（4） 盛有希夫試劑的注射器，具有多種作用——收集乙醛、檢驗(yàn)乙醛、收集尾氣、吸收尾氣，因此減少了儀器容量，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置。

（5） 由于實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)演示，因此激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)探索的熱情和操作欲望，極大地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（6） 實(shí)驗(yàn)體系完全封閉，實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)環(huán)境友好，充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念。

總之，化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新必須在科學(xué)性、環(huán)保性的基礎(chǔ)上追求簡(jiǎn)約性，即裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象簡(jiǎn)明，這樣的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)才具有較好的實(shí)用性和推廣性。

致謝：本文得到江蘇省特級(jí)教師宋志貴老師的幫助。

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