乙醇催化氧化反應(yīng)一體化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)教材中乙醇催化氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的不足，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，借助Y形管、希夫試劑和銅絲，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。在Y形管中利用希夫試劑檢驗(yàn)反應(yīng)生成的乙醛，可避免學(xué)生直接嗅聞?dòng)卸練怏w。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)符合科學(xué)性、安全性、節(jié)約性等原則。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單且效果良好，有推廣意義。關(guān)鍵詞：無(wú)水乙醇；催化氧化；一體化實(shí)驗(yàn)；希夫試劑；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1問(wèn)題提出乙醇俗名酒精，是生活中常見(jiàn)的有機(jī)化合物，在中學(xué)化學(xué)教材中占有重要的地位。新課程標(biāo)準(zhǔn)明確要求，乙醇的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是必修課程學(xué)生必做的9個(gè)實(shí)驗(yàn)之一［1］。在人教版、魯科版、蘇教版三種不同版本的教材中，都用了相似的方法進(jìn)行乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)操作方法如表1所示。對(duì)比分析三種不同版本教材中該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)為：（1）用酒精燈直接加熱銅絲，銅絲的溫度較高，使反應(yīng)非常劇烈，能快速看到黑色的氧化銅變?yōu)榧t色的銅。（2）操作簡(jiǎn)單，銅絲插入到乙醇中，能與乙醇充分接觸反應(yīng)，銅絲的顏色變化明顯。缺點(diǎn)為：（1）反應(yīng)生成的乙醛較少，乙醛易溶解在乙醇之中，難以聞到氣體的刺激性氣味。（2）乙醇易揮發(fā)，揮發(fā)出的乙醇對(duì)乙醛的氣味有干擾。（3）乙醛有毒，敞口裝置沒(méi)有對(duì)乙醛進(jìn)行處理，不符合綠色化學(xué)理念。（4）通過(guò)嗅聞氣味的方法來(lái)判斷是否有乙醛生成，即使聞到了刺激性氣味，也難以說(shuō)明產(chǎn)物為乙醛，該方法沒(méi)有足夠的說(shuō)服力。潘虹等人撰文提出［5］，熱銅絲不僅能將乙醇氧化成乙醛，還可能將乙醇直接氧化成乙酸。因此通過(guò)聞氣味的方法來(lái)證明產(chǎn)物是乙醛缺乏嚴(yán)密性。那么能否設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單快速地檢驗(yàn)乙醛的方法呢？2文獻(xiàn)中乙醇催化氧化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的案例簡(jiǎn)介劉全興在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中［6］，使用氣唧在裝置中鼓入空氣，把生成的乙醛通過(guò)支管口導(dǎo)入新制的Cu（OH）2懸濁液中，使乙醛能更集中地反應(yīng)。該方案可以對(duì)乙醇的催化氧化產(chǎn)物乙醛進(jìn)行檢驗(yàn)，但操作比較復(fù)雜，反應(yīng)速度也比較慢，短時(shí)間內(nèi)難以檢驗(yàn)到有乙醛生成。朱心奇［7］在白色硬紙片上粘上Na2［Cu（OH）4］試紙，將硬紙片穿到銅絲上，一端彎成螺旋狀的銅絲插入盛有乙醇的試管中，通過(guò)Na2［Cu（OH）4］試紙顏色的變化來(lái)檢驗(yàn)乙醛，但由于反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的乙醛量較少，生成乙醛到試管口時(shí)溫度已比較低，實(shí)驗(yàn)中較難看到Na2［Cu（OH）4］試紙上有磚紅色固體生成。伏勁松等［8］使用銀氨溶液檢驗(yàn)乙醛的生成，利用無(wú)水硫酸銅檢驗(yàn)生成的水。但改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置和操作均較復(fù)雜，且在試管中看到銀鏡產(chǎn)生需要的時(shí)間較長(zhǎng)，不利于課堂演示或分組實(shí)驗(yàn)。胡崇安等［9］用酸性KMnO4試紙檢驗(yàn)乙醛，實(shí)驗(yàn)操作非常簡(jiǎn)單，也能看到KMnO4試紙顏色變淺，由于該實(shí)驗(yàn)是放熱反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有大量的乙醇變?yōu)闅怏w，熱的乙醇蒸氣也容易使高錳酸鉀溶液褪色干擾乙醛的檢驗(yàn)。王美志［10］利用乙醇不能使堿性K2MnO4溶液變色，乙醛能使堿性K2MnO4溶液變?yōu)榫G色來(lái)檢驗(yàn)乙醛。但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的乙醛量較少，且堿性K2MnO4溶液的氧化性較弱，與乙醛反應(yīng)速度較慢，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很難觀察到溶液的變色。張雪艷［11］把銅絲放在酒精燈外焰上加熱，變黑后移到酒精燈內(nèi)焰燈芯處，利用酒精蒸氣與灼熱的氧化銅反應(yīng)，通過(guò)聞氣味檢驗(yàn)乙醛，該裝置設(shè)計(jì)巧妙，操作簡(jiǎn)單，銅絲顏色變化明顯，但無(wú)法通過(guò)嗅聞氣味來(lái)檢驗(yàn)乙醛，因?yàn)闊粜旧袭a(chǎn)生的乙醛向外逸出時(shí)已在外焰處燃燒，幾乎聞不到刺激性的氣味。陳錦等［12］利用希夫試劑檢驗(yàn)生成的乙醛，應(yīng)該比較靈敏，但該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中乙醇揮發(fā)得較慢，因而銅絲由紅色變?yōu)楹谏默F(xiàn)象也比較慢。3改進(jìn)思路高溫條件下氧化銅與無(wú)水乙醇發(fā)生反應(yīng)，既可以加快反應(yīng)速率，又能使反應(yīng)現(xiàn)象更加明顯。由于該反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生有毒的乙醛，本文反應(yīng)需要在密閉的體系中進(jìn)行。根據(jù)以上條件，確立對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)思路為：將銅絲在酒精燈上加熱至紅熱狀態(tài)，保證反應(yīng)在較高的溫度下進(jìn)行。如圖1所示，在Y形管的一端加入希夫試劑，為了防止乙醇變質(zhì)對(duì)乙醛檢驗(yàn)的干擾，在希夫試劑中加入幾滴無(wú)水乙醇，若希夫試劑不變紅色，則排除乙醇變質(zhì)干擾乙醛的檢驗(yàn)。在Y形管另一端加入無(wú)水乙醇，將彎成螺旋狀銅絲的上端插入到橡膠塞中，將紅熱的彎成螺旋狀的銅絲伸入到無(wú)水乙醇中，用橡膠塞塞住Y形管口，保證反應(yīng)在密閉裝置內(nèi)完成。反應(yīng)結(jié)束后，傾斜Y形管將反應(yīng)后的無(wú)水乙醇倒入希夫試劑中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。改進(jìn)后的一體化實(shí)驗(yàn)方案，使實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)單、現(xiàn)象更加明顯，也排除了乙醇變質(zhì)對(duì)乙醛檢驗(yàn)的干擾。4實(shí)驗(yàn)部分4.1儀器及用品酒精燈、Y形管（直徑20mm）、銅絲（直徑0.5mm）、無(wú)水乙醇（分析純AR）、希夫（Schiff）試劑、橡膠塞4.2實(shí)驗(yàn)原理（1）加熱時(shí)銅絲變?yōu)楹谏?Cu+O2△2CuO；（2）氧化銅由黑色變?yōu)榧t色：CuO+CH3CH2OH△Cu+CH3CHO+H2O；（3）總反應(yīng)為：2CH3CH2OH+O2催化劑△2CH3CHO+2H2O；（4）乙醛的檢驗(yàn)使用希夫試劑，希夫試劑又叫品紅醛試劑，與醛反應(yīng)顯紫紅色［13］。4.3實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象（1）如圖1所示，在Y形管的左端加入1mL希夫試劑，然后向其中加入2～3滴無(wú)水乙醇。（2）在Y形管右端加入1～2mL無(wú)水乙醇。（3）取一根光潔的銅絲一端繞成多圈螺旋狀，將其末端插入橡膠塞中。（4）手拿橡膠塞，將螺旋狀銅絲置于酒精燈外焰上加熱至紅熱，將紅熱的銅絲伸入到Y(jié)形管的乙醇中，用橡膠塞塞住Y形管口。（5）當(dāng)紅熱的銅絲在無(wú)水乙醇中反應(yīng)結(jié)束后，傾斜Y形管，把右端的液體倒入Y形管的左端，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。上述步驟（1）在希夫試劑中加入2～3滴無(wú)水乙醇時(shí)，希夫試劑的顏色沒(méi)有發(fā)生變化。將螺旋狀銅絲置于酒精燈外焰上加熱，銅絲由紅色變?yōu)楹谏笤僮兂杉t熱狀。將紅熱的銅絲伸入到Y(jié)形管的乙醇中，在銅絲的表面有大量的氣泡產(chǎn)生，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，銅絲表面的氣泡越來(lái)越多，銅絲的表面由黑色變?yōu)榧t色，在Y形管口處有白霧產(chǎn)生，Y形管左端的希夫試劑由無(wú)色變?yōu)闇\紅色。傾斜Y形管，把右端的液體倒入Y形管的左端，左側(cè)溶液的紅色逐漸加深。4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果在希夫試劑中加入幾滴無(wú)水乙醇，希夫試劑的顏色沒(méi)有發(fā)生變化，則證明無(wú)水乙醇不能使希夫試劑變色，同時(shí)也證明無(wú)水乙醇中沒(méi)有乙醛。將紅熱的銅絲伸入到Y(jié)形管右端的乙醇中，在銅絲的表面有大量的氣泡產(chǎn)生，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，銅絲表面的氣泡越來(lái)越多。銅絲表面由黑色變?yōu)榧t色，證明乙醇被氧化銅氧化。希夫試劑由無(wú)色變?yōu)闇\紅色，則證明在反應(yīng)的過(guò)程中有乙醛產(chǎn)生，生成的乙醛使希夫試劑變紅。開(kāi)始時(shí)希夫試劑變?yōu)闇\紅色，當(dāng)將右端的液體倒入左端，溶液紅色加深，則說(shuō)明生成的乙醛部分溶解在無(wú)水乙醇中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看到銅在乙醇的催化氧化中用作催化劑，乙醇被氧化為乙醛，大部分乙醛能溶解在無(wú)水乙醇中，逸出的只有少量的乙醛。4.5改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)（1）直接在酒精燈上加熱銅絲，使銅絲快速升溫。（2）利用希夫試劑檢驗(yàn)乙醛，反應(yīng)非常靈敏，即使只有少量的乙醛產(chǎn)生，希夫試劑也能變色。（3）先在希夫試劑中加入少量乙醇，能排除乙醇對(duì)乙醛檢驗(yàn)的干擾。（4）確保能在密閉容器中反應(yīng)。（5）傾斜Y形管使乙醛和希夫試劑混合，操作十分方便。（6）反應(yīng)及產(chǎn)物檢驗(yàn)一體化，既能觀察到乙醇催化氧化的整個(gè)過(guò)程，同時(shí)又檢驗(yàn)了乙醛的生成。（7）實(shí)驗(yàn)方便高效，完成一次實(shí)驗(yàn)大約只需1分鐘左右，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。5結(jié)語(yǔ)使用Y形管對(duì)乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一體化改進(jìn)，既觀察到了銅絲顏色的變化，又證明反應(yīng)生成了乙醛。該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)都非常方便。課后若將希夫試劑替換為銀氨溶液或新制的氫氧化銅懸濁液，在Y形管的左端使產(chǎn)生光亮的銀鏡或磚紅色沉淀。由于乙醇的催化氧化為放熱反應(yīng)，將反應(yīng)后的溶液立即倒入到左端的銀氨溶液中，不需加熱就可以產(chǎn)生光亮的銀鏡。依托Y形管還可以開(kāi)發(fā)出更多簡(jiǎn)潔、直觀、可視性強(qiáng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：［1］普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018.［2］普通高中教科書(shū)·化學(xué)必修第二冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2019：78.［3］普通高中教科書(shū)·化學(xué)必修第二冊(cè)［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019：104.［4］普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)2（必修）［M］.南京：江蘇教育出版社，2014：70.［5］乙醇氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)識(shí)［J］.化學(xué)教學(xué)，2016，（5）：5