乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

摘要：

針對教材和文獻(xiàn)中乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)的不足，利用注射器、玻璃滴管及泡沫銅等實(shí)驗(yàn)用品設(shè)計了一套創(chuàng)新裝置。改進(jìn)后的裝置不僅材料易得、推廣性高，而且操作簡單，現(xiàn)象明顯。對產(chǎn)物的檢驗(yàn)也作了改進(jìn)：用無水硫酸銅檢驗(yàn)產(chǎn)物水、利用pH傳感器檢驗(yàn)產(chǎn)物乙醛。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生對乙醇催化氧化反應(yīng)有更全面而深刻的認(rèn)識。關(guān)鍵詞：乙醇催化氧化；試劑微量化；亞硫酸鈉；pH傳感器；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》［1］明確要求乙醇的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)是人教版必修第二冊［2］第七章第三節(jié)的內(nèi)容，但在實(shí)際教學(xué)中存在以下問題：（1）通過聞氣味確定產(chǎn)物是乙醛的方式，既不科學(xué)也不符合安全性原則；（2）實(shí)驗(yàn)中無法找到生成水的相關(guān)證據(jù)；（3）催化劑催化效率不高，需反復(fù)操作幾次才能勉強(qiáng)檢測到乙醛，導(dǎo)致原料利用率低；（4）實(shí)驗(yàn)在敞開體系中進(jìn)行，不符合綠色化學(xué)理念。1

相關(guān)文獻(xiàn)簡評析針對教材實(shí)驗(yàn)的不足，眾多化學(xué)教師對乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)作了優(yōu)化與改進(jìn)。通過對知網(wǎng)近三年相關(guān)文獻(xiàn)的梳理，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)內(nèi)容主要圍繞乙醛和水的檢驗(yàn)、催化劑的形態(tài)等幾個方面。例如，陳錦等［3］在教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加了注射器和單向閥從而實(shí)現(xiàn)乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)的簡約化與綠色化。利用希夫試劑與乙醛反應(yīng)變紅的原理檢驗(yàn)產(chǎn)物，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加簡單直觀，盛有氧氣的注射器可方便地補(bǔ)充氧氣，但加熱時整個裝置處于密封狀態(tài)，有安全隱患;張婧［4］等在硬質(zhì)玻璃管中完成反應(yīng)的發(fā)生、產(chǎn)物的檢驗(yàn)以及尾氣的處理，用棉花球蘸取無水乙醇、少量希夫試劑和酸性高錳酸鉀稀溶液，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的一體化和微量化，但若加熱時操作不當(dāng)會使希夫試劑受熱變紅而發(fā)生假陽性反應(yīng)，且實(shí)驗(yàn)沒有檢驗(yàn)產(chǎn)物水的生成；李婷婷［5］等將乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到一大塊銅片上進(jìn)行，讓乙醇滴在銅片折痕處邊滑動邊反應(yīng)，液滴滑過的銅片顏色在黑色和紅色之間反復(fù)變化，現(xiàn)象十分明顯，該方案有一定的趣味性但也忽略了產(chǎn)物乙醛和水的檢驗(yàn)。上述改進(jìn)方案雖在某種程度上優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)，但仍存在裝置較復(fù)雜、原料浪費(fèi)較多、產(chǎn)物無檢驗(yàn)等問題。為此，筆者基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計的科學(xué)性、簡易性、綠色化、安全性等原則，利用玻璃滴管、泡沫銅以及注射器等創(chuàng)新設(shè)計了一種乙醇催化氧化裝置。2

設(shè)計思路綜合分析教材與文獻(xiàn)中乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)的不足，有針對性地從原料、催化劑、產(chǎn)物檢驗(yàn)以及裝置四個方面進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)思路如表1所示。3

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案3.1

實(shí)驗(yàn)原理乙醇在銅的催化下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成乙醛和水，反應(yīng)式如下：2Cu+O2△2CuO（反應(yīng)1）CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O（反應(yīng)2）2CH3CH2OH+O2Cu△2CH3CHO+2H2O（總反應(yīng)）檢驗(yàn)乙醛的原理是乙醛和亞硫酸鈉反應(yīng)生成1羥基乙烷磺酸鈉和氫氧化鈉，溶液堿性顯著增強(qiáng)，利用pH傳感器檢測pH的變化，發(fā)生的反應(yīng)如下：CH3CHO+Na2SO3+H2OCH3CH（OH）SO3Na+NaOH3.2

實(shí)驗(yàn)用品酒精燈、5mL注射器、硅膠塞、玻璃滴管、玻璃刀、膠水、泡沫銅、飽和亞硫酸鈉溶液、無水硫酸銅、威尼爾無線pH傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集軟件等3.3

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)儀器及裝置如圖1所示。3.4

實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)操作步驟如圖2所示。（1）用玻璃刀將實(shí)驗(yàn)室常用的無色透明玻璃滴管截短至2cm左右（尖嘴處也需適當(dāng)截短）。（2）取適量泡沫銅塞入截短的玻璃滴管中，盡量往滴管口處靠近。（3）在橡膠塞底部表面用膠水固定適量的無水硫酸銅，搭好反應(yīng)裝置。（4）用酒精燈外焰加熱泡沫銅，拉動注射器反復(fù)吸取空氣，直至泡沫銅全部氧化變黑。（5）緩慢拉動注射器，從酒精燈焰心處緩慢吸取未燃燒的乙醇或乙醇蒸氣，同時用外焰加熱泡沫銅。發(fā)現(xiàn)滴管和注射器內(nèi)有液滴形成，無水硫酸銅變藍(lán)，證明有水生成。（6）將pH傳感器放入飽和亞硫酸鈉溶液中，打開軟件，開始計數(shù)；取下注射器，將注射器中的物質(zhì)全部注入溶液中，觀察溶液pH的變化。pH變化曲線如圖3所示。3.5

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1）從酒精燈焰心處吸取的乙醇或乙醇蒸氣中可能也會含有少量的水分，但這不會干擾產(chǎn)物水的檢驗(yàn)，可通過如下空白試驗(yàn)證明：滴管中不放泡沫銅，并從焰心處吸取乙醇或乙醇蒸氣，發(fā)現(xiàn)無水硫酸銅不變藍(lán)。（2）玻璃滴管材料易得，裝置僅需更換注射器和無水硫酸銅就可重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但由于材質(zhì)問題，玻璃滴管在經(jīng)歷多次加熱后會破裂，更換即可。4

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)（1）玻璃滴管和注射器均是實(shí)驗(yàn)室易得且廉價的材料，玻璃滴管為乙醇催化氧化的反應(yīng)容器，注射器是產(chǎn)物乙醛的收集容器，將其組合而成的實(shí)驗(yàn)裝置，不僅操作簡單，還可重復(fù)使用，且半封閉式的體系極大程度減少了產(chǎn)物乙醛的污染問題。（2）使用的多孔泡沫銅比表面積大，反應(yīng)比較充分，因而在短時間內(nèi)也能獲得足量的乙醛以供檢驗(yàn)，省略重復(fù)多次操作的麻煩。（3）巧妙利用酒精燈焰心處未燃燒的乙醇作原料，可以極大地提高原料的利用率，也讓學(xué)生感受到了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性以及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的魅力。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·化學(xué)·必修第二冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：78～79.［3］借助兩個注射器改進(jìn)乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)［J］.