宋曉鋒

摘? 要：課本中乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)存在諸多不足，鑒于有關(guān)研究現(xiàn)狀，本文對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作簡單、耗時(shí)短、綠色環(huán)保且與課本中的實(shí)驗(yàn)方法相比更具有信度，有助于發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：乙醇;催化氧化;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

一、問題的提出

人教版《化學(xué)必修（第二冊）》第七章第三節(jié)第78頁在《乙醇》一課安排了乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)，課本中的實(shí)驗(yàn)方案如下：向試管中加入少量無水乙醇，取一根銅絲，下端繞成螺旋狀，在酒精燈上灼燒后插入乙醇，反復(fù)幾次，注意觀察反應(yīng)現(xiàn)象，小心地聞試管中液體產(chǎn)生的氣味。此實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)知乙醇性質(zhì)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，同時(shí)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中理解反應(yīng)的原理，也可為其后續(xù)學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)知識打下基礎(chǔ)。

然而，按教材的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)操作相對簡單，也確實(shí)能明顯地觀察到銅絲顏色的變化。缺點(diǎn)：乙醛對學(xué)生而言是一種即將學(xué)習(xí)的新物質(zhì)，學(xué)生對乙醛的狀態(tài)氣味也都無任何概念，因此采用聞氣味的方法來說明反應(yīng)后乙醇被氧化成乙醛缺乏可信度，且乙醇也有氣味即使反應(yīng)產(chǎn)生了少量的乙醛溶解在乙醇中，兩者混在一起，學(xué)生也很難分辨。況且，乙醛還帶有一定的毒性，實(shí)驗(yàn)也不利于對學(xué)生進(jìn)行綠色安全環(huán)保教育。教材的實(shí)驗(yàn)方法未對乙醛進(jìn)行更為直觀的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也未對實(shí)驗(yàn)的另一種產(chǎn)物水進(jìn)行實(shí)證。

二、問題研究的現(xiàn)狀分析

很多學(xué)者對本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)、探索與研究，為該實(shí)驗(yàn)的開展與進(jìn)一步研究提供了有價(jià)值的借鑒和參考，研究的關(guān)注點(diǎn)主要包含以下兩個(gè)方面：

（一）從實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物乙醛的檢驗(yàn)角度

范海花等人為測定產(chǎn)物乙醛與研究小組進(jìn)行了大量的研究活動，對乙醛進(jìn)行了定性和定量的檢測，讓學(xué)生經(jīng)歷了定性到定量的研究過程，該探究過程有利于學(xué)生思維的發(fā)展。但該探究過程中用到了希夫試劑，而學(xué)生對希夫試劑并不熟悉，也很難理解其反應(yīng)的原理。且希夫試劑存在不穩(wěn)定、不易保存等缺點(diǎn)，故最好現(xiàn)配現(xiàn)用。此外，該實(shí)驗(yàn)還用到了更為高科技的pH傳感器，然而一般的學(xué)校也無法配備，故無法實(shí)現(xiàn)用最簡單的方式來產(chǎn)生最明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)需求。張婧等人也是采用希夫試劑對產(chǎn)物乙醛進(jìn)行了檢驗(yàn)。李勇等用百分之二十的氫氧化鈉溶液與百分之五的硫酸銅溶液反應(yīng)制得絳藍(lán)色的Na2[Cu（OH）4]，并在水浴加熱下對產(chǎn)物乙醛進(jìn)行了檢驗(yàn)，短時(shí)間內(nèi)就能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這些學(xué)者所研究的實(shí)驗(yàn)關(guān)注點(diǎn)都存在著同樣的問題，即實(shí)驗(yàn)中只注意到了產(chǎn)物乙醛的檢驗(yàn)，而對于實(shí)驗(yàn)中另一產(chǎn)物水都未能做出相關(guān)驗(yàn)證。

（二）從實(shí)驗(yàn)一體化角度

劉興全等根據(jù)實(shí)驗(yàn)安全、直觀、簡單、環(huán)保的設(shè)計(jì)原則，對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一體化改進(jìn)，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)對產(chǎn)物乙醛和水均進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更具體而有說服力。但該裝置只用一只酒精燈加熱銅絲，通過其加熱具支試管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到試管底部再使無水乙醇揮發(fā)變蒸汽與銅絲反應(yīng)，實(shí)際反應(yīng)的效果值得思考，且用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需將浸有無水乙醇的棉花投入具支試管底部而使整根試管內(nèi)壁都粘有無水乙醇，可能也會影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

楊毅旭等利用4V形玻璃管對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，如圖2所示：

該實(shí)驗(yàn)也既檢驗(yàn)了產(chǎn)物乙醛、又檢驗(yàn)了產(chǎn)物水，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且該實(shí)驗(yàn)全程氣體處在一個(gè)封閉系統(tǒng)，還利用高錳酸鉀溶液進(jìn)行尾氣處理，值得借鑒。但該實(shí)驗(yàn)所使用的4V形管實(shí)驗(yàn)室一般較難獲得，且加料也存在諸多不便，該裝置攜帶及固定也較為不便，通過洗耳球進(jìn)行鼓氣傳輸氣體的實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果也還是值得思考，此外檢驗(yàn)乙醛的試劑依然采用了希夫試劑。

周怡等人利用具支U形管、一次性注射器、干燥管等試驗(yàn)用具，設(shè)計(jì)了乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)物驗(yàn)證的一體化裝置，如圖3所示：

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，對產(chǎn)物的檢驗(yàn)也更精確與全面。但實(shí)驗(yàn)的安全性值得商榷，在加熱過的溫度較高的銅粉中直接滴入無水乙醇，很大可能會導(dǎo)致具支U形管底部驟冷而破裂，且實(shí)驗(yàn)過程中利用氣唧鼓氣的頻率也較難控制，也可能會延長反應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的效果。

三、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

為了能通過實(shí)驗(yàn)的方法直觀地證明乙醇催化氧化產(chǎn)物確實(shí)生成了乙醛和水，也為了能讓學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理能有更好的體驗(yàn)和認(rèn)知。在鑒于以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，筆者對上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)與研究。

（一）實(shí)驗(yàn)原理

2Cu+O2 [=][△] 2CuO

C2H5OH+CuO [△]CH3CHO+H2O+Cu

2CH3CH2OH+O2 [Cu] [△] 2CH3CHO+2H2O（總）

CuSO4+5H2O [=] CuSO4·5H2O

2CH3CHO+Cu（OH）2+NaOH [△]CH3COONa+Cu2O↓+3H2O

（二）實(shí)驗(yàn)用品

1. 儀器：雅美娜牌小型制氧機(jī)、酒精燈、雙孔玻璃管（長30cm、直徑2.5cm）、10ml注射器、橡皮塞、鐵架臺、止水夾、玻璃導(dǎo)管、小木塊、試管、脫脂棉

2. 藥品：2%的CuSO4溶液、10%的NaOH溶液、無水CuSO4粉末、銅絲、無水乙醇

（三）實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示：

實(shí)驗(yàn)裝置圖說明：

按上圖4所示組裝好實(shí)驗(yàn)裝置。雙孔玻璃管左側(cè)連有10mL注射器（內(nèi)裝無水乙醇），雙孔玻璃管內(nèi)從左到右依次裝有脫脂棉、螺旋狀銅絲（長度約為2.5cm）、粘有無水硫酸銅粉末的脫脂棉，雙孔玻璃管右側(cè)連接的雙孔橡皮塞下導(dǎo)管伸入裝有新制氫氧化銅懸濁液的試管中，上導(dǎo)管用橡膠管（橡膠管上裝有止水夾）與小型制氧機(jī)的氧氣出口相連接。

（四）實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象及分析

1. 打開小型制氧機(jī)，調(diào)節(jié)氧氣的通入速度，10s后用酒精燈加熱銅絲，會觀察到銅絲慢慢由紅變黑，如圖5所示。

2. 關(guān)閉制氧機(jī)和止水夾，停止氧氣通入。將注射器中的無水乙醇擠入脫脂棉中，并加熱脫脂棉，使乙醇蒸氣受熱揮發(fā)，1.5分鐘后會觀察到銅絲由黑色又變?yōu)榧t色，如圖6所示?？煞磸?fù)進(jìn)行上述操作，銅絲出現(xiàn)由紅→黑→紅的重復(fù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。且右側(cè)白色的無水CuSO4粉末逐漸變成了淡藍(lán)色，證實(shí)反應(yīng)中有水生成，而無水CuSO4也吸收了反應(yīng)中產(chǎn)生的水，變成了CuSO4·5H2O（藍(lán)色），如圖7所示：

3. 在停止反應(yīng)后，先取下那支盛有新制氫氧化銅懸濁液的試管并加熱到沸騰，可看到試管內(nèi)產(chǎn)生磚紅色懸濁液，即有Cu2O生成，證明實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中有乙醛，如圖8所示：

注：在學(xué)習(xí)本課前學(xué)生并未學(xué)習(xí)過乙醛的相關(guān)性質(zhì)，即與氫氧化銅懸濁液等的反應(yīng)。在此，可以先簡單地向?qū)W生做醛類物質(zhì)檢驗(yàn)方法的介紹，同時(shí)也可聯(lián)系生物課中學(xué)過的用斐林試劑來檢驗(yàn)葡糖等還原性單糖的知識，來加深對該反應(yīng)的理解，這樣也可為后續(xù)乙醛、葡萄糖性質(zhì)的學(xué)習(xí)做鋪墊。

4. 對比實(shí)驗(yàn)：另取兩支試管，加入與上述實(shí)驗(yàn)一致的新制的氫氧化銅懸濁液。向左側(cè)試管中滴加少許無水乙醇并用小型制氧機(jī)通入一定量的氧氣后，加熱到沸騰。向右側(cè)試管中通入一定量的氧氣后，也加熱到沸騰。現(xiàn)象如圖9所示，但均無磚紅色沉淀生成，這就可進(jìn)一步證實(shí)與新制的氫氧化銅懸濁液反應(yīng)的物質(zhì)是乙醛。

四、實(shí)驗(yàn)評價(jià)

1. 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作安全簡單、現(xiàn)象非常明顯，且在短時(shí)間內(nèi)就能完成所有的實(shí)驗(yàn)操作，方便課堂教學(xué)演示使用或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)使用。

2. 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)不但能更有效地檢測乙醛和水，同時(shí)還能使學(xué)生更加直觀地體會到銅作為催化劑的反應(yīng)原理，這樣可以增進(jìn)學(xué)生對抽象的乙醇催化氧化反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識，從而促進(jìn)了學(xué)生對乙醇性質(zhì)的認(rèn)知，并能為學(xué)生后續(xù)的有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)打下較好的基礎(chǔ)。

3. 該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程中能將產(chǎn)物全部排入新制的氫氧化銅懸濁液中，與教材的敞口試管相比，可以有效地減少毒害氣體的排放，符合綠色環(huán)保的理念，有利于學(xué)生環(huán)保意識的培養(yǎng)。

4.該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)不但可以使學(xué)生體會實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的魅力，并發(fā)現(xiàn)實(shí)踐與探索的快樂，還可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握化學(xué)知識，并引發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)化學(xué)的濃厚興趣，從而實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

五、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思考

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)學(xué)生良好的基礎(chǔ)素養(yǎng)、基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)、操作能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等都有著重大的意義?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教育貫穿于中學(xué)化學(xué)課程的始終，教師通過對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不但能夠更有效地解決教師教學(xué)中原有實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)缺陷，同時(shí)也能夠提高教師的教學(xué)水平和整體的教學(xué)質(zhì)量，最重要的是在此教學(xué)實(shí)踐過程中能夠有效地調(diào)動學(xué)生對學(xué)習(xí)的濃厚興趣、使學(xué)生感受科研探究的整個(gè)流程、拓寬學(xué)生的知識面，進(jìn)而使學(xué)生的高階思維得到發(fā)展，并帶動學(xué)生核心素養(yǎng)的整體提高。其實(shí)，許多實(shí)驗(yàn)問題在我們沒有親自做過以前都很容易出錯(cuò)，所以在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)不但要找出原來實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的處理方式，還應(yīng)該把實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與實(shí)際教學(xué)聯(lián)系在一起，回到課程的本原上，即在不破壞原有教材實(shí)驗(yàn)的教育功能和內(nèi)涵價(jià)值的前提下，讓其以更為優(yōu)化的方式出現(xiàn)，以便于真正實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教育功能，從而更好的服務(wù)于化學(xué)教育。

對于本課題，筆者也只是研究到了論文所寫的理論深度，在今后的教研工作中筆者仍會不斷學(xué)習(xí)新理論、不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，希望可以研究出更多更好的實(shí)驗(yàn)，并同時(shí)把實(shí)驗(yàn)改進(jìn)運(yùn)用到課堂教學(xué)實(shí)際中，實(shí)現(xiàn)其真正的價(jià)值。

（責(zé)任編輯：鄒宇銘）

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