胡秀美
摘要: 針對教材中乙醇催化氧化反應(yīng)實驗的不足,查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料,借助Y形管、希夫試劑和銅絲,對該實驗進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。在Y形管中利用希夫試劑檢驗反應(yīng)生成的乙醛,可避免學(xué)生直接嗅聞有毒氣體。改進(jìn)實驗符合科學(xué)性、安全性、節(jié)約性等原則。實驗操作簡單且效果良好,有推廣意義。
關(guān)鍵詞: 無水乙醇; 催化氧化; 一體化實驗; 希夫試劑; 實驗改進(jìn)
文章編號: 10056629(2024)01006503
中圖分類號: G633.8
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
1 問題提出
乙醇俗名酒精,是生活中常見的有機(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)實驗是必修課程學(xué)生必做的9個實驗之一[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)行乙醇催化氧化實驗,其實驗操作方法如表1所示。
對比分析三種不同版本教材中該實驗的優(yōu)缺點,其優(yōu)點為:
(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)出的乙醇對乙醛的氣味有干擾。
(3)乙醛有毒,敞口裝置沒有對乙醛進(jìn)行處理,不符合綠色化學(xué)理念。
(4)通過嗅聞氣味的方法來判斷是否有乙醛生成,即使聞到了刺激性氣味,也難以說明產(chǎn)物為乙醛,該方法沒有足夠的說服力。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。因此通過聞氣味的方法來證明產(chǎn)物是乙醛缺乏嚴(yán)密性。那么能否設(shè)計一種簡單快速地檢驗乙醛的方法呢?
2 文獻(xiàn)中乙醇催化氧化改進(jìn)實驗的案例簡介
劉全興在改進(jìn)實驗中[6],使用氣唧在裝置中鼓入空氣,把生成的乙醛通過支管口導(dǎo)入新制的Cu(OH)2懸濁液中,使乙醛能更集中地反應(yīng)。該方案可以對乙醇的催化氧化產(chǎn)物乙醛進(jìn)行檢驗,但操作比較復(fù)雜,反應(yīng)速度也比較慢,短時間內(nèi)難以檢驗到有乙醛生成。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Na2[Cu(OH)4]試紙顏色的變化來檢驗乙醛,但由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的乙醛量較少,生成乙醛到試管口時溫度已比較低,實驗中較難看到Na2[Cu(OH)4]試紙上有磚紅色固體生成。伏勁松等[8]使用銀氨溶液檢驗乙醛的生成,利用無水硫酸銅檢驗生成的水。但改進(jìn)后的實驗裝置和操作均較復(fù)雜,且在試管中看到銀鏡產(chǎn)生需要的時間較長,不利于課堂演示或分組實驗。
胡崇安等[9]用酸性KMnO4試紙檢驗乙醛,實驗操作非常簡單,也能看到KMnO4試紙顏色變淺,由于該實驗是放熱反應(yīng),實驗過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。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色來檢驗乙醛。但由于實驗過程中產(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,因此在實驗過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),通過聞氣味檢驗乙醛,該裝置設(shè)計巧妙,操作簡單,銅絲顏色變化明顯,但無法通過嗅聞氣味來檢驗乙醛,因為燈芯上產(chǎn)生的乙醛向外逸出時已在外焰處燃燒,幾乎聞不到刺激性的氣味。陳錦等[12]利用希夫試劑檢驗生成的乙醛,應(yīng)該比較靈敏,但該實驗過程中乙醇揮發(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,確立對該實驗的改進(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)對乙醛檢驗的干擾,在希夫試劑中加入幾滴無水乙醇,若希夫試劑不變紅色,則排除乙醇變質(zhì)干擾乙醛的檢驗。在Y形管另一端加入無水乙醇,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)后的無水乙醇倒入希夫試劑中,觀察實驗現(xiàn)象。改進(jìn)后的一體化實驗方案,使實驗操作更加簡單、現(xiàn)象更加明顯,也排除了乙醇變質(zhì)對乙醛檢驗的干擾。
4 實驗部分
4.1 儀器及用品
酒精燈、Y形管(直徑20mm)、銅絲(直徑0.5mm)、無水乙醇(分析純AR)、希夫(Schiff)試劑、橡膠塞
4.2 實驗原理
(1) 加熱時銅絲變?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 實驗步驟及現(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滴無水乙醇。
(2) 在Y形管右端加入1~2mL無水乙醇。
(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,觀察實驗現(xiàn)象。
上述步驟(1)在希夫試劑中加入2~3滴無水乙醇時,希夫試劑的顏色沒有發(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 實驗結(jié)果
在希夫試劑中加入幾滴無水乙醇,希夫試劑的顏色沒有發(fā)生變化,則證明無水乙醇不能使希夫試劑變色,同時也證明無水乙醇中沒有乙醛。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。希夫試劑由無色變?yōu)闇\紅色,則證明在反應(yīng)的過程中有乙醛產(chǎn)生,生成的乙醛使希夫試劑變紅。開始時希夫試劑變?yōu)闇\紅色,當(dāng)將右端的液體倒入左端,溶液紅色加深,則說明生成的乙醛部分溶解在無水乙醇中。通過實驗過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水乙醇中,逸出的只有少量的乙醛。
4.5 改進(jìn)實驗的優(yōu)點
(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,能排除乙醇對乙醛檢驗的干擾。
(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)物檢驗一體化,既能觀察到乙醇催化氧化的整個過程,同時又檢驗了乙醛的生成。
(7) 實驗方便高效,完成一次實驗大約只需1分鐘左右,且實驗現(xiàn)象非常明顯。
5 結(jié)語
使用Y形管對乙醇催化氧化實驗進(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。該實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯,在課堂上進(jìn)行演示實驗和分組實驗都非常方便。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形管還可以開發(fā)出更多簡潔、直觀、可視性強(qiáng)的化學(xué)實驗。
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