王國洪 王偉 解慕宗

廣東省教育科學規(guī)劃2021年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目“融合STSE教育的中學化學校本課程育人實踐研究”（課題編號：2021YQJK608）的研究成果。

摘要：? 針對教材和文獻中乙醇催化氧化實驗的不足，利用注射器、玻璃滴管及泡沫銅等實驗用品設計了一套創(chuàng)新裝置。改進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)物的檢驗也作了改進：用無水硫酸銅檢驗產(chǎn)物水、利用pH傳感器檢驗產(chǎn)物乙醛。改進實驗可以讓學生對乙醇催化氧化反應有更全面而深刻的認識。

關鍵詞： 乙醇催化氧化； 試劑微量化； 亞硫酸鈉； pH傳感器； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）04007103

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》［1］明確要求乙醇的化學性質(zhì)實驗為學生必做實驗。乙醇的催化氧化實驗是人教版必修第二冊［2］第七章第三節(jié)的內(nèi)容，但在實際教學中存在以下問題：（1）通過聞氣味確定產(chǎn)物是乙醛的方式，既不科學也不符合安全性原則；（2）實驗中無法找到生成水的相關證據(jù)；（3）催化劑催化效率不高，需反復操作幾次才能勉強檢測到乙醛，導致原料利用率低；（4）實驗在敞開體系中進行，不符合綠色化學理念。

1? 相關文獻簡評析

針對教材實驗的不足，眾多化學教師對乙醇催化氧化實驗作了優(yōu)化與改進。通過對知網(wǎng)近三年相關文獻的梳理，發(fā)現(xiàn)改進內(nèi)容主要圍繞乙醛和水的檢驗、催化劑的形態(tài)等幾個方面。例如，陳錦等［3］在教材實驗基礎上增加了注射器和單向閥從而實現(xiàn)乙醇催化氧化實驗的簡約化與綠色化。利用希夫試劑與乙醛反應變紅的原理檢驗產(chǎn)物，使實驗現(xiàn)象更加簡單直觀，盛有氧氣的注射器可方便地補充氧氣，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)玻璃管中完成反應的發(fā)生、產(chǎn)物的檢驗以及尾氣的處理，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，實現(xiàn)了實驗的一體化和微量化，但若加熱時操作不當會使希夫試劑受熱變紅而發(fā)生假陽性反應，且實驗沒有檢驗產(chǎn)物水的生成；李婷婷［5］等將乙醇催化氧化實驗轉(zhuǎn)移到一大塊銅片上進行，讓乙醇滴在銅片折痕處邊滑動邊反應，液滴滑過的銅片顏色在黑色和紅色之間反復變化，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。

上述改進方案雖在某種程度上優(yōu)化了實驗，但仍存在裝置較復雜、原料浪費較多、產(chǎn)物無檢驗等問題。為此，筆者基于實驗設計的科學性、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)新設計了一種乙醇催化氧化裝置。

2? 設計思路

綜合分析教材與文獻中乙醇催化氧化實驗的不足，有針對性地從原料、催化劑、產(chǎn)物檢驗以及裝置四個方面進行改進，改進思路如表1所示。

3? 實驗改進方案

3.1? 實驗原理

乙醇在銅的催化下與氧氣發(fā)生反應，生

成乙醛和水，反應式如下：

2Cu+O2△2CuO（反應1）

CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O（反應2）

2CH3CH2OH+O2Cu△2CH3CHO+2H2O（總反應）

檢驗乙醛的原理是乙醛和亞硫酸鈉反應生成1羥基乙烷磺酸鈉和氫氧化鈉，溶液堿性顯著增強，利用pH傳感器檢測pH的變化，發(fā)生的反應如下：

CH3CHO+Na2SO3+H2O

CH3CH（OH）SO3Na+NaOH

3.2? 實驗用品

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? 實驗裝置

實驗儀器及裝置如圖1所示。

3.4? 實驗步驟與現(xiàn)象

實驗操作步驟如圖2所示。

（1） 用玻璃刀將實驗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，搭好反應裝置。

（4） 用酒精燈外焰加熱泡沫銅，拉動注射器反復吸取空氣，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，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? 實驗注意事項

（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，可通過如下空白試驗證明：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。

（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實驗，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? 實驗優(yōu)點

（1） 玻璃滴管和注射器均是實驗室易得且廉價的材料，玻璃滴管為乙醇催化氧化的反應容器，注射器是產(chǎn)物乙醛的收集容器，將其組合而成的實驗裝置，不僅操作簡單，還可重復使用，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，省略重復多次操作的麻煩。

（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，也讓學生感受到了化學實驗的趣味性以及實驗創(chuàng)新的魅力。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018.

［2］王晶主編. 普通高中教科書·化學·必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 78～79.

［3］陳錦， 李德前， 石磊. 借助兩個注射器改進乙醇的催化氧化實驗［J］. 化學教學， 2023， （5）： 63～65.

［4］張婧， 牛晨， 韓秋霞等. 乙醇催化氧化實驗的改進［J］. 化學教學， 2019， （10）： 58～61.

［5］李婷婷， 程波， 馬雙. 乙醇催化氧化實驗創(chuàng)新設計［J］. 中學化學教學參考， 2021， （19）： 43～44.