摘 要： 為使學(xué)生更好地理解乙醇催化氧化反應(yīng)中斷鍵與成鍵規(guī)律，在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用定制的雙支試管為反應(yīng)容器，借用粉筆、洗臉巾、口罩、多孔泡沫銅等吸附材料和儀器，改進(jìn)并簡化了實(shí)驗(yàn)裝置。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置一體化、操作簡便、反應(yīng)可控、快速高效、教學(xué)效果良好。輔以乙醇脫氫酶的作用實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更好地理解醇類催化氧化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 乙醇催化氧化； 脫氫反應(yīng)； 吸附材料； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2024）11-0065-03

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在有機(jī)化學(xué)板塊中要求結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識官能團(tuán)與性質(zhì)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生從斷鍵和成鍵的角度概括反應(yīng)特征與規(guī)律，認(rèn)識具有不同官能團(tuán)的有機(jī)化合物在一定條件下是可以轉(zhuǎn)化的［1］。乙醇是高中階段學(xué)習(xí)的第一種烴的衍生物，醇類化合物的性質(zhì)

實(shí)質(zhì)上就是羥基的性質(zhì)。乙醇的催化氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了羥基向醛基的轉(zhuǎn)化，它不僅是氧化反應(yīng)還屬于典型的脫氫反應(yīng)（斷裂羥基氫和α氫）。因此，乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)在引導(dǎo)學(xué)生官能團(tuán)性質(zhì)學(xué)習(xí)中占據(jù)重要的地位［2］。人教版必修第二冊的演示實(shí)驗(yàn)是將繞成螺旋狀的銅絲灼燒后插入乙醇溶液中，重復(fù)操作數(shù)次，觀察銅絲變化并小心地嗅聞液體產(chǎn)生的氣味。通過銅絲紅黑交替現(xiàn)象和嗅到刺激性氣味驗(yàn)證乙醇發(fā)生了氧化反應(yīng)。

該實(shí)驗(yàn)存在以下不足：

（1）乙醛具有強(qiáng)烈的刺激性氣味和毒性，可刺激皮膚、黏膜，敞開體系導(dǎo)致了乙醛逸出污染環(huán)境；（2）乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)所需溫度在300℃左右，而冷的乙醇溶液會使紅熱銅絲的溫度降低，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，生成的少量乙醛溶解在乙醇中難以揮發(fā)；（3）實(shí)驗(yàn)過程中不易嗅到刺激性氣味，是因?yàn)樯傻囊胰┯休^強(qiáng)的還原性，被氧氣進(jìn)一步氧化為乙酸?；诖?，我們對乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)。

2 相關(guān)文獻(xiàn)評析

查閱并整理了相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要集中于乙醛的檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)三個(gè)方面：周如磊［3］利用治療高血壓的常見藥物硝普鈉與乙醛的顯色反應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)，該方法新穎、簡單且高效，不足之處在于不能重復(fù)實(shí)驗(yàn)以體驗(yàn)銅絲作催化劑的效果；張婧等［4］取適量的堿性品紅配制希夫試劑與乙醛作用顯紫紅色，可用于醛類化合物的靈敏檢驗(yàn)，但希夫試劑性質(zhì)不穩(wěn)定，不可久置，且有時(shí)會出現(xiàn)假陽性反應(yīng)；王國洪等［5］利用色度計(jì)檢測乙醛與希夫試劑反應(yīng)后溶液的吸光度，發(fā)現(xiàn)多孔泡沫銅

有較強(qiáng)的吸附能力，乙醇與多孔泡沫銅的反應(yīng)現(xiàn)象明顯。但由于是微型化改進(jìn)，狹小的玻璃滴管不能提供充足的氧氣而無法重復(fù)演示；胡秀美［6］通過自制的Y形管設(shè)計(jì)乙醇催化氧化及乙醛檢驗(yàn)的一體化裝置，但因其密閉體系不能再次加熱銅絲，故作為演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不大。

要使乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)有很好的教學(xué)效果需要提供充足的氧氣、優(yōu)良的催化劑、乙醛的靈敏檢驗(yàn)和密閉的一體化裝置。此外，評價(jià)教學(xué)實(shí)驗(yàn)是否良好要看其是否能更好地服務(wù)教與學(xué)和具有創(chuàng)新性，且實(shí)驗(yàn)的最終目的是透過宏觀現(xiàn)象學(xué)習(xí)微觀本質(zhì)，有機(jī)反應(yīng)中的氧化是指有機(jī)物引入氧或脫去氫的反應(yīng)，而僅用生成的乙醛來推斷化學(xué)鍵的斷裂與形成是欠說服力的，學(xué)生較難理解。在“人體解酒”過程中乙醇與乙醇脫氫酶的作用恰能體現(xiàn)乙醇發(fā)生催化氧化的實(shí)質(zhì)是脫氫反應(yīng)，降低了學(xué)生理解的難度，且對學(xué)習(xí)其他醇類化合物的催化氧化有很好的遷移作用。因此，在滿足教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，輔助以乙醇與乙醇脫氫酶作用的實(shí)驗(yàn)對學(xué)習(xí)乙醇及醇類化合物催化氧化的性質(zhì)有事半功倍之效。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

儀器：20mm×120mm、 20mm×180mm雙支試管1個(gè)、電烙鐵1個(gè)、粉筆1支、膠頭滴管3支、針筒2支（帶針尖）、翻蓋塞2個(gè)、剪刀1把、酒精燈1個(gè)、鐵架臺1個(gè)、量筒1個(gè)、口罩1個(gè)、洗臉巾1張、電子天平1臺、溫度計(jì)1支、藥匙1個(gè)

藥品：無水乙醇、多孔泡沫銅、過氧化氫溶液（10%）、二氧化錳、乙醇脫氫酶、硝普鈉（亞硝基鐵氰化鈉）、氫氧化鈉溶液（10%）、酸性高錳酸鉀溶液（0.1mol/L）、蒸餾水

3.2 乙醇催化氧化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示（鐵架臺、夾具等略）。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 組裝實(shí)驗(yàn)藥品。在雙支試管斜管中加入2mL過氧化氫溶液，用口罩內(nèi)側(cè)紗布吸附二氧化錳粉末，并用細(xì)線吊于斜管口部被翻蓋塞壓住以固定；直管底部放入3顆無水乙醇浸潤的短粉筆，將泡沫銅剪成長條纏繞于電烙鐵發(fā)熱部位穿過翻蓋塞置于直管中。取約0.2g硝普鈉溶于20mL蒸餾水中配制1%亞硝基鐵氰化鈉溶液，并用膠頭滴管將其吸附于洗臉巾長條置于直管內(nèi)壁。

（2） 打開電烙鐵開關(guān)加熱幾分鐘，待泡沫銅從橘紅色氧化為紫黑色時(shí)關(guān)閉電烙鐵。立即點(diǎn)燃酒精燈加熱直管底部的粉筆，使受熱揮發(fā)的乙醇蒸氣與泡沫銅接觸，1分鐘內(nèi)泡沫銅恢復(fù)橘紅色。

（3） 傾斜斜管，使過氧化氫溶液與吸附二氧化錳粉末的口罩接觸反應(yīng)，生成的氣體擴(kuò)散到直管中。約30秒后脫離催化劑降低反應(yīng)速率，減少氧氣的生成量。

（4） 打開電烙鐵開關(guān)，重復(fù)操作步驟（2）（3）數(shù)次，可反復(fù)觀察泡沫銅呈橘紅-紫黑色交替變化。（2Cu+O2△2CuO； CuO+CH3CH2OHCu+CH3CHO+H2O；總反應(yīng)為：2CH3CH2OH+O2Cu/Ag△2CH3CHO+2H2O）

（5） 檢驗(yàn)產(chǎn)物乙醛。用針筒1吸取氫氧化鈉溶液，插入翻蓋塞滴落在浸有亞硝基鐵氰化鈉溶液的洗臉巾后變?yōu)檠t色。

（6） 尾氣處理。用針筒2吸取酸性高錳酸鉀溶液注入雙支試管至紫紅色不再退去。（5CH3CHO+2KMnO4+3H2SO45CH3COOH+2MnSO4+K2SO4+3H2O）

3.2.2 關(guān)于實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)說明

（1） 若直接加熱無水乙醇會使乙醇蒸氣急增使試管內(nèi)部壓強(qiáng)增大，氣流可能會沖開翻蓋塞，操作不安全。

曾嘗試用脫脂棉吸附無水乙醇加熱，但脫脂棉受熱碳化變黑且有滋滋的響聲，效果不佳。后發(fā)現(xiàn)粉筆是很好的吸附材料能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的乙醇蒸氣與泡沫銅接觸反應(yīng)。

（2） 口罩內(nèi)層紗布是疏松多孔結(jié)構(gòu)，可以吸附少量二氧化錳粉末使過氧化氫分解速率不易過快，并根據(jù)接觸反應(yīng)的時(shí)間控制氧氣產(chǎn)生的量。

（3） 乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)所需溫度約300℃，電烙鐵的加熱溫度范圍在200～400℃，可達(dá)到反應(yīng)溫度。待泡沫銅受熱氧化后關(guān)閉電烙鐵開關(guān)，然后加熱粉筆與其接觸反應(yīng)，操作簡便，現(xiàn)象明顯。

（4） 用硝普鈉配制的1%亞硝基鐵氰化鈉溶液與乙醛在堿性條件下反應(yīng)形成穩(wěn)定的配合物，滴加氫氧化鈉溶液使pH大于14產(chǎn)生血紅色［7］。配制溶液的濃度不宜過高，否則直接滴加氫氧化鈉會使顏色加深，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。

3.3 乙醇與乙醇脫氫酶作用的實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 稱取2～3g乙醇脫氫酶，并取一支試管將其溶解于2mL蒸餾水中；再加2mL無水乙醇混合后加數(shù)滴氫氧化鈉溶液使其呈弱堿性。

（2） 將洗臉巾剪成長條狀浸入上述試管的溶液中，置于36～40℃水浴中加熱反應(yīng)5分鐘左右。

（3） 取出洗臉巾長條，向浸濕部分滴加適量的亞硝基鐵氰化鈉溶液，再滴加數(shù)滴氫氧化鈉溶液后，長條即變?yōu)殚冱S色或者血紅色，驗(yàn)證了乙醇與乙醇脫氫酶作用生成了乙醛。

3.3.3 關(guān)于實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)說明

（1） 乙醇脫氫酶催化乙醇氧化脫氫生成乙醛是人體肝臟代謝酒精的重要步驟。乙醇脫氫酶在pH=8.0、 T=37℃時(shí)活力最大。所以，將無水乙醇和乙醇脫氫酶的混合溶液調(diào)至弱堿性并在36～40℃熱水浴中反應(yīng)，效果較好。

（2） 浸有亞硝基鐵氰化鈉溶液的洗臉巾長條滴加氫氧化鈉溶液后的顯色變化：沒有吸附乙醛的長條變?yōu)闇\黃色，吸附較少乙醛的長條變?yōu)殚冱S色，吸附較多乙醛的長條變?yōu)檠t色。由于乙醇脫氫酶對二級醇和環(huán)醇的催化作用較強(qiáng)，對伯醇（乙醇）的催化作用不強(qiáng)，可能長條吸附的乙醛較少而顯橘黃色。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 裝置一體化。該裝置集乙醇催化氧化、乙醛檢驗(yàn)、尾氣處理和氧氣的制備于一體。且雙支試管在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中也較為通用，可代替H形試管、Y形試管或具支試管等，集產(chǎn)物的生成、檢驗(yàn)及尾氣處理于一體。

（2） 反應(yīng)可控。利用口罩作吸附材料實(shí)現(xiàn)二氧化錳粉末與過氧化氫溶液的接觸和分離從而控制氧氣的生成量；通過打開和關(guān)閉電烙鐵開關(guān)控制乙醇催化氧化反應(yīng)的發(fā)生與停止，并可重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)以觀察乙醇催化氧化過程中泡沫銅的變化。

（3） 快速高效。利用粉筆作吸附材料能產(chǎn)生穩(wěn)定的乙醇蒸氣與泡沫銅長條充分接觸，亞硝基鐵氰化鈉溶液與乙醛的顯色反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使乙醇催化氧化反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)高效完成。

（4） 深化理解。從乙醛檢驗(yàn)到乙醇與乙醇脫氫酶作用的輔助實(shí)驗(yàn)逐步探究并認(rèn)識到乙醇催化氧化的實(shí)質(zhì)是脫氫反應(yīng)，進(jìn)而使學(xué)生更容易理解醇類化合物發(fā)生催化氧化反應(yīng)的條件和斷鍵、成鍵的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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