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乙醇催化氧化反应一体化实验探讨

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  • 更新时间2021-04-02
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摘要:针对教材中乙醇催化氧化实验方案的不足,通过查阅相关文献,对该实验方案进行了优化,用具支U形管、注射器、干燥管等实验用品,设计出了一套乙醇催化氧化及产物验证的一体化实验装置。改进后的实验现象明显,对乙醇催化氧化产物的检验更准确与全面,且为课堂教学和实验改进提供了新的思路。


关键词:乙醇催化氧化;产物验证;一体化;实验改进


一、问题的提出


铜丝催化氧化乙醇是高中阶段有机化学的一个重要实验。在现行高中化学教材中,乙醇的催化氧化实验都是将加热后螺旋状的铜丝伸入无水乙醇中,反复几次,观察铜丝的变化并闻一闻液体的气味[1]。由于乙醇本身有气味且乙醛有毒,通过闻气味的方法来确定产物是乙醛不够科学,缺乏信度;该方案并未检验生成的另一产物水,不够全面;该方案是在一个开放体系完成的,不符合绿色化学实验理念。为解决以上问题,许多教育研究者设计一体化的实验装置,取得了较好的效果。学者刘兴全[2]、霍本斌[3]、蔡晶[4]的改进方案虽然实现了所有产物的检验,但并没有排除空气中水的影响,确认水是乙醇氧化产生的,不够严谨;学者高倩倩[5]、张婧[6]的改进方案通过两种检测试剂共同证明了乙醇催化氧化所得产物为乙醛,但并没有检验另一产物水;学者韩学忠[7]、袁君强[8]的改进方案采用的都是黑色的氧化铜与乙醇的反应,不能体现铜作为催化剂的作用。鉴于以上原因,通过对其他研究者的一体化装置改进的思路分析以及检验乙醛和水的检验试剂的分析[9,10],笔者通过不断的尝试,设计了一套一体化的实验改进装置,可以选用不同的物质来检验乙醛,也可以选用不同的物质来检验水。通过实践发现此装置能够有效地应用在课堂教学中。


二、实验原理


(一)实验仪器和试剂


(1)仪器气唧、具支U形管、铁架台、酒精灯、火柴、干燥管、胶头滴管、10mL注射器、玻璃棒、滤纸、pH试纸、橡胶管、导气管、镊子、电子天平。(2)试剂无水乙醇、铜粉(或铜丝和铜棒)、蒸馏水、无水硫酸铜(或变色硅胶)、碱性品红、无水亚硫酸钠(或10%氢氧化钠溶液和2%硫酸铜溶液)、2mol/L稀盐酸、无水氯化钙。


(二)实验装置


实验装置如图1所示,夹持装置已省略。


(三)实验内容


①配制盐酸酸化的Schiff(希夫)试剂。取0.1g碱性品红溶于50mL蒸馏水。待其沉降后,取上层清液加入约0.5g无水亚硫酸钠振荡至溶液颜色褪去。向溶液中滴加稀盐酸,酸化至pH约为2[11],保存在棕色瓶中备用。或制备新制Cu(OH)2溶液:取约3mL10%NaOH溶液于一小试管中,滴加6~9滴2%CuSO4溶液,震荡试管后备用。②连接装置后检查装置气密性。向试管中加入少量水,挤压气唧,若观察到试管中有气泡冒出,松开气唧,导管中形成一段气柱,说明装置气密性良好,反之则漏气。③用注射器吸取2mL无水乙醇,插入橡胶塞至针头露出;在左侧干燥管中装满无水氯化钙;将0.3g左右的铜粉用纸槽送入具支U形管中,铺满底层;在干燥管中放入约0.3g的无水硫酸铜(或变色硅胶);在试管中加3mL左右的蒸馏水(或新制的氢氧化铜溶液),使导管刚好伸入到液面。④点燃酒精灯,用酒精灯预热具支U形管底部。用气唧鼓入空气,集中加热铜粉,直至加入的铜粉由红色完全变为黑色,移走酒精灯。按压注射器,滴入1~3滴无水乙醇,黑色固体变为红色,此时缓慢鼓气。之后再用酒精灯再次加热固体,撤去酒精灯,再滴入几滴无水乙醇。重复操作几次,直至能明显观察到干燥管中的无水硫酸铜变蓝(或变色硅胶变色)。最后熄灭酒精灯,冷却几分钟后,取下试管,向试管中滴入2~3滴Schiff试剂,震荡试管,观察现象。若试管中加入的是新制的氢氧化铜,则在酒精灯上加热试管观察现象。


(四)实验说明


①可以使用Schiff试剂检验乙醛。希夫试剂又叫品红醛试剂,与醛反应显紫红色,且易受温度、氧化剂等的影响产生假阳性反应变红[10]。②在实验方案设计时,初始的实验方案的装置如图2所示,弯管内已预先放置蘸有无水CuSO4的棉花团以及滴有Schiff试剂的棉花团,试管中加新制氢氧化铜溶液,共同验证乙醛的生成。但在实验过程中,发现如果控制不好加热的时间以及气唧鼓人空气的速率,Schiff试剂容易受温度及鼓入的热的蒸汽的影响变为紫红色。为了避免温度对Schiff试剂的影响,将弯管的长度加长。但加长弯管的长度后,又出现了新的问题。如果蘸有无水CuSO4的棉花团离U形管比较远,生成的水较少,无法看到无水CuSO4较明显的颜色变化。为解决此问题,可以在实验开始时关闭止水夹。如果蘸有无水CuSO4的棉花团离U形管比较近,做完实验后,蘸有无水CuSO4的棉花团难以从长的弯管中取出,且在弯管内放置蘸有无水CuSO4的棉花团和滴有Schiff试剂的棉花团比较耗时。虽然该方案最终也达到了预期的实验效果,但整个实验操作过程较繁琐。为了使实验产物的检验更加简便、准确,更好地用于课堂教学,最终将装置改进为如图1所示的装置。③通过对照试验:取三支盛有水的试管,分别加2mL乙醇、2mL乙酸、2mL乙酸乙酯,再各滴加2~3滴Schiff试剂,溶液均不变色,说明Schiff试剂检验乙醛可靠。为了进一步说明实验的可信度,在U形具支管中不加铜粉,相同的操作,无水硫酸铜不变色(变色硅胶不变色),滴加Schiff试剂的试管无颜色变化(加热试管后无砖红色的沉淀生成),排除了空气中的气体对实验的干扰。④在重复鼓气和加热的过程中,鼓气的速度要适宜,不然大部分乙醇蒸汽被带走。酒精灯加热时间不能过长,否则乙醇多以乙醇蒸汽的形式直接被鼓入到干燥管中,造成实验所需乙醇的量增加。所以,在实验过程中要控制好鼓气和加热的频率,缩短实验时间,使实验现象更明显。⑤产物的检验试剂。可以在干燥管中放入无水硫酸铜,也可以放变色硅胶。除了在试管中加入蒸馏水,滴加Schiff试剂来检验乙醛以外,也可以在试管中加入新制的氢氧化铜,再加热,检验乙醛。也可用碱性高锰酸钾溶液[12]、4mol/LNaOH溶液配制的K2MnO4溶液[13]、银氨溶液、橙色的溴水溶液来检验乙醛。或者在试管下面放一个装满冷水的烧杯,将生成物冷却,收集一定量的乙醛后再进行检验。⑥可以将铜粉换成铜丝作为反应试剂。将铜丝缠绕于铜棒上,将铜棒弯成具支U形管底部的形状,使乙醇能更好地接触到铜丝,也能达到实验效果。


(五)实验现象及结论


具支U形管中红色的铜粉由红色变为黑色,不断重复出现,说明铜在乙醇的催化氧化实验中作催化剂。无水硫酸铜粉末由白色部分变为蓝色,说明反应过程中生成了水。若在干燥管中放变色硅胶,可以观察到硅胶由蓝色变为浅红色。试管中Schiff试剂由无色变为浅红色,最后变为紫红色,说明反应过程中生成了乙醛。若在试管中改放新制的氢氧化铜溶液,用酒精灯加热可以观察到反应液出现绛蓝色—浅绿色—亮绿色—橙黄色的颜色变化,试管底部析出少量砖红色沉淀物,说明生成了乙醛。


三、改进实验在教学中的应用建议


在乙醇的催化氧化实验教学过程中,可以用这套装置做演示实验,让学生认真观察实验现象。实验过后让学生讨论铜粉变黑的原因是什么、滴加乙醇后为什么又由黑色变为红色、无水硫酸铜变为蓝色说明反应生成了什么物质、品红醛试剂变红说明生成了什么物质。教师需要给予一定的信息提示:品红醛试剂可以与醛反应显紫红色,来检测物质是否含有醛基。通过一系列的问题讨论,学生可以分析出乙醇催化氧化反应本质,形成严谨的科学态度,增强证据推理与模型认知的化学核心素养。改进的实验装置也可以用于分组实验,学生可以根据自己已有的相关知识选择检验的试剂。例如学生在高一生物课上已学习过新制的氢氧化铜可以检验葡萄糖中的醛基。学生也可以自主查找资料,例如银氨溶液也可以检验醛基,变色硅胶也可以用来检验水等。使知识关联化,有利于学生今后乙醛性质的学习,培养学生的发散思维。


参考文献:


[1]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学2(必修)(第三版)[M].北京:人民教育出版社,2007:74-75.


[2]刘兴全,王强.乙醇催化氧化实验的改进方案[J].教育与装备研究,2018,34(11):63-65.


[3]霍本斌.关于乙醇催化氧化实验的创新设计[J].中小学实验与装备,2012,22(2):34-35.


[4]蔡晶,陈磊磊.乙醇催化氧化实验的改进[J].化学教学,2009,(5):10-12.


[5]高倩倩,罗玛.乙醇氧化及产物验证一体化实验探究[J].实验教学与仪器,2017,34(5):13-15.


[6]张婧,牛晨,韩秋霞,李明雪.乙醇催化氧化实验的改进[J].化学教学,2019,(10):58-61.


[7]韩学忠.乙醇的催化氧化实验设计[J].教学仪器与实验,2005,(6):24.


[8]袁君强.乙醇氧化及产物验证一体化实验[J].中学化学教学参考,2004,(4):43.


[9]宋志贵,陈春丽.乙醇催化氧化实验的改进[J].化学教育,2011,32(12):72.


[10]杨宝权.乙醇催化氧化实验的改进[J].化学教育,2003,(1):45.


[11]沈艳.Schiff试剂用于乙醇催化氧化反应产物检验方法的改进[J].化学教学,2015,(5):55-58.


[12]李周平.乙醇催化氧化实验的再改进[J].教学月刊·中学版(教学参考),2018,(Z2):104-105.


[13]王美志.乙醇催化氧化实验的改进[J].化学教学,2011,(9):43-44.


作者:周怡 蔡俊萍 刘晓玲


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