乙醇催化氧化实验的再改进

王国洪 王伟 解慕宗

广东省教育科学规划2021年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“融合STSE教育的中学化学校本课程育人实践研究”（课题编号：2021YQJK608）的研究成果。

摘要：  针对教材和文献中乙醇催化氧化实验的不足，利用注射器、玻璃滴管及泡沫铜等实验用品设计了一套创新装置。改进后的装置不仅材料易得、推广性高，而且操作简单，现象明显。对产物的检验也作了改进：用无水硫酸铜检验产物水、利用pH传感器检验产物乙醛。改进实验可以让学生对乙醇催化氧化反应有更全面而深刻的认识。

关键词： 乙醇催化氧化； 试剂微量化； 亚硫酸钠； pH传感器； 实验改进

文章编号： 10056629（2024）04007103

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》［1］明确要求乙醇的化学性质实验为学生必做实验。乙醇的催化氧化实验是人教版必修第二册［2］第七章第三节的内容，但在实际教学中存在以下问题：（1）通过闻气味确定产物是乙醛的方式，既不科学也不符合安全性原则；（2）实验中无法找到生成水的相关证据；（3）催化剂催化效率不高，需反复操作几次才能勉强检测到乙醛，导致原料利用率低；（4）实验在敞开体系中进行，不符合绿色化学理念。

1  相关文献简评析

针对教材实验的不足，众多化学教师对乙醇催化氧化实验作了优化与改进。通过对知网近三年相关文献的梳理，发现改进内容主要围绕乙醛和水的检验、催化剂的形态等几个方面。例如，陈锦等［3］在教材实验基础上增加了注射器和单向阀从而实现乙醇催化氧化实验的简约化与绿色化。利用希夫试剂与乙醛反应变红的原理检验产物，使实验现象更加简单直观，盛有氧气的注射器可方便地补充氧气，但加热时整个装置处于密封状态，有安全隐患;张婧［4］等在硬质玻璃管中完成反应的发生、产物的检验以及尾气的处理，用棉花球蘸取无水乙醇、少量希夫试剂和酸性高锰酸钾稀溶液，实现了实验的一体化和微量化，但若加热时操作不当会使希夫试剂受热变红而发生假阳性反应，且实验没有检验产物水的生成；李婷婷［5］等将乙醇催化氧化实验转移到一大块铜片上进行，让乙醇滴在铜片折痕处边滑动边反应，液滴滑过的铜片颜色在黑色和红色之间反复变化，现象十分明显，该方案有一定的趣味性但也忽略了产物乙醛和水的检验。

上述改进方案虽在某种程度上优化了实验，但仍存在装置较复杂、原料浪费较多、产物无检验等问题。为此，笔者基于实验设计的科学性、简易性、绿色化、安全性等原则，利用玻璃滴管、泡沫铜以及注射器等创新设计了一种乙醇催化氧化装置。

2  设计思路

综合分析教材与文献中乙醇催化氧化实验的不足，有针对性地从原料、催化剂、产物检验以及装置四个方面进行改进，改进思路如表1所示。

3  实验改进方案

3.1  实验原理

乙醇在铜的催化下与氧气发生反应，生

成乙醛和水，反应式如下：

2Cu+O2△2CuO（反应1）

CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O（反应2）

2CH3CH2OH+O2Cu△2CH3CHO+2H2O（总反应）

检验乙醛的原理是乙醛和亚硫酸钠反应生成1羟基乙烷磺酸钠和氢氧化钠，溶液碱性显著增强，利用pH传感器检测pH的变化，发生的反应如下：

CH3CHO+Na2SO3+H2O

CH3CH（OH）SO3Na+NaOH

3.2  实验用品

酒精灯、5mL注射器、硅胶塞、玻璃滴管、玻璃刀、胶水、泡沫铜、饱和亚硫酸钠溶液、无水硫酸铜、威尼尔无线pH传感器、威尼尔数据采集软件等

3.3  实验装置

实验仪器及装置如图1所示。

3.4  实验步骤与现象

实验操作步骤如图2所示。

（1） 用玻璃刀将实验室常用的无色透明玻璃滴管截短至2cm左右（尖嘴处也需适当截短）。

（2） 取适量泡沫铜塞入截短的玻璃滴管中，尽量往滴管口处靠近。

（3） 在橡胶塞底部表面用胶水固定适量的无水硫酸铜，搭好反应装置。

（4） 用酒精灯外焰加热泡沫铜，拉动注射器反复吸取空气，直至泡沫铜全部氧化变黑。

（5） 缓慢拉动注射器，从酒精灯焰心处缓慢吸取未燃烧的乙醇或乙醇蒸气，同时用外焰加热泡沫铜。发现滴管和注射器内有液滴形成，无水硫酸铜变蓝，证明有水生成。

（6） 将pH传感器放入饱和亚硫酸钠溶液中，打开软件，开始计数；取下注射器，将注射器中的物质全部注入溶液中，观察溶液pH的变化。

pH变化曲线如图3所示。

3.5  实验注意事项

（1） 从酒精灯焰心处吸取的乙醇或乙醇蒸气中可能也会含有少量的水分，但这不会干扰产物水的检验，可通过如下空白试验证明：滴管中不放泡沫铜，并从焰心处吸取乙醇或乙醇蒸气，发现无水硫酸铜不变蓝。

（2） 玻璃滴管材料易得，装置仅需更换注射器和无水硫酸铜就可重复实验，但由于材质问题，玻璃滴管在经历多次加热后会破裂，更换即可。

4  实验优点

（1） 玻璃滴管和注射器均是实验室易得且廉价的材料，玻璃滴管为乙醇催化氧化的反应容器，注射器是产物乙醛的收集容器，将其组合而成的实验装置，不仅操作简单，还可重复使用，且半封闭式的体系極大程度减少了产物乙醛的污染问题。

（2） 使用的多孔泡沫铜比表面积大，反应比较充分，因而在短时间内也能获得足量的乙醛以供检验，省略重复多次操作的麻烦。

（3） 巧妙利用酒精灯焰心处未燃烧的乙醇作原料，可以极大地提高原料的利用率，也让学生感受到了化学实验的趣味性以及实验创新的魅力。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018.

［2］王晶主编. 普通高中教科书·化学·必修第二册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 78～79.

［3］陈锦， 李德前， 石磊. 借助两个注射器改进乙醇的催化氧化实验［J］. 化学教学， 2023， （5）： 63～65.

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

［5］李婷婷， 程波， 马双. 乙醇催化氧化实验创新设计［J］. 中学化学教学参考， 2021， （19）： 43～44.