乙醇催化氧化反应产物的探究

摘 要： 对乙醇催化氧化实验进行再改进，证明乙醇催化氧化实验的产物中含有乙醛、乙酸和二氧化碳。通过该实验打破了乙醇催化氧化产物只有乙醛的认知，培养了学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

关键词： 实验改进； 乙醇催化氧化反应； 实验探究

文章编号： 10056629（2024）12007604

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

乙醇催化氧化实验是高中有机化学的经典实验之一，现行的几种版本教材中的实验方案均为：向试管中加入约2mL无水乙醇，取一根光洁的铜丝绕成螺旋状，置于酒精灯外焰上加热，然后伸入无水乙醇中，反复几次，观察铜丝的变化，闻一闻液体的气味［1～3］。有多篇文献资料指出，教材中乙醇催化氧化实验通过闻气味的方法确定反应产物，没有较强的说服力［4，5］。生成的乙醛易溶解在乙醇之中，难以闻到刺激性气味；乙醇容易挥发，对挥发出来的乙醛的气味有干扰；生成乙醛的量较少，很难通过闻气味的方法判断是否有乙醛生成，即使闻到了刺激性的气味，也不能说明产物为乙醛。

在一次乙醇催化氧化实验教学时，教师让学生按教材中的实验方案完成该实验，完成实验后让学生描述该实验的现象：铜丝由黑色变为红色，试管中闻到了刺激性的气味。这时有一位学生提出，在铜丝表面有气泡产生，会不会是CO2气体，其依据是：在初中学习过CO还原氧化铜，在CO还原氧化铜的过程中，其反应为CuO+CO△Cu+CO2，在该反应中氧化铜为氧化剂，二氧化碳为氧化产物，根据氧化还原反应的规律，氧化剂的氧化性大于氧化产物，则氧化铜的氧化性大于二氧化碳。因此，从理论上分析可得，乙醇也有可能被氧化铜氧化为二氧化碳。又一个学生提出，红热的氧化铜能否将乙醇氧化为乙酸呢？乙酸也有刺激性气味，所以根据是否有刺激性气味，无法判断乙醇氧化的产物一定是乙醛。乙醇催化氧化产物中究竟有没有CO2和乙酸？这些问题和悬念的提出，激发了学生对该实验的进一步探究的欲望。为此，我们对教材中乙醇催化氧化实验进行了再改进，并对其氧化产物的成分进行了探究。

2 文献中乙醇催化反应产物的检验案例简介

2.1 乙醛的检验

刘全兴用新制的氢氧化铜悬浊液检验乙醛［6］，但该方案操作复杂，反应速率慢，短时间难以观察到氢氧化铜悬浊液中产生的砖红色沉淀。伏劲松利用银氨溶液检验乙醛，用无水硫酸铜检验生成的水［7］，同样，改进后的实验装置和操作均比较复杂，不利于课堂演示和分组实验。胡崇安等用酸性高锰酸钾溶液检验产物中的乙醛［8］，由于乙醇易挥发，乙醇蒸气会干扰乙醛的检验，即使高锰酸钾溶液退色，也不能证明产物中一定存在乙醛。王志美使用碱性K2MnO4溶液检验产物中的乙醛［9］，碱性K2MnO4溶液的氧化性较弱，与乙醛反应较慢，在实验的过程中难以观察到碱性K2MnO4溶液变为绿色，且碱性条件下锰酸钾不稳定，自身也可以分解。陈锦等利用希夫试剂检验生成的乙醛，虽然检验乙醛比较灵敏［10］，但实验过程中只用酒精灯给试管内的铜丝加热，乙醇挥发得较慢，铜丝由红色变为黑色的现象也比较慢。

2.2 乙酸的检验

潘虹等人用浸湿的蓝色石蕊试纸检验产物中的乙酸，将红热的铜丝从无水乙醇中取出后，用橡皮圈固定一片浸湿的蓝色石蕊试纸，伸进反应后的乙醇液面上方，蓝色试纸迅即变红，证明乙醇催化氧化产物中有乙酸［11］。但该实验没有在闭密的体系中完成，生成的乙醛逸出对环境造成污染，同时取出铜丝后，再用蓝色石蕊试纸检验，体系的温度降低，生成的乙酸大部分冷凝，蓝色石蕊试纸的变色不很明显。若反应过程中生成了CO2，也可使蓝色石蕊试纸变红，因此无法排除是二氧化碳使蓝色石蕊试纸变红。

2.3 二氧化碳的检验

杜文敏、潘虹等人用吸有澄清石灰水的胶头滴管，伸入到乙醇反应后的液面上方，轻轻挤压胶头滴管，让滴管尖端悬挂一滴石灰水，放松胶头，再慢慢挤压胶头，反复操作2～3次，以此方法检验CO2［12，13］。但该操作过程中难以控制胶头的挤压程度，操作不当可导致澄清石灰水滴入乙醇溶液中。由于反应中生成的二氧化碳较少，一滴石灰水和CO2的接触面积小，也难以观察到澄清石灰水变浑浊的现象。

3 探究乙醇催化氧化产物中的乙醛和乙酸

3.1 实验用品

希夫试剂、铜丝、无水乙醇、试管、酒精灯、pH试纸、胶头滴管、棉棒、二氧化碳

3.2 实验原理

（1） 乙醛的检验：希夫试剂（Schiff）又称品红亚硫酸试剂，能与醛类物质作用显紫红色，与酮作用不显色，其变色原理如图1所示［14］。

（2） 乙酸的检验：乙酸是一种弱酸，其酸性强于碳酸，其溶液呈酸性，可以使pH试纸变红。

3.3 实验步骤

（1） 取一根光洁的铜丝绕成螺旋状，在离螺旋状一端5cm处，固定一棉棒头，在离棉棒头2～3cm处固定一张pH试纸。在棉棒头上滴1滴无水乙醇，用希夫试剂将棉棒头恰好润湿；再用蒸馏水润湿pH试纸。将铜丝的上端插入到橡胶塞中，如图2所示。

（2） 在试管中加入2～3mL无水乙醇，把螺旋状的铜丝在酒精灯上加热至红热，伸入到盛有无水乙醇的试管中，用橡胶塞塞住试管口，观察实验现象。

（3） 再取一张湿润的pH试纸，将其伸入到盛有纯净的二氧化碳气体中，与铜丝上端的pH试纸颜色变化进行对比。

3.4 实验现象及结论

在棉棒头上滴1滴无水乙醇，然后用希夫试剂将棉棒头润湿，棉棒头没有明显的变化，说明所使用的乙醇中没有乙醛。把铜丝加热至红热后，伸入到无水乙醇中，铜丝表面有大量的气泡产生，红热的铜丝由黑色变为红色，棉棒头变为紫红色，则说明乙醇催化氧化产物中有乙醛产生。铜丝上方的pH试纸变为红色，其pH约为3，实验现象如图3所示。用pH试纸测得伸入到二氧化碳气体中的pH约为6。

乙醇催化氧化试管中pH小于二氧化碳中的pH。通过以上实验现象可证明，乙醇催化氧化产物中有乙醛和乙酸。故不能用闻刺激性气味证明乙醇催化氧化产物中是否有乙醛。

4 探究乙醇催化氧化产物中的二氧化碳

4.1 实验用品

铜丝、无水乙醇、双颈烧瓶、酒精灯、胶头滴管、数字化探究实验仪器二氧化碳传感器（江苏苏威尔科技有限公司）、电脑

4.2 实验步骤

（1） 取一根光洁的铜丝绕成螺旋状，将铜丝的上端插入到橡胶塞中。

（2） 在双颈烧瓶中加入少许无水乙醇，在右侧瓶口插入二氧化碳传感器，打开数据采集器开关。

（3） 把螺旋状的铜丝在酒精灯上加热至红热，从中间瓶口将红热的铜丝伸入双颈烧瓶中，用橡胶塞塞住试管口，实验装置如图4所示。观察实验现象。

4.3 实验现象及结论

先把二氧化碳传感器插入双颈烧瓶中，打开数据采集器的开关，观察到二氧化碳的含量保持稳定状态。当把螺旋状的铜丝在酒精灯上加热至红热，伸入到盛有无水乙醇的双颈烧瓶中，观察到铜丝表面由黑色变为红色；数据采集器中二氧化碳的含量逐渐增大。通过该实验现象，证明本乙醇催化氧化实验的产物中有二氧化碳产生。

5 结语

现行教材中的乙醇催化氧化实验，让学生通过闻气味检验乙醛的生成并不科学，同时实验中产生的乙醛对师生的健康也会造成危害，不利于教师的演示或学生的分组实验。因此，对乙醇催化氧化实验的再改进以及产物成分的检验，是对现有教材中该实验的很好的补充。教师在教学中应引导学生深入研究实验的每一个细节，要多思考，不断地进行探究与创新，或许会有意外的收获。

参考文献：

［1］王晶， 郑长龙主编. 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.

［2］王磊， 陈光巨主编. 普通高中教科书·化学必修第二册［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2019： 104.

［3］王祖浩主编. 普通高中化学课程标准实验教科书·化学2（必修）［M］. 南京： 江苏教育出版社， 2014： 7+QGEvQuq6VH/Hj2QwByL8w==0.

［4］唐思嘉， 刘怀乐. 对乙醇催化氧化实验的补充认识［J］. 化学教学， 2019， （7）： 80～82.

［5］王国洪， 王伟， 解慕宗. 乙醇催化氧化实验的再改进［J］. 化学教学， 2024， （4）： 71～73.

［6］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， （11）： 63～65.

［7］伏劲松， 黄红梅， 彭蜀晋. 基于催化剂、有机氧化反应概念建构的乙醇氧化实验改进［J］. 化学教学， 2017， （1）： 65～67.

［8］胡崇安， 丁伟. 乙醇催化氧化实验的改进［J］. 化学教育， 2011， （12）： 71.

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

［10］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.

［11］［13］潘虹， 杜文敏， 朱华英， 刘怀乐. 乙醇氧化反应实验的再认识［J］. 化学教学， 2016， （5）： 58～60.

［12］杜文敏. 乙醇的（Cu）催化氧化实验补遗［J］. 化学教与学， 2018， （5）： 92～93.

［14］杨宝权. 乙醇催化氧化实验的改进［J］. 化学教育， 2003， （1）： 45～46.