基于催化劑、有機氧化反應概念建構的乙醇氧化實驗改進

伏勁松+黃紅梅+彭蜀晉+張艷華

摘要：為了給催化劑、有機氧化反應概念的建構提供實驗支持，對乙醇氧化制乙醛實驗進行改進。將氧氣和乙醇蒸氣交替通過催化劑，使催化劑（銅）變黑、變亮的實驗現象交替出現，便于學生觀察，為催化劑參與化學反應的觀念建構提供實證支撐；將乙醇蒸氣通過催化劑，為建構有機氧化反應概念——得氧失氫的核心理念提供實驗支持；將乙醛制備和檢驗同時進行，節省了實驗時間，有利于課堂演示和分組實驗。

關鍵詞：乙醇氧化；催化劑；有機氧化反應；實驗改進；概念建構

文章編號：1005–6629（2017）1–0065–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

乙醇氧化制乙醛是中學化學教材必做的實驗，教材中利用該實驗講解乙醇的化學性質[1]。對于該實驗中學一線教師以及一些專家進行了改進，主要有（1）用CuO代替空氣中的氧氣做氧化劑[2～5]；（2）銅直接加熱后反應[6～9]；（3）銅與乙醇混合加熱反應[10～13]；（4）改進檢驗乙醛方法[14～17]；（5）系統改進[18]。用氧氣代替空氣，并將氧氣通入加熱的乙醇中，混合氣體通入加熱的銅絲，用新制Cu（OH）2溶液代替銀氨溶液進行乙醛的收集，制備完成后再加熱新制的Cu（OH）2溶液，用于檢驗生成的產物是乙醛。以上改進對教師講解乙醇的化學性質起到很好的支持作用，有利于學生掌握乙醇氧化生成乙醛的化學知識。我們還發現若把該實驗進行必要的改進，能為催化劑、有機氧化反應概念的建構提供實證支持，進一步擴大了實驗的教學功能。

催化劑是中學化學教學中的一個重要概念，也是學生后續化學學習的核心知識，在中學化學教材中多次出現，其主要觀點有：（1）催化劑改變化學反應的速率，但反應前后質量和化學性質不變；（2）催化劑改變化學平衡所需要的時間，但不改變平衡狀態。對于這些觀點教材中僅憑H2O2在MnO2的催化作用下生成O2的實驗來進行概念建構，有一定的困難。教材中對于催化劑概念、催化劑參與化學反應改變反應路徑從而改變化學反應的活化能進而改變化學反應速率的基本觀念沒有相應的實驗事實做支持，僅僅在過渡態理論中有一個簡單的模型闡述，不利于學生理解和概念的建立，因此直接導致學生對催化劑不改變化學平衡狀態的錯誤理解，特別對于最新研究的生物催化劑“酶”可以改變化學平衡的觀念更是缺乏了解[19]。

氧化反應是中學化學中的另一個重要概念，在初中化學教材中定義為物質與“氧”發生的反應；在高中無機化學相關內容的教學中定義為失去電子的反應或者化合價升高的反應；在有機化學中氧化反應的概念定義為物質得氧失氫的反應。在前兩個定義中有相關的化學實驗做支撐，學生能很好地建構氧化反應的概念，但對于有機化學中物質得氧失氫的定義沒有相關的實驗模型，造成學生對這一概念理解的偏差。

不少參考文獻中對該實驗的改進方法主要關注乙醇可以被氧化生成乙醛的事實，從各個方面對實驗進行了改進和優化，但對于催化劑參與化學反應的觀念以及物質失氫的反應也是氧化反應觀念建構的實驗改進并沒有涉及。

基于以上分析我們對乙醇氧化成乙醛的實驗進行改進，將氧氣和乙醇蒸氣交替地通過催化劑，使催化劑（銅）變黑、變亮的實驗現象交替出現，為催化劑參與化學反應觀念的建構提供實驗支持；隨后向催化劑（銅）通入乙醇蒸氣，為有機氧化反應概念的建構提供實證支持；此外將制備和檢驗同時進行，節省了實驗時間，有利于一線教師的課堂演示和學生分組實驗。

1 實驗改進方法

1.1 實驗裝置圖

乙醇氧化生成乙醛實驗改進后的裝置圖，見圖1。

1.2 實驗儀器和藥品

無水乙醇、銅絲、AgNO3、氨水、無水CuSO4、MnO2、堿石灰、干燥管、試管、燒杯、鐵架臺、硬質玻璃管、軟膠管、酒精燈、秒表

1.3 實驗方法

1.3.1 基于催化劑概念建構的實驗改進

1.3.1.1 實驗裝置及其實驗步驟

（1）實驗裝置見圖1。

（2）在A的試管中加入5mL無水乙醇，并置于60℃的熱水浴中；B的小試管中加入0.5g MnO2，并在分液漏斗中加入5mL 10%的H2O2溶液，B的干燥管中裝滿堿石灰；C的試管中加入繞成螺旋狀的銅絲5g，C的干燥管中裝滿無水CuSO4粉末；在D的試管中加入新配制的銀氨溶液5mL，置于水浴中并酒精燈加熱。

（3）打開B處的分液漏斗活塞，控制H2O2的滴速讓其逐滴滴入試管中，產生連續不斷的氣泡。打開B的開關，關閉A的左側開關并點燃C處的酒精燈加熱，直到銅絲完全變黑；然后關閉B的開關、打開A右側開關、關閉A上部的開關，繼續加熱到銅絲變亮。繼續重復前兩次的步驟反應3min。

1.3.1.2 實驗現象

當O2通過銅絲時，銅絲變黑，停止通O2，改通乙醇蒸氣時，銅絲變亮；此現象反復進行至 3min時，D處試管的中上部有光亮的銀鏡出現。C處的干燥管內的無水CuSO4變藍。

1.3.2 基于氧化反應概念建構的實驗改進

1.3.2.1 實驗裝置及其實驗步驟

（1）將圖1裝置中的D部分換成如下的裝置（見圖2），前面裝置不變。

（2）重復1.3.1.1（2）的方法。

（3）將A產生的乙醇蒸氣直接通入C，點燃C處的酒精燈加熱，并用小試管在D裝置的出口處收集排出的氣體，檢驗。

1.3.2.2 實驗現象

將乙醇的蒸氣通入銅絲時，能觀察到銅絲持續保持亮紅色，具支試管的中上部出現銀鏡，同時用小試管收集氣體，待冷卻后移近火焰能聽到爆鳴聲，表明有氫氣生成。C中的無水CuSO4粉末的顏色未發生改變。

2 實驗及教學運用探討

（1）本實驗裝置簡單易于搭建，同時將制備和物質檢驗實驗合二為一，節省了實驗時間，有利于教師的課堂教學演示以及學生的分組實驗。

（4）該改進實驗中乙醛通過銀鏡反應來進行檢驗，如果溶液擾動過大生成的銀不利于在試管壁上聚集，因此在通氣的時候不宜過快，以致銀鏡在試管的底部難以形成。在酒精燈加熱時C處的催化劑溫度需保持在300℃左右。

參考文獻：

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