基于催化劑、有機(jī)氧化反應(yīng)概念建構(gòu)的乙醇氧化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

伏勁松+黃紅梅+彭蜀晉+張艷華

摘要：為了給催化劑、有機(jī)氧化反應(yīng)概念的建構(gòu)提供實(shí)驗(yàn)支持，對(duì)乙醇氧化制乙醛實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。將氧氣和乙醇蒸氣交替通過(guò)催化劑，使催化劑（銅）變黑、變亮的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象交替出現(xiàn)，便于學(xué)生觀察，為催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的觀念建構(gòu)提供實(shí)證支撐；將乙醇蒸氣通過(guò)催化劑，為建構(gòu)有機(jī)氧化反應(yīng)概念——得氧失氫的核心理念提供實(shí)驗(yàn)支持；將乙醛制備和檢驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有利于課堂演示和分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：乙醇氧化；催化劑；有機(jī)氧化反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；概念建構(gòu)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）1–0065–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

乙醇氧化制乙醛是中學(xué)化學(xué)教材必做的實(shí)驗(yàn)，教材中利用該實(shí)驗(yàn)講解乙醇的化學(xué)性質(zhì)[1]。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)中學(xué)一線教師以及一些專家進(jìn)行了改進(jìn)，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(yīng)[6～9]；（3）銅與乙醇混合加熱反應(yīng)[10～13]；（4）改進(jìn)檢驗(yàn)乙醛方法[14～17]；（5）系統(tǒng)改進(jìn)[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(jìn)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(yàn)生成的產(chǎn)物是乙醛。以上改進(jìn)對(duì)教師講解乙醇的化學(xué)性質(zhì)起到很好的支持作用，有利于學(xué)生掌握乙醇氧化生成乙醛的化學(xué)知識(shí)。我們還發(fā)現(xiàn)若把該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行必要的改進(jìn)，能為催化劑、有機(jī)氧化反應(yīng)概念的建構(gòu)提供實(shí)證支持，進(jìn)一步擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。

催化劑是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要概念，也是學(xué)生后續(xù)化學(xué)學(xué)習(xí)的核心知識(shí)，在中學(xué)化學(xué)教材中多次出現(xiàn)，其主要觀點(diǎn)有：（1）催化劑改變化學(xué)反應(yīng)的速率，但反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變；（2）催化劑改變化學(xué)平衡所需要的時(shí)間，但不改變平衡狀態(tài)。對(duì)于這些觀點(diǎn)教材中僅憑H2O2在MnO2的催化作用下生成O2的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行概念建構(gòu)，有一定的困難。教材中對(duì)于催化劑概念、催化劑參與化學(xué)反應(yīng)改變反應(yīng)路徑從而改變化學(xué)反應(yīng)的活化能進(jìn)而改變化學(xué)反應(yīng)速率的基本觀念沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)做支持，僅僅在過(guò)渡態(tài)理論中有一個(gè)簡(jiǎn)單的模型闡述，不利于學(xué)生理解和概念的建立，因此直接導(dǎo)致學(xué)生對(duì)催化劑不改變化學(xué)平衡狀態(tài)的錯(cuò)誤理解，特別對(duì)于最新研究的生物催化劑“酶”可以改變化學(xué)平衡的觀念更是缺乏了解[19]。

氧化反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的另一個(gè)重要概念，在初中化學(xué)教材中定義為物質(zhì)與“氧”發(fā)生的反應(yīng)；在高中無(wú)機(jī)化學(xué)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中定義為失去電子的反應(yīng)或者化合價(jià)升高的反應(yīng)；在有機(jī)化學(xué)中氧化反應(yīng)的概念定義為物質(zhì)得氧失氫的反應(yīng)。在前兩個(gè)定義中有相關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)做支撐，學(xué)生能很好地建構(gòu)氧化反應(yīng)的概念，但對(duì)于有機(jī)化學(xué)中物質(zhì)得氧失氫的定義沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停斐蓪W(xué)生對(duì)這一概念理解的偏差。

不少參考文獻(xiàn)中對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法主要關(guān)注乙醇可以被氧化生成乙醛的事實(shí)，從各個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，但對(duì)于催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的觀念以及物質(zhì)失氫的反應(yīng)也是氧化反應(yīng)觀念建構(gòu)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)并沒(méi)有涉及。

基于以上分析我們對(duì)乙醇氧化成乙醛的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，將氧氣和乙醇蒸氣交替地通過(guò)催化劑，使催化劑（銅）變黑、變亮的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象交替出現(xiàn)，為催化劑參與化學(xué)反應(yīng)觀念的建構(gòu)提供實(shí)驗(yàn)支持；隨后向催化劑（銅）通入乙醇蒸氣，為有機(jī)氧化反應(yīng)概念的建構(gòu)提供實(shí)證支持；此外將制備和檢驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有利于一線教師的課堂演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

乙醇氧化生成乙醛實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的裝置圖，見(jiàn)圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

無(wú)水乙醇、銅絲、AgNO3、氨水、無(wú)水CuSO4、MnO2、堿石灰、干燥管、試管、燒杯、鐵架臺(tái)、硬質(zhì)玻璃管、軟膠管、酒精燈、秒表

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 基于催化劑概念建構(gòu)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

（2）在A的試管中加入5mL無(wú)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(wú)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(kāi)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(chǎn)生連續(xù)不斷的氣泡。打開(kāi)B的開(kāi)關(guān)，關(guān)閉A的左側(cè)開(kāi)關(guān)并點(diǎn)燃C處的酒精燈加熱，直到銅絲完全變黑；然后關(guān)閉B的開(kāi)關(guān)、打開(kāi)A右側(cè)開(kāi)關(guān)、關(guān)閉A上部的開(kāi)關(guān)，繼續(xù)加熱到銅絲變亮。繼續(xù)重復(fù)前兩次的步驟反應(yīng)3min。

1.3.1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)O2通過(guò)銅絲時(shí)，銅絲變黑，停止通O2，改通乙醇蒸氣時(shí)，銅絲變亮；此現(xiàn)象反復(fù)進(jìn)行至 3min時(shí)，D處試管的中上部有光亮的銀鏡出現(xiàn)。C處的干燥管內(nèi)的無(wú)水CuSO4變藍(lán)。

1.3.2 基于氧化反應(yīng)概念建構(gòu)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將圖1裝置中的D部分換成如下的裝置（見(jiàn)圖2），前面裝置不變。

（2）重復(fù)1.3.1.1（2）的方法。

（3）將A產(chǎn)生的乙醇蒸氣直接通入C，點(diǎn)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(yàn)。

1.3.2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

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

2 實(shí)驗(yàn)及教學(xué)運(yùn)用探討

（1）本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單易于搭建，同時(shí)將制備和物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)合二為一，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有利于教師的課堂教學(xué)演示以及學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。

（4）該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中乙醛通過(guò)銀鏡反應(yīng)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果溶液擾動(dòng)過(guò)大生成的銀不利于在試管壁上聚集，因此在通氣的時(shí)候不宜過(guò)快，以致銀鏡在試管的底部難以形成。在酒精燈加熱時(shí)C處的催化劑溫度需保持在300℃左右。

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