基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究

劉睿琪

摘要：對乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)：一是控制銅絲與反應(yīng)物的距離，使銅絲持續(xù)紅熱以強(qiáng)調(diào)銅絲的催化作用；二是利用傳感器及實(shí)時(shí)測定實(shí)驗(yàn)中銅絲附近氧氣含量的變化和反應(yīng)容器中水蒸氣含量的變化。幫助學(xué)生基于客觀實(shí)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建乙醇被氧化成乙醛的理解。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；乙醇催化氧化

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12x-0096-02

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.024

一、問題的提出

“乙醇的催化氧化”作為新人教版化學(xué)必修第二冊的重要實(shí)驗(yàn)，承載的不僅僅是乙醇的還原性的知識(shí)載體功能，更多的是培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對有機(jī)化學(xué)中基于碳骨架和官能團(tuán)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究能力。

教材實(shí)驗(yàn)通過多次循環(huán)觀察銅在空氣中氧化成氧化銅，氧化銅與乙醇反應(yīng)2CH3CH2OH+O2-△→2CH3CHO+2H2O，判斷乙醇與氧氣反應(yīng)，盡管能夠讓學(xué)生理解催化劑的反應(yīng)原理，但重復(fù)多次的操作不利于學(xué)生理解“真實(shí)情境”下催化劑銅在乙醇和氧氣反應(yīng)中的催化作用和效率。尤為不足的是，沒有通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷反應(yīng)物氧氣的參與以及水的生成，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)后方程式的呈現(xiàn)沒有足夠“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”支撐。

二、問題的解決

為此，對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行以下改進(jìn)。一是控制銅絲與反應(yīng)物的距離，使銅絲持續(xù)紅熱以強(qiáng)調(diào)銅絲的催化作用；二是利用傳感器在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測定銅附近氧氣含量的變化，以及容器內(nèi)空氣中水蒸氣含量的變化，旨在呈現(xiàn)出定性到相對定量的變化。幫助學(xué)生基于客觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象確定反應(yīng)物和生成物從而完成對反應(yīng)的認(rèn)識(shí)和反應(yīng)化學(xué)方程式的書寫。

筆者設(shè)計(jì)的“乙醇的催化氧化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)”裝置圖如圖1所示。

具體實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象為：

第一步：組裝實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)試好傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦。

第二步：在一支20mL試管中加入約10 mL無水乙醇。點(diǎn)燃酒精燈，用試管夾取裝有無水乙醇的試管。取準(zhǔn)備好的銅絲將螺旋狀的下端在酒精燈上灼燒（變黑）后，插入無水乙醇液面下（變紅），重復(fù)一次。將銅絲擱置好，熄滅酒精燈。

第三步：將試管內(nèi)含有大量乙醇的液體緩慢倒入500 mL燒杯中。點(diǎn)燃酒精燈，再將銅絲下端在酒精燈上灼燒至紅熱后，馬上將銅絲插入燒杯中，調(diào)整螺旋狀銅絲，與兩個(gè)傳感器以及燒杯的內(nèi)壁都保持一定的距離。此時(shí)銅絲持續(xù)保持紅熱（見圖2）。

第四步：觀察與數(shù)據(jù)采集器連接的電腦屏幕，發(fā)現(xiàn)氧氣含量持續(xù)降低，說明氧氣作為反應(yīng)物在不斷減少（見圖3）；濕度不斷增大，表明生成物有水（見圖4）。

第五步：待氧氣濃度降低到一定程度反應(yīng)停止后，取出銅絲，用扇聞法小心地聞燒杯中液體產(chǎn)生的氣味（有刺激性氣味）。

三、說明與反思

為保證安全，自制裝置沒有“絕對密封”。但傳感器測定的是螺旋狀銅絲附近區(qū)域的數(shù)值，具有一定的可信度，特別是濕度在測試的243秒時(shí)間內(nèi)從77. 14%增大到82.86%，起始的77. 14%就是空氣的濕度，足以表明實(shí)驗(yàn)有水蒸氣生成。同時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行到2 min 55 s時(shí)氧氣的含量從起始19.62%降到最低6.13%，氧氣太少導(dǎo)致銅絲不再紅熱（停止反應(yīng)），外面空氣滲入（沒有“絕對密封”），含氧量逐漸增大。但溫度不夠，反應(yīng)不能再進(jìn)行。所以含氧量的測定也具有可信度。

實(shí)驗(yàn)操作過程中，傾倒液體時(shí)要注意液體不要與傳感器接觸；銅絲放人到燒杯中后要調(diào)整螺旋狀銅絲與傳感器和燒杯內(nèi)壁的距離，以免高溫對裝置造成損壞。

為確保實(shí)驗(yàn)成功，最后一次螺旋狀銅絲在酒精燈上加熱時(shí)間長一點(diǎn)，直到看到有紅熱出現(xiàn)再插入燒杯中，否則有可能看不到理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)用品（硬紙、廢光盤）易得，組裝的裝置可多次使用，操作簡單方便，成功率高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，反應(yīng)裝置中燒杯內(nèi)壁有液滴的思考、熱的氧化銅插入裝有乙醇試管上端時(shí)的現(xiàn)象等引發(fā)的關(guān)于乙醇揮發(fā)性、反應(yīng)熱效應(yīng)的問題思考，是引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的重要途徑，可以幫助學(xué)生基于客觀實(shí)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建對乙醇被氧化成乙醛的理解。