对乙醇催化氧化实验的补充认识

唐思嘉 刘怀乐

摘要： 对乙醇氧化反应实验进行了深入研究，设计用CuO粉末作氧化剂氧化乙醇生成乙醛的实验，说明教材上红热螺旋铜丝氧化乙醇的氧化剂是CuO本身，而教材、教参、教辅等长时期把该反应视为铜起催化剂作用的催化氧化反应。设计了“乙醇的铜催化脱氢”以及“有空气参与的铜催化脱氢”两个实验，进一步实证乙醇的铜催化氧化反应机理是复杂的，既有无氧条件下铜的催化脱氢，又有空气存在下的铜的催化脱氢，还有CuO作氧化剂的氧化反应，不能一概而论。

关键词： 乙醇催化氧化; 乙醛; CuO; 实验探究

文章编号： 10056629（2019）7008003中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 曾被忽视的问题

现行高中化学教材有人教版、苏教版和鲁科版三种版本，里面有一个共同的实验几乎用了完全一样的实验方法，去认识乙醇氧化生成乙醛的反应。

实验如是描述，试管里放入几毫升乙醇，把烧呈红热的螺旋铜丝迅速插入乙醇中，反复多次，观察铜丝的变化和注意酒精气味的变化。要求学生“综合整个反应过程，说明铜丝在反应中的作用”。

有文献指出，红热螺旋状铜丝（CuO）氧化乙醇的氧化剂是氧化铜本身[1]。反应中红热的Cu丝表面被空气氧化生成黑色的CuO，是CuO把乙醇氧化成乙醛。反应过程当写成：

Cu+O2△2CuO

CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O

至于Cu丝的作用，我们提供以下几个实验来说明。

（1） 在试管里放进黄豆大小的黑色CuO粉末，加入约1mL酒精把CuO润湿，然后加热蒸干（直至灼热），会发现CuO变成紫红色的Cu，试管底呈现光亮的Cu镜，并可以闻到浓烈的乙醛气味。

（2） 把米粒大的CuO粉末放在玻璃质燃烧匙里，把燃烧匙烧至红热，迅速伸进盛有少量无水乙醇试管内的液面上方（有乙醇蒸气），燃烧匙内的黑色CuO也会立即变成红色的Cu，试管口可以闻到乙醛的气味。

（3） 在玻璃棒的一端，抹上一些黑色CuO粉末，当把烧呈红热的玻璃棒迅速伸进有乙醇蒸气的试管内，黑色CuO也立即变成红色（Cu）。同时在试管口闻到乙醛的气味。

将这三个实验与教材中红热螺旋铜丝迅速插入乙醇中的实验作比较，很有相似之处。我们的研究发现，在反复加热螺旋铜丝的过程中，可观察到红热铜丝表面有黑色氧化铜生成，当与乙醇接触后即轉化为金属铜。可见，红热铜丝起了与试管、玻璃质燃烧匙和玻璃棒等同的承载CuO的作用[2，3]。如果有人因此把这里的Cu丝视为这个反应的催化剂，那我们提供的玻璃质燃烧匙、玻璃棒还能是这个反应的催化剂么？事实上像Fe2O3、 Pb3O4、 PbO等也有完全等同于CuO的氧化还原效果。

因此，我们有理由说，以上两个反应是断续的、独立的，不同条件下的反应不宜简单地合起来写，更不能把这两个式子加合起来，在没有任何条件的情况下还在箭头上面写上Cu或Cu催化剂，很是欠妥。

2 实证乙醇的Cu催化脱氢反应生成乙醛

大学有机化学都有乙醇催化脱氢成乙醛的内容[4]。

CH3CH2OHCu， 325℃△CH3CHO+H2

根据上述反应原理，设计了图1所示的实验方法，去认识反应生成的乙醛和H2。

实验前在玻璃管内加入足量的CuO，开启启普发生器用H2排尽玻璃管内的空气（氧气），并充分还原CuO，让全部CuO都加热还原成Cu（活性铜）。然后如图1所示连接好实验装置，用酒精灯加热玻璃管（使乙醇通过活性铜时充分反应），通过酸式滴定管，以约0.40mL/min的速度滴加乙醇，使气化了的乙醇通过活性铜时充分反应。

图1 乙醇的Cu催化脱氢生成乙醛和氢气的实验装置

随着反应的进行，集气瓶中的水逐渐减少，最终进入到烧杯中，最后把烧杯中的水倒入量筒中测得水的体积，就是乙醇催化脱氢生成氢气的体积。多次实验表明，1mL的乙醇可定量收集到约365～370mL的氢气（实验在冬天室温为12℃的情况下完成），实验记录于表1。

实验后可以从集气瓶或烧杯中取出少量的液体与新制的碱性Cu（OH）2共热检验生成的乙醛。

为了验证反应生成的气体，在上述实验之后点燃集气瓶中的氢气，可以观察到H2安静地燃烧呈淡蓝色的火焰。

3 实证乙醇的Cu催化有空气条件下脱氢生成乙醛

玻璃管内放如图2所示用的活性铜（用H2还原CuO制得），然后按图2所示连接装置，用酒精灯加热玻璃管中有活性铜的部位，开启活塞，用手挤压把洗耳球体内的空气排出，将洗耳球的尖嘴接在活塞的导管下口吸气，使整个装置形成负压，水流顺着活塞导管部位流出（可调节活塞控制水流的速度），乙醇蒸气随空气进入玻璃管，在活性铜催化剂作用下发生脱氢反应生成乙醛。一段时间后，拆除装置，将盛有水的具支试管中的液体与新制的碱性Cu（OH）2共热，有红色沉淀Cu2O生成，示有乙醛。

文献和实验表明，乙醇催化脱氢原本是一个可逆反应，反应是在温度为325℃的条件下进行的。

如果在脱氢时有空气存在，比如把乙醇和空气混合在一起时，脱去的H2即和氧结合成水，反应放热促使平衡移向右方，这才有如下的反应成立：

2CH3CH2OH+O2Cu， 600℃2CH3CHO+2H2O+热

文献指出，这里空气中的O2在反应中没有起氧化作用，而是作为氢的受体[5]。可见，三种教材版本所呈现的化学反应表达式：

2CH3CH2OH+O2Cu或Ag△2CH3CHO+2H2O

或2CH3CH2OH+O2催化剂△2CH3CHO+2H2O

它们是在满足上述条件下才能成立的。

4 几点认识

（1） 教材、教参、教辅和教学，长时期把红热螺旋铜丝氧化乙醇生成乙醛的反应视为铜的催化反应，或者习惯性地把它视为催化反应。这至少说明我们对这个反应的反应过程认识不足，是应该纠正的时候了。

（2） 我们虽然没有必要向学生辨析几种（如CuO作氧化剂、无氧参与的铜催化脱氢、有氧参与的铜催化脱氢）乙醇氧化反应的机理，但是如果我们教师不明其理，甚至张冠（乙醇Cu或Ag催化氧化制乙醛）李戴（加热螺旋Cu丝氧化乙醇到乙醛）了，这种科学性错误，应当杜绝在我们教材中出现。

（3） 乙醇在铜做催化剂有空气（氧气）条件下脱氢是否存在中间产物（CuO），至今没有明确的定论。在认识上，教师应当树立一个观点——化学反应是复杂的，乙醇的铜催化氧化反应机理也是复杂的，既有无氧条件下铜的催化脱氢，又有空气存在下的铜的催化脱氢，还有CuO作氧化剂而非铜起催化作用的氧化还原反应，反应时可能几者兼而有之，不能一概而论。

（4） 著名的英国生物学家、进化论的创始人达尔文曾风趣地说：“大自然是一有机会就要说谎的。确实，大自然总是把现象、假象呈现在人们的面前，而将真相，本质深深地隐藏起来，要揭示其规律谈何容易！[6]”希望我们教材的编著、读者，多在事实的真伪上下一番功夫，去认识分析我们所讨论的问题，以期求得我们共同的进步。

参考文献：

[1]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.

[2]李先拴. 铜催化氧化乙醇生成醛的反应机理[J]. 化学教学， 2011， （9）： 45～46.

[3]戴志群. 乙醇氧化乙醛实验中铜不是催化劑[J]. 化学教学， 1993， （3）： 30.

[4]邢其毅， 徐瑞秋等. 基础有机化学（上册）（第二版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993： 391.

[5]邢其毅编. 有机化学基础[M]. 北京： 高等教育出版社， 1965： 63～64.

[6]谢希德主编. 科学思想和科学方法[M]. 上海： 上海科学普及出版社， 1999： 104.