乙醇催化氧化实验的改进

2019-11-05 10:17张婧牛晨韩秋霞李明雪
化学教学 2019年10期
关键词:乙醛实验改进乙醇

张婧 牛晨 韩秋霞 李明雪

摘要: 基于教材中乙醇催化氧化实验的不足,查阅相关文献,用硬质玻璃管、具支试管、注射器等实验用品,设计两套新的实验装置,对该实验进行改进。改进实验符合科学性、绿色化、安全性等原则。通过验证,确认乙醇在铜作催化剂条件下被氧气氧化为乙醛。实验操作简单且效果良好,有推广意义。

关键词: 乙醇; 催化氧化; 乙醛; 希夫试剂; 实验改进

文章编号: 10056629(2019)10005804中图分类号: G633.8文献标识码: B

1 问题的提出

人教版高中必修《化学2》第三章第三节“生活中两种常见的有机物”中,乙醇的氧化反应采用以下实验: 向试管中加入3~5mL乙醇,取一根10~15cm长的铜丝,下端绕成螺旋状,在酒精灯上灼烧成红热,插入乙醇中,反复几次。观察铜丝的变化,并小心闻试管中液体的气味。实验的原理为乙醇在铜作催化剂的条件下,被空气中的氧气氧化为乙醛。但该实验中主要产物乙醛的气味并不明显,而且反应中使用乙醇的量偏多,生成的乙醛也不作处理,不符合实验设计的简约性和绿色化原则。

为了弥补教材中实验的不足,有很多研究者对该实验作了改进[1~7]。但改进后仍存在装置复杂或药品用量过多等问题。综合以上文献的优缺点,根据化学实验设计应遵循的科学性、绿色化、安全性等原则,笔者设计了两套新的实验装置,对该实验又作了改进,改进后的实验取得了良好的效果。

2 实验原理

乙醇在铜作催化剂的条件下被氧气氧化为乙醛,其反应原理为:

乙醛的检验使用希夫试剂,希夫试剂又叫品红醛试剂,与醛反应显紫红色,反应机理如图1所示[8]。

3 实验改进方案一

3.1 实验用品

无水乙醇、稀盐酸、蒸馏水、酸性高锰酸钾稀溶液、碱性品红、无水亚硫酸钠、铜片;电子天平、铁架台(带铁夹)、硬质玻璃管、酒精灯、火柴、橡胶塞、棉花球、镊子、玻璃棒、烧杯、胶头滴管、具支试管、注射器、pH试纸

3.2 实验准备

配制盐酸酸化的希夫试剂: 取0.1g碱性品红,溶于50mL蒸馏水中充分溶解。待其沉降后,取上层清液加入约0.2g无水亚硫酸钠振荡至溶液颜色褪去。向溶液中滴加稀盐酸,酸化至pH约为2。

3.3 实验装置

根据实验原理设计如图2的实验装置,铁架台等支撑装置已略去。

3.4 实验步骤及现象

(1) 取棉花球分别蘸取无水乙醇、少量希夫试剂和酸性高锰酸钾稀溶液。

(2) 在硬质玻璃管中依次放入蘸有无水乙醇的棉花球、铜片、蘸有希夫试剂的棉花球、蘸有酸性高锰酸钾稀溶液的棉花球,塞上橡胶塞,如图2所示。

(3) 将硬质玻璃管用鐵夹固定在铁架台上。

(4) 点燃酒精灯,缓慢预热硬质玻璃管,然后集中加热铜片,待铜片变黑时停止加热。

(5) 用酒精灯加热蘸有无水乙醇的棉花球,观察到铜片变红,蘸有希夫试剂的棉花球变为紫红色,蘸有酸性高锰酸钾稀溶液的棉花球褪色。实验结束,熄灭酒精灯。

(6) 再取一个蘸有希夫试剂的棉花球,滴加无水乙醇,观察到没有颜色变化。

3.5 实验评价

3.5.1 实验优点

(1) 实验方案科学安全,装置简洁,实验现象明显,产物检测直观。

(2) 实验药品为一次性加入,操作简单。

(3) 用蘸有酸性高锰酸钾稀溶液的棉花球吸收尾气,绿色环保。

3.5.2 实验反思

(1) 实验中药品之间的距离较近,加热铜片时,可能对希夫试剂有影响,会消耗亚硫酸,使溶液恢复品红的颜色,出现假阳性反应,应当小心操作。

(2) 棉花球吸取无水乙醇的量稍多,加热时乙醇容易沸腾,发出噼啪声。

针对方案一的不足,笔者设计了方案二。

4 实验改进方案二

4.1 实验用品

无水乙醇、稀盐酸、蒸馏水、酸性高锰酸钾稀溶液、碱性品红、无水亚硫酸钠、铜片;电子天平、铁架台(带铁夹)、后具支试管、酒精灯、火柴、注射器(1mL)、乳胶塞、棉花球、镊子、玻璃棒、烧杯、胶头滴管、pH试纸

4.2 实验准备

配制盐酸酸化的希夫试剂,与方案一相同。

4.3 实验装置

根据实验原理,改进方案一的不足之处,设计了如图3的实验装置,铁架台等支撑装置已略去。

4.4 实验步骤及现象

(1) 用1mL注射器吸取0.5mL无水乙醇。

(2) 取棉花球分别蘸取少量希夫试剂和酸性高锰酸钾稀溶液。

(3) 在后具支试管中依次放入铜片、蘸有希夫试剂的棉花球、蘸有酸性高锰酸钾稀溶液的棉花球,在支管口塞上乳胶塞,如图3所示。

(4) 将后具支试管用铁夹固定在铁架台上。

(5) 点燃酒精灯,缓慢预热具支试管,然后集中加热铜片,待铜片变黑时停止加热,熄灭酒精灯。

(6) 将注射器针头插入乳胶塞,逐滴注入乙醇。观察到铜片变红,蘸有希夫试剂的棉花球变为紫红色,蘸有酸性高锰酸钾稀溶液的棉花球褪色。

(7) 再取一个蘸有希夫试剂的棉花球,滴加无水乙醇,观察到没有颜色变化。

4.5 实验评价

4.5.1 实验优点

(1) 实验方案科学安全,现象明显,产物检测直观,易于操作,课堂演示效果好,也方便学生动手实验,可以推广。适用于学习乙醇的氧化反应,让学生在实验中学习化学,提高学生的学习兴趣,培养学生的科学素养。

(2) 与方案一相比,方案二避免了药品间的距离过近而产生的干扰,铜片与蘸有希夫试剂的棉花球的距离较远,加热铜片不会对希夫试剂产生影响,避免出现假阳性反应,况且乙醇是在铜片变黑后再加入的。

(3) 与方案一相比,方案二无水乙醇的用量较少,符合实验设计的简约性原则。

(4) 用蘸有酸性高锰酸钾稀溶液的棉花球吸收尾气,符合實验设计的绿色化原则。

4.5.2 实验反思

(1) 方案二中使用的后具支试管不属于常规仪器。

(2) 与方案一相比,方案二的药品分为两次加入,稍显复杂。

5 实验结论

乙醇不能使希夫试剂显色而乙醛可以,蘸有希夫试剂的棉花球变为紫红色说明生成了乙醛。通过对比实验得出结论: 乙醇在铜作催化剂的条件下被氧气氧化为乙醛。

6 实验注意事项

(1) 希夫试剂配制完成后呈无色,应保存在棕色瓶中,在配完两天内使用。如果使用前发现溶液已经变成粉红色,则不能使用,需要重新配制。

(2) 希夫试剂检验醛时,溶液里不能存在碱性物质和氧化剂,也不能加热。方案一加热铜片时应小心操作,防止蘸有希夫试剂的棉花球因受热而恢复品红的颜色,产生假阳性反应。

7 结语

乙醇的催化氧化实验是学习乙醇性质的重要实验,也是学习高中化学中有机推断的重要基础。本次对乙醇催化氧化实验的改进,符合化学实验设计科学性、绿色化、安全性、可行性和简约性的原则,证明了乙醇在铜作催化剂的条件下被氧气氧化为乙醛,实验操作简单,实验效果良好,可作为演示或分组实验推广。对某些典型实验进行改进创新,符合新课程标准的要求,可以让学生在实验中学习化学,促进学生学习方式的转变,激发学生学习化学的兴趣,培养学生的创新精神和实践能力,发展学生的化学学科核心素养。

参考文献:

[1]刘怀乐. 补充一个Cu催化(脱氢)氧化乙醇的实验[J]. 化学教与学, 2017, (11): 94, 85.

[2]林志勤, 陶婉秋, 李桂林等. 于细微处探究——以乙醇催化氧化实验的改进为例[J]. 中学化学教学参考, 2017, (21): 49~50.

[3]康丽, 刘娜, 许春丽. 乙醇催化氧化实验的改进[J]. 化学教育, 2017, 38(5): 66~67.

[4]陈彩凤, 陈迪妹, 胡加烽等. 乙醇催化氧化实验的优化设计[J]. 教育与装备研究, 2016, 32(9): 61~63.

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

[6][8]沈艳. Schiff试剂用于乙醇催化氧化反应产物检验方法的改进[J]. 化学教学, 2015, (5): 55~58.

[7]张军. 乙醇催化氧化的实验设计[J]. 中学化学教学参考, 2015, (5): 62.

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