乙醇催化氧化成乙醛实验装置的探究

2006 年第 1 期 化 学 教 育
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乙醇催化氧化成乙醛实验装置的探究
黄秋玲
(湖南醴陵市教育局教研室 412200)
摘要 通过 4 个探究实验 ,步步为营 ,探究出了一套较为理想的乙醇催化氧化成乙醛的实验装置 。 关键词 催化氧化 实验装置 探究
1 问题的提出
首先我们对制 O2 的方法及装置进行了探究 。 从原理分析制 O2 有 4 种方法 :加热 KClO3 和 MnO2 混合 物 ;加热 KMnO4 ; Na2 O2 与 H2 O 反应 ; H2 O2 与 MnO2 混合 。 从装置分析 ,前 2 种制取方法装置比较复杂 ,反应不能随停 随用 ,且一旦停止加热 ,有可能引起液体倒流 ,引起试管炸 裂 ;向 Na2 O2 粉末中加水 ,Na2 O2 很快就反应完了 ,也不能达 到随停随用的目的 ;用 30 %的 H2 O2 与 MnO2 制 O2 则反应太 剧烈 ,不好控制 ,通过多次实验探索 ,决定采用 10 %～15 %的 H2 O2 水溶液较好 ,反应适中 ,便于控制 ,于是 ,我们设计了如 图 1 装置 (省略了铁架台) 。 实验中我们发现无论怎么加热与通入 O2 ,始终没有发
图3
图4 硬质玻璃管规格为 25mm ×300mm ,略向右下倾斜 ,产 生的乙醛液体可直接流到烧杯中 ,也就解决了胶塞冲出的问 题 ;浸透乙醇的棉团与铜丝相隔近些 ,这样 ,酒精灯给铜丝加 热时传导 的 热 量 就 足 以 使 乙 醇 变 成 蒸 气 ; 只 需 间 断 地 向 MnO2 中滴加 10 %～15 %的 H2 O2 水溶液 ,就能使反应持续 进行 ,且约 7min～8min 得到无色透明液体既能发生银镜反 应 ,又能与新制 Cu (O H) 2 反应得到砖红色沉淀 。此装置较 简单 ,反应时间较短 ,现象明显 ,很适合教师课堂上演示 。
参 考 文 献 [ 1 ] 中华人民共和国教育部制订. 普通高中化学课程标准 (实验) .
北京 :人民教育出版社 ,2003 [ 2 ] 黎茂坚. 化学教育 ,2003 ,24 (1) :43
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分析反思 结论 ;体验 、感受了探究的乐趣 ;融会贯通了多 个实验内容 ,从原理的理解与运用 、仪器的选择与使用 、实验 操作 、现象的观察与分析 ,全方位锻炼了学生的实验能力 ,也 锻炼和培养了他们的意志和毅力 ,开拓了思维 ,增强了自信 , 提升了创造力 。因此 ,教师在教学中应该多鼓励学生对教材 质疑 ,引导学生发现学习和生活中的化学问题 ,并给学生创 造良好的条件让他们去探究 、设计化学实验 ,让他们独立做 实验 ,尽量发挥他们的主动性 ,把学习化学的兴趣推向高潮 , 从而锻炼他们的实验技能和智能 。
2 实验探究
[ 探究实验 1 ] 我们照现行高二化学教材 (人教版) 封四 彩图进行了实验 。
试管中取适量 (约 10mL ) 的无水乙醇 ,将擦亮的铜丝绕 成螺旋状 ,在酒精灯上加热至发红 ,伸入乙醇中 ,重复约 10 次 ,历时约 10min 。可观察到的现象及得到的结论是 : ①铜 丝的颜色由紫红 —黑 —紫红 ,可以说明铜丝起了催化剂的作 用 ,乙醇夺取了 CuO 中的氧发生了氧化反应 。 ②能闻到一 股刺激性气味 ,取反应后的液体与银氨溶液反应 ,几乎得不 到银镜 ;取反应后的液体与新制的 Cu (O H) 2 碱性悬浊液共 热 ,看不到红色沉淀 ,因此无法证明生成物就是乙醛 。通过 讨论分析 ,我们认为导致实验结果不理想的原因可能有 2 个 : ①乙醇与铜丝接触面积太小 ,反应太慢 ; ②反应转化率 低 ,反应后液体中乙醛含量太少 ,乙醇的大量存在对实验造 成干扰 。 [ 探究实验 2 ] 要对实验进行改进 ,我们围绕上述两点 展开了积极的思索与讨论 。我们设想 : ①要想加快反应速 率 ,可以通过增加铜丝的根数 ,将 3 根～4 根铜丝擦亮 ,绕成 螺旋状 ,将铜丝放在乙醇中一同加热 ;再根据反应原理 : 2C2 H5 O H + O2 2C H3 C HO + 2 H2 O ,若能改空气为氧气 ,增 大氧气浓度 ,并把氧气通入乙醇中 ,也可加快反应速率 。 ② 若能将生成的乙醛从与乙醇形成的混合物中分离出来 ,就可 以减少或消除乙醇的干扰 。
图1
图2 通过实验 , 我 们 欣 喜 若 狂 , 反 应 发 生 了 , 且 约 7min ～ 8min ,得到 3mL～4mL 无色有刺激性气味的液体 ,我们将该 液体与银氨溶液反应 ,得到了光亮的银镜 ;又取该液体与新 制的 Cu (O H) 2 悬浊液混合共热 ,立刻得到了红色沉淀 ,现象 明显 ,充分证明了生成物是乙醛 。但此装置也有 2 处不足 : 一是乙醇蒸气到达硬质玻璃管后又有部分变成了液体 ,有可 能引起炽热玻璃管骤冷而炸裂 ;二是乙醛液化后大部分滞留 在硬质玻璃管中 ,且玻璃管右端的胶塞可能由于管内气压较 大而冲出 。 [ 探究实验 4 ] 要克服上述不足 ,必须设法缩短乙醇的 蒸气到达铜丝的距离 。我们将导气管缩短 ,但总有一些乙醇 蒸汽会变成液体 ,效果不令人满意 。正当我们“山重水复疑 无路”时 ,翻阅了 2003 年 1 期化学教育[2] ,其中黎茂坚老师 撰写的“实验室乙醇氧化成乙醛的微型实验”一文让我们眼 前一亮 “, 柳暗花明又一村”,将一团棉花浸透乙醇 ,并靠近铜 丝放置 ,就很好地解决了这个难题 。同时 ,我们照他的装置
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生反应 。是什么原因呢 ? 最后我们把原因聚焦到了温度上 。 通过查找资料得知 :此反应所需温度约为 550 ℃,而乙醇的沸 点为 78 ℃,故不论怎么加热 ,液体温度最多也只有 78 ℃,反 应当然不能发生 。
[ 探究实验 3 ] 要使反应达到所需温度 ,只能把铜丝单 独加热 ,再设法让乙醇与炽热的铜丝接触 。而根据前 2 次实 验的经验 ,乙醇必须变成蒸气 ,方可达到实验要求和实验目 的 。于是 ,我们又设计了第二套实验装置 ,图 2 (省略了铁架 台) 。
(2) 这次探究活动 ,对教师也是一次超越式的促进与提 高 。教师和学生一道融入到探究实验中 ,一同设计方案 ,查找 资料 ,分析原因 ,不断反思优化实验方案 ,一同感受和体验科 学研究的过程 ,既提高了自己的科学素质 ,又融洽了师生关 系 ,真正起到了教学相长的作用 。事实证明 ,书本上的知识尽 管是经过了教育教学专家的验证和审查 ,但并不表示就完美 无缺 ,总会留下一些供我们去探索的空间 ,只要我们教师在教 学中不唯书 、不唯纲 ,积极思考 ,主动探究 ,及时总结 ,就一定 会有所发现 ,有所创新 ,就能探索出一条较好的实验教学的路 子 ,就能使自己尽快成长为一个研究型 、创新型的教师 。
现行高三化学教材 (人教版) 81 页有这么一道实验习题 : 在加热和有催化剂 (Cu 或 Ag) 存在的条件下 ,工业上利用乙 醇被空气氧化成乙醛的原理 ,由乙醇制备乙醛 ,请你设计一 个实验装置 ,既能进行上述反应 ,又能利用反应后得到的乙 醛做银镜反应 。
为此 ,我们带领部分学生进行了一系列的实验探究 。
3 Байду номын сангаас究后记
(1) 著名化学家戴安邦教授说过 “: 实验室是培养全面化
学人才的场所 。”《普通高中化学课程标准》(实验稿) 也强调 : “要按照课程内容的要求 ,积极开展实验探究活动 ,通过探究 活动 ,发现学习和生产 、生活中有意义的化学问题 ,并进行实 验探究 ;能根据具体情况设计解决化学问题的实验方案 ,并 予以评价和优化 。”本次探究正是紧密结合化学教学内容而 进行的符合化学课程标准的一次活动 ,学生亲身经历了类似 科学家的研究过程 :提出问题 设想 设计方案 实验验证
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化 学 教 育 2006 年第 1 期
进行了实验 ,如图 3 ,发现此装置仍存在如下 2 方面不足 :一 是因为不能提供 O2 ,反应不能持续进行 ,当 CuO 全部变成 Cu 时 ,反应即终止 ,且无法说明 Cu 起了催化剂作用 ;二是仅 凭产生刺激性气味及生成了水就断定生成物是乙醛是不严 密的 、不科学的 。综合我们前面的实验探索经验 ,吸取他人 的优点 ,我们最终设计了如图 4 的装置 。