乙醇催化氧化实验的改进

摘 要： 为使学生更好地理解乙醇催化氧化反应中断键与成键规律，在教材实验的基础上，采用定制的双支试管为反应容器，借用粉笔、洗脸巾、口罩、多孔泡沫铜等吸附材料和仪器，改进并简化了实验装置。改进后的实验装置一体化、操作简便、反应可控、快速高效、教学效果良好。辅以乙醇脱氢酶的作用实验，使学生更好地理解醇类催化氧化反应的实质。

关键词： 乙醇催化氧化； 脱氢反应； 吸附材料； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2024）11-0065-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在有机化学板块中要求结合典型实例认识官能团与性质的关系，引导学生从断键和成键的角度概括反应特征与规律，认识具有不同官能团的有机化合物在一定条件下是可以转化的［1］。乙醇是高中阶段学习的第一种烃的衍生物，醇类化合物的性质

实质上就是羟基的性质。乙醇的催化氧化反应实现了羟基向醛基的转化，它不仅是氧化反应还属于典型的脱氢反应（断裂羟基氢和α氢）。因此，乙醇催化氧化实验在引导学生官能团性质学习中占据重要的地位［2］。人教版必修第二册的演示实验是将绕成螺旋状的铜丝灼烧后插入乙醇溶液中，重复操作数次，观察铜丝变化并小心地嗅闻液体产生的气味。通过铜丝红黑交替现象和嗅到刺激性气味验证乙醇发生了氧化反应。

该实验存在以下不足：

（1）乙醛具有强烈的刺激性气味和毒性，可刺激皮肤、黏膜，敞开体系导致了乙醛逸出污染环境；（2）乙醇催化氧化实验所需温度在300℃左右，而冷的乙醇溶液会使红热铜丝的温度降低，使实验现象不够明显，生成的少量乙醛溶解在乙醇中难以挥发；（3）实验过程中不易嗅到刺激性气味，是因为生成的乙醛有较强的还原性，被氧气进一步氧化为乙酸。基于此，我们对乙醇催化氧化实验进行了再改进。

2 相关文献评析

查阅并整理了相关文献资料，发现对该实验的改进主要集中于乙醛的检验、实验材料的优化和实验装置的改进三个方面：周如磊［3］利用治疗高血压的常见药物硝普钠与乙醛的显色反应进行检验，该方法新颖、简单且高效，不足之处在于不能重复实验以体验铜丝作催化剂的效果；张婧等［4］取适量的碱性品红配制希夫试剂与乙醛作用显紫红色，可用于醛类化合物的灵敏检验，但希夫试剂性质不稳定，不可久置，且有时会出现假阳性反应；王国洪等［5］利用色度计检测乙醛与希夫试剂反应后溶液的吸光度，发现多孔泡沫铜

有较强的吸附能力，乙醇与多孔泡沫铜的反应现象明显。但由于是微型化改进，狭小的玻璃滴管不能提供充足的氧气而无法重复演示；胡秀美［6］通过自制的Y形管设计乙醇催化氧化及乙醛检验的一体化装置，但因其密闭体系不能再次加热铜丝，故作为演示实验教学效果不大。

要使乙醇催化氧化实验有很好的教学效果需要提供充足的氧气、优良的催化剂、乙醛的灵敏检验和密闭的一体化装置。此外，评价教学实验是否良好要看其是否能更好地服务教与学和具有创新性，且实验的最终目的是透过宏观现象学习微观本质，有机反应中的氧化是指有机物引入氧或脱去氢的反应，而仅用生成的乙醛来推断化学键的断裂与形成是欠说服力的，学生较难理解。在“人体解酒”过程中乙醇与乙醇脱氢酶的作用恰能体现乙醇发生催化氧化的实质是脱氢反应，降低了学生理解的难度，且对学习其他醇类化合物的催化氧化有很好的迁移作用。因此，在满足教材实验的基础上，辅助以乙醇与乙醇脱氢酶作用的实验对学习乙醇及醇类化合物催化氧化的性质有事半功倍之效。

3 实验部分

3.1 实验仪器及药品

仪器：20mm×120mm、 20mm×180mm双支试管1个、电烙铁1个、粉笔1支、胶头滴管3支、针筒2支（带针尖）、翻盖塞2个、剪刀1把、酒精灯1个、铁架台1个、量筒1个、口罩1个、洗脸巾1张、电子天平1台、温度计1支、药匙1个

药品：无水乙醇、多孔泡沫铜、过氧化氢溶液（10%）、二氧化锰、乙醇脱氢酶、硝普钠（亚硝基铁氰化钠）、氢氧化钠溶液（10%）、酸性高锰酸钾溶液（0.1mol/L）、蒸馏水

3.2 乙醇催化氧化反应的实验

改进后的实验装置如图1所示（铁架台、夹具等略）。

3.2.1 实验步骤及现象

（1） 组装实验药品。在双支试管斜管中加入2mL过氧化氢溶液，用口罩内侧纱布吸附二氧化锰粉末，并用细线吊于斜管口部被翻盖塞压住以固定；直管底部放入3颗无水乙醇浸润的短粉笔，将泡沫铜剪成长条缠绕于电烙铁发热部位穿过翻盖塞置于直管中。取约0.2g硝普钠溶于20mL蒸馏水中配制1%亚硝基铁氰化钠溶液，并用胶头滴管将其吸附于洗脸巾长条置于直管内壁。

（2） 打开电烙铁开关加热几分钟，待泡沫铜从橘红色氧化为紫黑色时关闭电烙铁。立即点燃酒精灯加热直管底部的粉笔，使受热挥发的乙醇蒸气与泡沫铜接触，1分钟内泡沫铜恢复橘红色。

（3） 倾斜斜管，使过氧化氢溶液与吸附二氧化锰粉末的口罩接触反应，生成的气体扩散到直管中。约30秒后脱离催化剂降低反应速率，减少氧气的生成量。

（4） 打开电烙铁开关，重复操作步骤（2）（3）数次，可反复观察泡沫铜呈橘红-紫黑色交替变化。（2Cu+O2△2CuO； CuO+CH3CH2OHCu+CH3CHO+H2O；总反应为：2CH3CH2OH+O2Cu/Ag△2CH3CHO+2H2O）

（5） 检验产物乙醛。用针筒1吸取氢氧化钠溶液，插入翻盖塞滴落在浸有亚硝基铁氰化钠溶液的洗脸巾后变为血红色。

（6） 尾气处理。用针筒2吸取酸性高锰酸钾溶液注入双支试管至紫红色不再退去。（5CH3CHO+2KMnO4+3H2SO45CH3COOH+2MnSO4+K2SO4+3H2O）

3.2.2 关于实验的几点说明

（1） 若直接加热无水乙醇会使乙醇蒸气急增使试管内部压强增大，气流可能会冲开翻盖塞，操作不安全。

曾尝试用脱脂棉吸附无水乙醇加热，但脱脂棉受热碳化变黑且有滋滋的响声，效果不佳。后发现粉笔是很好的吸附材料能够产生稳定的乙醇蒸气与泡沫铜接触反应。

（2） 口罩内层纱布是疏松多孔结构，可以吸附少量二氧化锰粉末使过氧化氢分解速率不易过快，并根据接触反应的时间控制氧气产生的量。

（3） 乙醇催化氧化实验所需温度约300℃，电烙铁的加热温度范围在200～400℃，可达到反应温度。待泡沫铜受热氧化后关闭电烙铁开关，然后加热粉笔与其接触反应，操作简便，现象明显。

（4） 用硝普钠配制的1%亚硝基铁氰化钠溶液与乙醛在碱性条件下反应形成稳定的配合物，滴加氢氧化钠溶液使pH大于14产生血红色［7］。配制溶液的浓度不宜过高，否则直接滴加氢氧化钠会使颜色加深，对实验结果造成干扰。

3.3 乙醇与乙醇脱氢酶作用的实验

3.3.1 实验装置

实验装置见图2。

3.3.2 实验步骤及现象

（1） 称取2～3g乙醇脱氢酶，并取一支试管将其溶解于2mL蒸馏水中；再加2mL无水乙醇混合后加数滴氢氧化钠溶液使其呈弱碱性。

（2） 将洗脸巾剪成长条状浸入上述试管的溶液中，置于36～40℃水浴中加热反应5分钟左右。

（3） 取出洗脸巾长条，向浸湿部分滴加适量的亚硝基铁氰化钠溶液，再滴加数滴氢氧化钠溶液后，长条即变为橘黄色或者血红色，验证了乙醇与乙醇脱氢酶作用生成了乙醛。

3.3.3 关于实验的几点说明

（1） 乙醇脱氢酶催化乙醇氧化脱氢生成乙醛是人体肝脏代谢酒精的重要步骤。乙醇脱氢酶在pH=8.0、 T=37℃时活力最大。所以，将无水乙醇和乙醇脱氢酶的混合溶液调至弱碱性并在36～40℃热水浴中反应，效果较好。

（2） 浸有亚硝基铁氰化钠溶液的洗脸巾长条滴加氢氧化钠溶液后的显色变化：没有吸附乙醛的长条变为浅黄色，吸附较少乙醛的长条变为橘黄色，吸附较多乙醛的长条变为血红色。由于乙醇脱氢酶对二级醇和环醇的催化作用较强，对伯醇（乙醇）的催化作用不强，可能长条吸附的乙醛较少而显橘黄色。

4 实验改进的优点

（1） 装置一体化。该装置集乙醇催化氧化、乙醛检验、尾气处理和氧气的制备于一体。且双支试管在教学实验中也较为通用，可代替H形试管、Y形试管或具支试管等，集产物的生成、检验及尾气处理于一体。

（2） 反应可控。利用口罩作吸附材料实现二氧化锰粉末与过氧化氢溶液的接触和分离从而控制氧气的生成量；通过打开和关闭电烙铁开关控制乙醇催化氧化反应的发生与停止，并可重复操作实验以观察乙醇催化氧化过程中泡沫铜的变化。

（3） 快速高效。利用粉笔作吸附材料能产生稳定的乙醇蒸气与泡沫铜长条充分接触，亚硝基铁氰化钠溶液与乙醛的显色反应等实验设计使乙醇催化氧化反应在短时间内高效完成。

（4） 深化理解。从乙醛检验到乙醇与乙醇脱氢酶作用的辅助实验逐步探究并认识到乙醇催化氧化的实质是脱氢反应，进而使学生更容易理解醇类化合物发生催化氧化反应的条件和断键、成键的规律。

参考文献：

［1］［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［3］［7］周如磊. “乙醇的催化氧化”实验改进［J］. 化学教育（中英文）， 2021， （3）： 54.

［4］张婧， 牛晨， 韩秋霞等. 乙醇催化氧化实验的改进［J］. 化学教学， 2019， （10）： 58～61.

［5］王国洪， 王伟， 唐炳康等. 乙醇催化氧化实验的微型化改进与评价［J］. 化学教育（中英文）， 2023， （17）： 113～116.

［6］胡秀美. 乙醇催化氧化反应一体化实验的设计［J］. 化学教学， 2024， （1）： 65～67.