3.2.1乙醇催化氧化实验的创新设计 2023-2024学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修3

普通高中新课程新教材优质课评选 • 实验创新展示 《乙醇催化氧化实验的创新设计》 1 普通高中新课程新教材优质课评选 • 实验创新展示 乙醇催化氧化实验的创新设计 1. 功能与价值 新课程标准（2017 年版 2020 年修订）在“必修课程”的“主题 4：简单的 有机化合物及其应用”中，要求认识乙醇的结构及其主要性质与应用，并将“乙 醇的主要性质”列为学生的必做实验。乙醇的催化氧化是乙醇的重要性质之一， 该反应能够丰富学生对氧化反应的认识，发展官能团之间的相互转化，完善乙醇 性质与官能团之间的联系，进一步巩固“结构决定性质”的化学学科思想。 鲁科版教材[1]将该实验设计成学生分组实验，引导学生通过观察铜片的变化， 小心嗅闻试管中液体的气味来推断产物，进而明确反应类型，并在书写化学方程 式中进一步解释反应原理。该实验不仅培养了学生观察实验现象、分析解释实验 原理的能力，还能很好的将“宏观—微观—符号”三重表征融合统一，有利于发 展学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意 识”等化学学科核心素养。 2. 原理与拓展 教材实验中，铜丝加热时由红变黑，伸入无水乙醇中又由黑变红。发生的反 应主要是： 2Cu+ O2 ∆ 2CuO ∆ CH3CH2OH + CuO CH3CHO + Cu + H2O 结合反应过程，学生能够获得铜丝在反应过程中起到催化剂的作用，进而 得出：乙醇在加热和有催化剂（如铜或银）存在等条件下，可以被空气中的氧气 氧化为乙醛，反应方程式为： 2CH3CH2OH + O2 催化剂 2CH3CHO + 2H2O ∆ 大学教材中一般没有专门介绍醇的催化氧化，而是介绍了醇的氧化反应和脱 氢反应。在邢其毅主编的《基础有机化学》[2]及徐寿昌主编的《有机化学》[3]教 材中都对醇的脱氢反应有相类似的描述：一级醇、二级醇可以在脱氢试剂的作用 下，失去氢形成羰基化合物，常用铜或铜铬氧化物等作脱氢剂。在 300℃左右使 醇蒸气通过催化剂即可生成醛或酮。 《乙醇催化氧化实验的创新设计》 2 普通高中新课程新教材优质课评选 • 实验创新展示 吉林师范大学等五校合编的高等学校试用教材[4]中介绍：上述反应为吸热的 可逆反应，需要提供大量的热维持反应进行。若此时有空气存在，则脱去的 H2 会立即与氧气结合，放出大量的热，使吸热过程变成放热过程，同时促使上述脱 氢反应正向移动，有利于反应进行到底。 李先栓[5]则认为，常压下氢气的燃点应该在 550 到 600 ℃之间，所以氢气 与氧气在常压下混合贮存至少在 600 ℃才会燃烧。在有氧条件下，有氧脱氢不 可能是先脱氢形成氢气，然后氢气再和氧气化合成水，而是铜丝与氧气反应，先 生成 CuO，然后 CuO 失氧给乙醇。 查阅文献了解到，乙醇在有氧和无氧条件下均可以发生催化氧化生成乙醛[5]。 (1) 无氧条件下，用铜做催化剂，其催化脱氢机理如下图所示： 图 1 无氧条件下，铜催化乙醇脱氢机理 在该过程中，铜作为催化剂，在醇铜中间过渡态[CH3CH2O-Cu+]作用下直接 催化脱氢产生乙醛。 (2) 有氧条件下，铜先生成 CuO，CuO 作为氧化剂，氧化乙醇生成乙醛： 图 2 有氧条件下，乙醇被 CuO 氧化机理 《乙醇催化氧化实验的创新设计》 3 普通高中新课程新教材优质课评选 • 实验创新展示 3. 实验改进综述 教材中的实验操作简单，便于学生分组实验，铜丝的变化现象也明显，但也 存在产生的乙醛量少，难以通过闻气味的方法判断是否有乙醛生成，以及没有检 验生成物水等不足，因此有不少学者对该实验进行了改进，改进方案主要是将反 应体系设计成封闭体系，用实验法检验生成的乙醛气体并增加检验水的试剂，设 计成一体化的实验装置。具体的改进主要分为三类：第一类是改进乙醛的检验方 法；第二类是改进铜丝的粗细或使用铜片、铜粉等；第三类是改进无水乙醇进入 反应装置的方式。 表 1 乙醇催化氧化实验改进的装置分类 类别 改进装置 第一类 · 3 [6] 图 4 [7] 图 5 [8] 6 [9] 图 图 7 [10] 《乙醇催化氧化实验的创新设计》 4 普通高中新课程新教材优质课评选 • 实验创新展示 第二类 · 8 [8] 图 9 [11] 图 10 [12] 图 11 [13] 第三类 图 4 [7] 图 12 [14] 图 11 [13] 图 8 [8] 《乙醇催化氧化实验的创新设计》 5 普通高中新课程新教材优质课评选 • 实验创新展示 4. 实验创新设计 通过查阅资料和大量实验，笔者设计了一套乙醇催化氧化实验的一体化 装置，如下图