乙醇氧化制乙醛探究实验设计题
乙醇氧化制乙醛探究实验设计题
一、试题的由来
人教社大纲版高中化学第三册P81实验习题如下：
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生成乙醛的原理，由乙醇制备乙醛。请设计一个实验装置，既能进行上述反应，又能利用反应后得到的乙醛作银镜反应。
在设计上述实验时，学生只是根据自己的经验和想象设计了多种多样的实验方案，使学生创新思维得到了较好的训练和提高，综合学生设计实验方案的过程，并参考了相关的论文，设计了如下探究实验题。
二、原创试题
［题目］某校课外活动小组的同学在完成课本乙醇氧化制乙醛的实验中，设计了如下三个实验方案：
方案1 取5 mL无水乙醇于试管中，将螺旋状铜丝在酒精灯外焰上灼烧，趁热伸入无水乙醇溶液中，重复10次。观察到铜丝的变化为：紫红→黑色→紫红；在试管口闻到一股刺激性气味；做银镜反应实验几乎看不到现象。
方案2 按如图1所示装置（加持仪器已略去）进行如下实验操作（顺序已打乱）：
图1
①点燃B装置中的酒精灯加热无水乙醇至沸腾，持续加热；②向锥形瓶中滴加10％过氧化氢溶液；③连接好仪器，检验装置的气密性；④正确填加试剂；⑤点燃C装置中的酒精灯。
实验进行约7 min～8 min，发现硬质玻璃管中有液体存在，在试管D中收集到3 mL～4 mL无色有刺激性气味液体，用该液体与银氨溶液反应，得到光亮的银镜。
方案3 该小组的同学在实验中发现，方案2有明显不足之处，存在安全隐患，基于这一不足，他们开动脑筋，查阅了某化学科技期刊，又到互联网上查找相关资料，通过缜密思考，设计了如图2的实验装置。通过实验，该实验设计克服了方案2的不足，收到了好的效果，同学们体验到了探究的乐趣与成功的喜悦。
图2
请你认真阅读上述信息，并结合自己所学的知识和经验，回答下列问题。 1．根据实验方案1，填写下列空白：
（1）铜丝由“紫红→黑色→紫红”这一现象变化，说明了铜丝在反应中起了 作用；
（2）同学闻到试管中具有刺激气味的物质是 （填名称），官能团是 （填化学式）；
（3）实验小组的同学做银镜反应实验时，看不到明显现象的主要原因是乙醛的量太少，试分析乙醛太少的原因： 。
2．根据实验方案2填空：
（1）检验该装置气密性的方法是 ；
（2）方案2的实验操作顺序是 （填顺序号）；
（3）D部分装置中e的作用是 。该部分的装置还可以用其他仪器的组合来代替，请你设计一个简单的、具有与D相同功能的实验装置，将装置图画在右边的方框内。
（4）某同学在一洁净的试管中加入2 mL新制银氨溶液，再加入3～4滴上述实验制得的乙醛溶液，将试管放在沸水中加热，发现无色透明溶液迅速变为黑色悬浊液，试分析溶液变为黑色悬浊液的原因： 。乙醛与银氨溶液反应的化学方程式为 。
3．（1）认真比较方案2和方案3的实验设计，综合分析、评价两实验设计的异同，其中方案2存在的不足是 （答出一点即可）；
（2）本实验所需的氧气还可以用其它方法得到，请利用图1中的装置A，选择恰当的试剂来制取氧气。试剂可以是 （填一组即可），简述制氧气的操作步骤： 。
［命题意图］本题旨在考查学生对乙醇催化氧化知识理解的程度，以及如何将某些物质的工业制法转化为通过实验室现有的简单仪器、设备，根据化学科学原理，设计符合实验要求（科学性、安全性、可行性、简约性）的，能够在实验室完成制备的问题。通过本题训练，能够提高学生的探究意识，明确探究性学习的思路和方法，为提高学生的探究能力奠定基础。
［解题思路］
1．铜丝在空气中加热，与氧气反应生成黑色氧化铜，热氧化铜将乙醇氧化生成乙醛，氧化铜被还原为紫红色的铜，由此可知，铜起到了催化剂的作用。反应的生成物乙醛具有刺激气味。反应方程式为：①2Cu+O2
2
2CuO，②CuO+CH3CH2OHCH3CHO+Cu+H-
O，总反应式为2CH3CH2OH +O22CH3CHO+2H2O。热的铜丝伸入无水乙醇中，铜丝的温
度降低，且铜丝与乙醇的接触面积较小，致使生成乙醛的量较少。
2．从整个实验装置看，检查气密性首先要密封出口，即关闭分液漏斗活塞，将D中的导管封在液面下。利用温度变化引起装置内气体压强变化情况，即可检验。用酒精灯微热烧瓶使温度升高，气压增大，气体从D中的导管逸出产生气泡，停止加热后，溶液倒吸入导管一定的高度，证明气密性良好。
根据装置图1，实验操作是：首先要连接好仪器，检查装置的气密性，按照图1的提示正确填加试剂，点燃C处的酒精灯，向锥形瓶滴加过氧化氢溶液，使氧气先将铜氧化为氧化铜，再加热B处的酒精灯，使乙醇沸腾，并持续加热，操作顺序为③④⑤②①。
D部分装置中e的作用是防止试管中的液体倒吸入反应管。该部分的装置可以用吸收易溶性气体所用的刚好没入水面的倒放的漏斗代替，如图3所示。
银镜反应的温度在50～60℃最佳，此温度下，反应速率适当，生成银单质均匀稳定地吸附在试管内壁上，形成光亮的银镜。若温度过高，反应速率过快，银单质聚集成较大的黑色颗粒，则不能形成银镜。反应方程式为：
CH3CHO+2Ag(NH3)2OH
CH3COONH4+3NH3+2Ag↓+H2O
3．比较方案2和方案3的装置图1、2，其不同点是将图1提供乙醇蒸汽和乙醇蒸汽在铜丝表面氧化的分体装置B、C合并为图2的B部分，将平直的反应管改为倾斜的，避免了在图1装置冷凝管d中乙醇冷凝可能导致反应管炸裂的不安全因素；又能够避免
防止收集装置中的倒吸的问题。缺点是生成的乙醛冷凝效果差，挥发而污染空气。
分析图1中的A部分可知，制氧气的试剂是固体和液体反应或两种液体反应，且不能加热，中学阶段符合上述要求的有过氧化钠与水的反应。
将适量的过氧化钠用药匙（或纸槽）加入烧瓶中，把带分液漏斗和导管的胶塞安装好，打开分液漏斗上口的玻璃塞，旋转活塞使水逐滴加入烧瓶。
［试题答案］
1．催化剂 乙醛；—CHO 铜丝与乙醇接触面积小，反应温度低，反应速率慢
2．（1）向试管D中加水至没过导管口，关闭分液漏斗活塞，用酒精灯微热圆底烧瓶，观察到试管D中有气泡逸出，停止加热，液体倒吸入导管一定的高度。
图3
（2）③④⑤②①
（3）防止试管中的液体倒吸入反应管 （防倒吸装置如图3所示） （4）温度过高 CH3CHO+2Ag(NH3)2OH
CH3COONH4+3NH3+2Ag↓+H2O
3．（1）图1的d管中乙醇冷凝会导致反应管炸裂； （2）过氧化钠与水
将一定量的过氧化钠用药匙（或纸槽）加入烧瓶，把带分液漏斗和导管的胶塞安装好，打开分液漏斗的活塞。
三、对高考化学实验复习的启示
近年来，高考化学实验试题有很多源于教材上演示实验、学生实验的改造和创新、化学实验习题的设计等，如2005年高考全国理综Ⅱ套卷28题，江苏化学卷20题，上海化学卷26题；2006年高考理综Ⅰ套28题，理综Ⅱ套第26题，北京理综26题的实验部分等；2007年高考理综Ⅱ套28题，北京理综26题的实验部分，山东理综第30题均源于教材，这是高考实验命题一道亮丽的风景。
如何复习课本实验呢？就需要在化学实验复习时，要深入理解教材实验的原理，注意对教材实验进行反思和拓展，从有无改进的必要、如何改、本实验和中学阶段的哪些实验相关，如何将这些实验进行组合；实验中涉及到了哪些概念，哪些科学的方法，哪些理论知识在实验中进行了渗透等方面下功夫，尤其做好实验设计类习题的实验设计和实验验证。只有这样，才能弄清实验设计是否符合科学性、安全性、可行性和简约性的要求，才能彻底改变化学实验复习的死记硬背和凭空想象，才能让实验试题的解答成为学生平时自主实践积淀的真实流露与表达，才能将素质教育真正落实到学生创新能力的提高和动手实践的活动中。