利用Y形管设计乙醇性质探究一体化实验

摘要

在分析教材试管实验和相关文献实验的优点和不足的基础上，对人教版高中化学必修第二册教材中的探究乙醇化学性质的两个实验进行装置与试剂的改进设计。利用Y形管和注射器改进后的一体化实验简化了实验过程，增加了实验的安全性和环保性，具有操作简单、现象明显、绿色环保等特点，应用于连续课堂中开展实验教学效果明显、成功率高。

Graphical abstract

关键词

乙醇 / 性质 / 一体化设计 / Y形管 / 实验设计

在人教版高中化学必修第二册第七章第三节“乙醇与乙酸”中，有关乙醇化学性质的实验分为“乙醇与钠的反应”和“乙醇的催化氧化”两部分。在教材中，两个实验均为试管实验。“乙醇与钠反应”的试管实验存在以下不足：产生的氢气因量少和纯度问题而难以点燃，或火焰很小，较难持续燃烧；所得氢气易混有较多乙醇蒸气，用燃烧法检验氢气缺乏说服力；在实验过程中，存在氢气易逸出、快速组装橡胶塞的操作不易把控等问题。“乙醇的催化氧化”的试管实验存在的不足：乙醛气味感受不明显、不明确；乙醛是有毒气体，在敞口试管中进行实验，不符合化学实验的安全性和环保性要求。

为弥补教材试管实验的不足，有学者对这两个实验进行了改进优化。林晓霞^［1］利用注射器和输液器制作了成本低、试剂用量少的乙醇与钠的反应装置，但装置略微复杂。叶红等^［2］借助U形管改进了乙醇与钠的实验装置，具有可重复使用、现象明显等特点，但采用玻璃尖嘴会影响火焰颜色的观察。陈锦等^［3］借助注射器设计了可以重复演示乙醇催化氧化的实验装置，实验现象直观，实验过程对环境友好，具有绿色环保的优点。周如磊^［4］利用亚硝基铁氰化钠与乙醛显色法检验乙醇催化氧化的产物，实验具有趣味性，实验装置简化了操作，但相关试剂不易获得。王国洪等^［5］利用多孔泡沫筒、注射器等材料制成微型一体化装置进行乙醇催化氧化的实验，其装置操作简便、节约原料，可以提升课堂教学的时效性。

综上所述，已有研究探讨了装置操作、药品用量、绿色环保等问题，但仍存在部分装置过于复杂、原料不易获得、两个实验分别改进而不利于课堂教学等问题。综合相关文献的优缺点，笔者利用Y形管设计一体化实验装置，将其应用于乙醇性质探究的实验教学，效果颇佳。

1 乙醇与钠反应

1.1 实验用品

Y形管（直径25 mm）、橡胶塞、注射器（10 mL）、棉花、铁架台等；金属钠、无水乙醇、无水氯化钙、酚酞、蒸馏水等。

1.2 实验原理

乙醇与钠的反应是钠从含氢化合物中置换出氢的过程，其反应方程式如下。

\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}+\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{a}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow。

1.3 实验装置

利用Y形管设计的实验装置如图1所示，铁架台等支撑装置略去。

1.4 实验步骤和现象

（1） 取棉花球包裹无水氯化钙。

（2） 在Y形管两侧依次加入钠块、含有酚酞的无水乙醇，并在管口放入裹有无水氯化钙的棉花，塞上橡胶塞。

（3） 将Y形管固定到铁架台上。

（4） 将10 mL注射器插入橡胶塞中，确保针头露出。

（5） 利用注射器抽取Y形管中空气，重复2~3次；注射器活塞推至靠近针头一侧。

（6） 调整Y形管位置，使无水乙醇与钠接触，引发反应，观察到有气体产生，溶液由无色变为红色，注射器活塞自动上移。

（7） 反应临近结束时，取下注射器，在针口处点燃气体，观察到火焰呈淡蓝色。

1.5 实验创新点

（1） 利用Y形管设计的装置空间密闭，增加了实验安全性，易于收集产生的氢气，能避免因氢气逸出导致气体收集量不足而不能产生预期的点燃现象。

（2） 在Y形管口放置包裹有无水氯化钙的棉花，可以去除挥发的乙醇，避免乙醇进入注射器内，排除了在检验氢气时乙醇燃烧火焰颜色的干扰。

（3） 在点燃气体并观察到火焰颜色呈淡蓝色时，推动注射器活塞，即可在针口处持续输送产生的氢气，使火焰能够持续燃烧；注射器针头为不锈钢材料，可以排除采用玻璃尖嘴时产生黄色火焰的影响。

（4） 该实验装置可在不改变器材的情况下增加钠与水反应和与乙醇反应的实验对比，能够直观看出羟基氢活泼性的差异。

2 乙醇的催化氧化

2.1 实验用品

Y形管（直径25 mm）、注射器（10 mL）、试管、导管、棉花、铁架台等；铜丝、无水乙醇、希夫试剂、无水硫酸铜等。

2.2 实验原理

乙醇在Cu催化剂作用下被氧气氧化成乙醛，其反应方程式如下。

\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

使用希夫试剂检验乙醛。希夫试剂又称品红亚硫酸试剂，醛和希夫试剂作用后，溶液呈紫红色。

希夫试剂的制备方法：研细0.05 g碱性品红，将其溶于含有0.5 mL浓盐酸的50 mL水中，再向其中加入0.5 g亚硫酸钠固体，搅拌溶解后静置，直到红色褪去^［6］。

2.3 实验装置

利用Y形管设计的一体化实验装置如图2所示。

2.4 实验步骤和现象

（1） 取棉花球包裹无水硫酸铜，放入注射器靠近针口一侧，使用注射器收集干燥的氧气，备用。

（2） 在Y形管的两侧依次加入打磨好的细铜丝、无水乙醇，再在管口处塞入带导管的橡胶塞。

（3） 将Y形管固定到铁架台上，且Y形管两侧略微倾斜水平放置。

（4） 向试管中加入适量新配制的希夫试剂，并将导管伸入液面以下。

（5） 将装有干燥氧气并塞有无水硫酸铜棉花的注射器针头插入橡胶塞，确保针头露出。

（6） 点燃酒精灯，先用酒精灯加热装有铜丝的一侧，用注射器补充少量氧气，再加热无水乙醇一侧，使其沸腾后与铜丝接触。观察到铜丝先变黑后恢复红色，希夫试剂由无色变为红色。

（7） 撤离希夫试剂，拉动注射器活塞吸取Y形管中气体，观察到无水硫酸铜颜色变为蓝色。

2.5 实验改进的优点

（1） 利用盛有氧气的注射器，可方便灵活地为实验体系适时补充氧气，同时可随时重复该演示实验；注射器内装有包裹无水硫酸铜的棉花，便于检验反应产物——水。

（2） 盛有希夫试剂的试管，具有多重作用：收集乙醛、检验乙醛、吸收尾气，减少了仪器容量，简化了实验装置，使乙醛检验现象更加明显、直观。

（3） 一体化设计的实验装置可重复使用，无须拆开实验装置仅更换希夫试剂即可，适用于连续课堂教学。

3 结语

从实验装置看，Y形管体积较小，药品用量相对较少，且能观察到较为明显的实验现象；一次性注射器操作简单且易得，密封性良好，可防止有毒气体的逸出。

两个实验所用仪器基本相同，均是基于Y形管进行的简化实验设计，既节省了实验演示时间，又简化了实验过程。除可用于教师演示实验外，还可用于学生分组实验。

在“乙醇与乙酸”第一课时“乙醇”的授课中，两个性质实验的装置基本相同，节省了教师的实验备课时间；具有一定的适应性，可以用于其他固液反应的实验教学；在多班教学的连续授课中，乙醇的催化氧化实验装置一般无须拆卸，只需更换新的希夫试剂即可。

参考文献

[1] 林晓霞.乙醇与钠反应的新装置及教学实践［J］.化学教学，2022（09）：72-74.

[2] 叶红，侯占文，魏敏，等.乙醇与钠反应实验改进［J］.中学化学教学参考，2022（16）：75.

[3] 陈锦，李德前，石磊.借助两个注射器改进乙醇的催化氧化实验［J］.化学教学，2023（05）：63-65.

[4] 周如磊.“乙醇的催化氧化”实验改进［J］.化学教育（中英文），2021，42（03）：54.

[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），2023，44（17）：113-116.

[6] 刘康美，杨晓慧，苏毅严.希夫试剂配制方法的探讨［J］.西安联合大学学报，2004（05）：50-52.