吳文中　徐俊龍　何　淼

（1越州中學(xué)　浙江　紹興　312075；2深圳科學(xué)高中　廣東　深圳5181291；3越州中學(xué)　浙江　紹興　312075）

讓學(xué)生深刻“體驗(yàn)”化學(xué)反應(yīng)原理
——以高三復(fù)習(xí)“乙酸乙酯制備原理”教學(xué)為例

吳文中1徐俊龍2何淼3

（1越州中學(xué)浙江紹興312075；2深圳科學(xué)高中廣東深圳5181291；3越州中學(xué)浙江紹興312075）

基于學(xué)生初步理解化學(xué)反應(yīng)的方向、化學(xué)反應(yīng)的限度、化學(xué)反應(yīng)速率等化學(xué)反應(yīng)原理，以解讀蘇教版高中化學(xué)“乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)室制備”原理為例，闡述利用高中化學(xué)教材現(xiàn)有素材，讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)原理在物質(zhì)制備以及化工生產(chǎn)中的應(yīng)用原則，幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)原理指導(dǎo)實(shí)踐的基本思想和方法。

體驗(yàn)；構(gòu)建；化學(xué)反應(yīng)原理；乙酸乙酯制備

新課程三維目標(biāo)的確立，決定了當(dāng)今的課堂教學(xué)不能僅停留在“學(xué)科知識的傳授”這一低起點(diǎn)上。課堂教學(xué)要走出“知識為本”的藩籬，加強(qiáng)學(xué)科思想方法的體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生用現(xiàn)有的理性認(rèn)識去解釋一些現(xiàn)象，探究事件發(fā)生的緣由，并在此基礎(chǔ)上主動(dòng)建構(gòu)知識體系，獲得學(xué)習(xí)方法，從而產(chǎn)生對已有理性認(rèn)識的再感悟、再肯定，達(dá)到對已有理性知識的升華、強(qiáng)化。

知識是學(xué)生思維能力培養(yǎng)、思想方法體驗(yàn)與學(xué)科觀念構(gòu)建的載體，而不是課堂教學(xué)內(nèi)容的全部，教師若能站在一個(gè)較高的平臺上去審視當(dāng)前課堂教學(xué)中存在的問題，探索知識傳授與學(xué)科思想方法體驗(yàn)兩者之間有機(jī)融合、相互促進(jìn)的路徑［1］，找到課堂教學(xué)的最佳切入點(diǎn)和有效組織形式是值得探討和實(shí)踐的。

一、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)

體驗(yàn)學(xué)習(xí)在中國傳統(tǒng)的教育教學(xué)思想中早有體現(xiàn)，古訓(xùn)曰“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”就是這個(gè)意思，“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)”是指在學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生從已有的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或已獲得的知識出發(fā)，親自感悟具體問題。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)整合了杜威的“做中學(xué)”以及認(rèn)知心理學(xué)家皮亞杰的“發(fā)生論”等理論，最后由社會心理學(xué)家大衛(wèi)·庫伯完整提出。它作為一種富于生命力的學(xué)習(xí)方式，使之與化學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)合，改進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)方式，同時(shí)對提高學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的參與性水平有著重要意義［2，3］。

高中復(fù)習(xí)課的教學(xué)中，特別需要這樣的再感悟，再強(qiáng)化的過程，使學(xué)生能熟練運(yùn)用已有的理性知識，解決新環(huán)境下的具體化學(xué)問題。

化學(xué)反應(yīng)原理是高中化學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性、化學(xué)反應(yīng)限度、化學(xué)反應(yīng)速率理論等都是非常重要的化學(xué)反應(yīng)原理，本文將通過探討“乙酸乙酯制備原理”的課堂教學(xué)，展示如何讓學(xué)生深刻“體驗(yàn)”化學(xué)反應(yīng)原理來解決實(shí)際問題的課堂設(shè)計(jì)理念及具體組織形式和方法。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思想與教學(xué)過程

［新課引入］今天，將利用同學(xué)們所學(xué)的知識，來研究和討論:乙酸與乙醇為什么能發(fā)生反應(yīng)得到乙酸乙酯？實(shí)驗(yàn)室為什么采用“那樣”的方法來制備乙酸乙酯？

1.乙酸乙酯制備的可能性分析（熱力學(xué)問題討論）

［問題1］請同學(xué)們寫出乙酸乙酯制備的化學(xué)方程式:CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O。

［問題2］該反應(yīng)為什么能自發(fā)？自由能小于0，△G=△H-T△S＜0，才能自發(fā)。

［提示］已知CH3COOH（l）+C2H5OH（l）→CH3COOC2H5（l）+H2O（l）；△H（298K）=-9.20 KJ/mol。

［問題3］依據(jù)以上提示，你能判斷該反應(yīng)的熵變?yōu)榇笥?還是小于0？

基于學(xué)生已具備以下化學(xué)反應(yīng)原理的理論知識設(shè)計(jì)上述問題。

△H＜0，△S＜0，反應(yīng)低溫自發(fā)，一般情況下為可逆反應(yīng)；

△H＞0，△S＞0，反應(yīng)高溫自發(fā)，一般情況下為可逆反應(yīng)；

△H＜0，△S＞0，任何溫度下自發(fā)，反應(yīng)進(jìn)行到底，不可逆過程；

△H＞0，△S＜0，非自發(fā)，過程不能發(fā)生。

設(shè)計(jì)理由：（1）提取學(xué)生已有知識點(diǎn)——自發(fā)反應(yīng)的條件；（2）用學(xué)生已有的知識強(qiáng)化自發(fā)反應(yīng)的真正涵義（后續(xù)教學(xué)過程中有充分的體現(xiàn)）。

教學(xué)過程同時(shí)穿插:已知反應(yīng)2H2O2=2H2O+O2↑是放熱反應(yīng)，問:在密閉容器中，增大壓強(qiáng)，H2O2的分解產(chǎn)生氧氣會減少嗎？

參考答案:不會，因?yàn)樵摲磻?yīng)不是一個(gè)可逆反應(yīng)，而勒夏特列原理的研究對象是可逆反應(yīng)，因此氧氣濃度的增大，不會影響雙氧水的分解，產(chǎn)生的氧氣量也不會變化。

最后，教師可引導(dǎo)學(xué)生得出乙酸乙酯制備的條件:低溫（注:該結(jié)論錯(cuò)誤，此為“伏筆”）。

2.乙酸乙酯制備的反應(yīng)限度

接著提問:假如常溫下，乙酸乙酯的產(chǎn)率很高，實(shí)驗(yàn)室制備乙酸乙酯是否就只要在常溫下進(jìn)行即可？

已知該反應(yīng)在25℃時(shí)的平衡常數(shù)K≈4，物質(zhì)的量分別為0.1mol乙醇、乙酸混合后的體積為V L，反應(yīng)后體積變化忽略不計(jì)，混合攪拌足夠長時(shí)間后，計(jì)算乙酸乙酯的產(chǎn)率為多少？酸乙酯產(chǎn)率為66.66%。

［問題2］乙酸乙酯反應(yīng)在常溫、無催化劑條件下能“很好地”得到嗎？

通過以上的計(jì)算，得出的結(jié)論是“好像能”，而且溫度升高，乙酸乙酯的產(chǎn)率將降低，不利于產(chǎn)品的獲得。

那么，問題來了！

為什么高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，乙酸乙酯制備不僅需要提高溫度，同時(shí)還需加入適量的濃硫酸做催化劑？

設(shè)計(jì)理由：通過計(jì)算，產(chǎn)生對比，感悟自我認(rèn)識與實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的反差，產(chǎn)生認(rèn)識上的“沖突”，激發(fā)學(xué)生的求知欲望。

3.化學(xué)平衡常數(shù)和化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系（動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的關(guān)系）

通過以上的教學(xué)過程，讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)原理在物質(zhì)制備中的應(yīng)用，對已有理性認(rèn)識再感悟、再肯定，但得到了與課本實(shí)驗(yàn)“沖突”的結(jié)論。（注:顯然該結(jié)論有誤，學(xué)生心中也清楚，只是不知問題出在何處）

這時(shí)，教師可展示如下資料，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)討論和思考:

［資料1］有資料表明:把乙酸、乙醇、水三種液體混合在一起，16年后該可逆反應(yīng)能達(dá)到化學(xué)平衡，這就是浙江紹興著名黃酒——“女兒紅”，需要在地窖里放置16年以上才能稱得上真正“女兒紅”的原因之一。

［資料2］常溫下，氫氣和氧氣反應(yīng)生成水的過程是自發(fā)的，但把大量的H2與O2混合在一起，若要得到1立方米水，所需要的時(shí)間是1千萬年。

至此，讓學(xué)生體驗(yàn)如下:化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)生的可能性（自發(fā)反應(yīng)）以及可進(jìn)行的程度（化學(xué)反應(yīng)限度與化學(xué)平衡常數(shù)）只是一種可能性，低溫自發(fā)并不代表在低溫條件下就能很快發(fā)生，化學(xué)平衡常數(shù)大也不代表反應(yīng)速率就很大。反應(yīng)速率的大小不但和反應(yīng)物本身的性質(zhì)有關(guān)，還與反應(yīng)體系的溫度、反應(yīng)物濃度、催化劑等外部因素有關(guān)，盡管某條件下某化學(xué)反應(yīng)過程的平衡常數(shù)很大，但也可能會由于反應(yīng)速率很小使得達(dá)到化學(xué)平衡所需要的時(shí)間很長。

［延伸］工業(yè)上為了提高某產(chǎn)品的產(chǎn)量，為什么往往首先需要選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎?/p>

［思考］為什么合成氨工業(yè)中對溫度的要求是在500℃左右？——鐵觸媒在該溫度下，活性最大。

那么，問題又來了！——實(shí)驗(yàn)室制備乙酸乙酯時(shí)，加熱的作用難道僅僅是為了提高反應(yīng)速率嗎？

4.提高乙酸乙酯的產(chǎn)率分析——化學(xué)平衡移動(dòng)原理的運(yùn)用

毫無疑問，使用濃硫酸是為了加快化學(xué)反應(yīng)速率，降低乙酸乙酯制備所需要的活化能，可大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，但溫度的升高，造成另外一個(gè)不好的影響:降低了乙酸乙酯的產(chǎn)率，因此又產(chǎn)生新的“沖突”——既然有了催化劑，降低溫度更可保證乙酸乙酯的產(chǎn)率。

基于上述討論，教師及時(shí)提供乙酸乙酯制備的有關(guān)資料如表1和資料1:

表1　乙酸、乙醇、乙酸乙酯的沸點(diǎn)

［資料1］實(shí)驗(yàn)中，酒精燈加熱的溫度約為110℃～120℃之間。

［問題1］實(shí)驗(yàn)室制備乙酸乙酯時(shí)，是如何收集乙酸乙酯的？為什么？為什么乙醇的用量比乙酸多？

通過討論、分析不難得出:實(shí)驗(yàn)中加熱的另一個(gè)重要目的是把生成的乙酸乙酯及時(shí)帶離反應(yīng)體系，使得化學(xué)平衡CH3COOH（l）+C2H5OH（l）?CH3COOC2H5（l）+H2O（l），不斷向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高乙酸乙酯的產(chǎn)率。

［問題2］帶離反應(yīng)體系的乙酸乙酯用飽和碳酸鈉溶液收集，不也是能和水接觸，為什么不會水解重新得到乙酸和乙醇？

當(dāng)乙酸乙酯被帶離反應(yīng)體系后，被飽和碳酸鈉溶液吸收，盡管可能發(fā)生水解過程，但由于體系溫度顯著降低，乙酸乙酯水解的速率幾乎為0，可認(rèn)為乙酸乙酯幾乎不水解。

［問題3］由于碳酸鈉溶液水解為堿性，在堿性條件下，乙酸乙酯的水解平衡:CH3COOC2H5（l）+H2O（l）?CH3COOH（l）+C2H5OH（l），NaOH溶液或Na2CO3溶液能與水解得到的乙酸反應(yīng)，使得上述水解平衡不斷往水解方向移動(dòng)，產(chǎn)率會降低，因此，理論上，不能用飽和碳酸鈉溶液收集乙酸乙酯，但課本實(shí)驗(yàn)偏偏使用堿性較強(qiáng)的飽和碳酸鈉溶液來收集乙酸乙酯，這又是為什么［5］？

話外音:產(chǎn)生了新的“沖突”，之所以設(shè)計(jì)以上問題，目的是讓學(xué)生反復(fù)體驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡移動(dòng)原理在物質(zhì)制備中的靈活運(yùn)用。

“沖突”→“原理”應(yīng)用→解決“沖突”→新“沖突”→……

［參考答案］飽和碳酸鈉加入到水中后，溶液的極性發(fā)生了較大變化，能有效降低乙酸乙酯在水中的溶解度，事實(shí)上，飽和的NaCl溶液也可有效降低乙酸乙酯在水中的溶解度，只是飽和的NaCl溶液無法有效去除揮發(fā)出來的乙酸。有人通過實(shí)驗(yàn)表明:NaOH溶液代替飽和碳酸鈉溶液收集乙酸乙酯，其效果幾乎一樣，在常溫下，即便在強(qiáng)堿性條件下，乙酸乙酯的水解速率也是很慢的［4］。

由此，讓學(xué)生體驗(yàn)到:對某可逆反應(yīng)而言，僅僅依靠“移去”生成物來促進(jìn)化學(xué)平衡往正反應(yīng)方向移動(dòng)是不夠的，為了提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，不但需要運(yùn)用化學(xué)平衡移動(dòng)原理，提高產(chǎn)品的產(chǎn)率，同時(shí)還得提高可逆反應(yīng)的反應(yīng)速率，兩者是相輔相成的，缺一不可，不能僅僅考慮轉(zhuǎn)化率而不顧反應(yīng)速率快慢，也不能只考慮反應(yīng)速率而不管產(chǎn)品產(chǎn)率的大小。

［強(qiáng)化問題1］硫酸工藝接觸室中發(fā)生可逆反應(yīng): 2SO2+O2?2SO3，由于該反應(yīng)在常溫常壓下，轉(zhuǎn)化率很高（高溫下，SO2轉(zhuǎn)化率為99%以上），因此就沒有必要通過加壓或降溫的方式去提高轉(zhuǎn)化率，但為了提高其反應(yīng)速率，工業(yè)上常使用V2O5做催化劑，同時(shí)通過通入廉價(jià)的“空氣”來提高SO2的轉(zhuǎn)化率。

同時(shí)，為了提高轉(zhuǎn)化率，工業(yè)上采用“高壓”的方法，其原因不但為了提高NH3的產(chǎn)率，加快化學(xué)反應(yīng)速率，更重要的是為了在后續(xù)的工藝中，能很“方便”地移去“液態(tài)氨”，從而使得化學(xué)平衡不斷地往正反應(yīng)方向移動(dòng)，這一點(diǎn)和乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)室制備的原理如出一轍。

至此，課堂教學(xué)進(jìn)入真正解決問題的時(shí)刻。

三、化學(xué)反應(yīng)原理的再運(yùn)用

那么請同學(xué)們設(shè)計(jì)乙酸正丁酯的實(shí)驗(yàn)室制備方案，你需要查閱哪些資料？

［資料1］乙酸正丁酯的有關(guān)“熱力學(xué)數(shù)據(jù)”和乙酸乙酯制備原理類似。

［資料2］乙酸、正丁醇、乙酸正丁酯的沸點(diǎn)如表2:

表2　乙酸、正丁醇、乙酸正丁酯的沸點(diǎn)

教師與學(xué)生共同探討，乙酸正丁酯制備實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件和方法如下:

（1）使用催化劑——濃硫酸。

（2）溫度的控制——至少在100℃左右，而不是控制在乙酸正丁酯沸點(diǎn)126℃以上，視本題實(shí)際，只需把“水”帶離反應(yīng)體系，就能促進(jìn)可逆反應(yīng)往正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率。

（3）加熱方式:水浴加熱，易于控制反應(yīng)的溫度。

（4）教師同時(shí)展示乙酸正丁酯實(shí)驗(yàn)室制備裝置——分水器的作用，如圖1。

圖1　乙酸正丁酯制備裝置

顯然，利用該裝置的優(yōu)勢:能有效地把水帶離反應(yīng)體系，促進(jìn)平衡往正反應(yīng)方向移動(dòng)，能通過觀察水面高度不再變化的現(xiàn)象，判斷乙酸和正丁醇反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間，被揮發(fā)的乙酸正丁酯能冷凝回流到反應(yīng)器中；同時(shí)讓學(xué)生真正體驗(yàn)到利用化學(xué)平衡移動(dòng)原理，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率時(shí)需視具體不同反應(yīng)，而采取不同的方法（不僅僅只依靠移走產(chǎn)品的方法）。

通過對“乙酸乙酯制備原理”的討論，對化學(xué)反應(yīng)原理中的“自發(fā)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)限度、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡、化學(xué)平衡移動(dòng)原理等內(nèi)容在一堂課中都有了充分的體現(xiàn)，體現(xiàn)了復(fù)習(xí)內(nèi)容的連貫性，整體性，科學(xué)性，同時(shí)能切實(shí)有效地提高化學(xué)課堂的復(fù)習(xí)效率。

通過“理性認(rèn)識→實(shí)踐→理性認(rèn)識升華→再實(shí)踐”這樣的過程，使學(xué)生更充分地體驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)原理，熟練運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理，具有重要意義，且事半功倍。

四、教學(xué)反思

上述教學(xué)案例說明:在課堂教學(xué)中學(xué)科知識的掌握和思想方法的體驗(yàn)是能做到雙線并行、兩者兼顧的，關(guān)鍵在于教師有沒有放手讓學(xué)生充分體驗(yàn)的勇氣和組織設(shè)計(jì)教學(xué)的智慧。利用課本的素材，完全能做到讓學(xué)生“體驗(yàn)”化學(xué)學(xué)科思想在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，從而幫助學(xué)生構(gòu)建學(xué)科思想，真正做到學(xué)會學(xué)習(xí)、做到“做中學(xué)”。

［1］繆徐.讓學(xué)生充分體驗(yàn)學(xué)科思想方法［J］.江蘇教育（中學(xué)教學(xué)版），2014，（4）：32

［2］蘇香妹.化學(xué)教學(xué)的“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)”［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2010，（7）：16

［3］倪江紅.體驗(yàn)式教學(xué)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)教與學(xué)，2014，（11）：30

［4］張東曉，張明君.乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)問題［J］.中學(xué)化學(xué)，2014，（11）：22

［5］夏立先，紀(jì)丙全.對乙酸乙酯制備實(shí)驗(yàn)中飽和碳酸鈉溶液作用的定量研究［J］.化學(xué)教育，2011，（6）：72-73

1008-0546（2015）10-0019-03

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.008