邊 磊, 徐烜峰, 關(guān) 玲, 李 田, 張奇涵

(北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100871)

0 引 言

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是各高?；瘜W(xué)化工類院系的核心或必修課程，也是環(huán)境、制藥、食品、生命科學(xué)等化學(xué)相關(guān)專業(yè)的必修或選修課程。其對(duì)于本科生在實(shí)驗(yàn)技能、分析解決問(wèn)題能力、儀器設(shè)備使用與管理、實(shí)驗(yàn)安全管理等方面的培養(yǎng)都有著重要的作用，也是學(xué)生素質(zhì)養(yǎng)成和能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1-3]。但目前該實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容設(shè)計(jì)上，大多強(qiáng)調(diào)操作、技能、思維訓(xùn)練[3-5]，而缺少趣味性、生活化的元素，不免使學(xué)生產(chǎn)生“有機(jī)化學(xué)只是實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)”“單調(diào)乏味”“離人們生活很遙遠(yuǎn)”的錯(cuò)覺(jué)[6]，既不利于學(xué)生有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，也不利于學(xué)生今后科學(xué)研究視野和思路的拓展。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)更加重視如何提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實(shí)踐精神。而化學(xué)科普實(shí)驗(yàn)有著科學(xué)有趣、貼近生活的特點(diǎn)，將其與常規(guī)有機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相融合以增強(qiáng)課程的知識(shí)性和趣味性，是一個(gè)值得探索的方向。本文以化學(xué)科普實(shí)驗(yàn)“導(dǎo)電聚苯胺的合成與表征”為例，介紹了如何將該實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)“苯胺、甲苯、苯甲酸混合物的分離”項(xiàng)目?jī)?nèi)容相結(jié)合，利用其科普趣味的特點(diǎn)來(lái)拓展有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)增加學(xué)生學(xué)習(xí)樂(lè)趣、促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的作用。

1 聚苯胺科普實(shí)驗(yàn)介紹

有機(jī)高分子材料，如人們?nèi)粘V泛使用的塑料、橡膠、尼龍等，曾經(jīng)在很長(zhǎng)一段時(shí)期都被視作很好的絕緣材料[7-8]。但隨著科學(xué)研究的不斷深入，一些具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的有機(jī)高分子材料被發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造。與傳統(tǒng)導(dǎo)電材料相比較,導(dǎo)電有機(jī)高分子材料具有輕柔、易涂覆、易加工、耐腐蝕等多種特性[8-9]，具有廣泛的應(yīng)用前景。這個(gè)新領(lǐng)域的出現(xiàn)不僅顛覆了有機(jī)高分子都是絕緣體的傳統(tǒng)觀念,而且它的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展為低維固體電子學(xué),乃至分子電子學(xué)的建立和完善都作出了重要貢獻(xiàn)，具有重要的科學(xué)意義[9]，2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)便頒給了研究該領(lǐng)域的3位先驅(qū)：美國(guó)化學(xué)家MacDiarmid和物理學(xué)家Heeger，以及日本化學(xué)家Shirakawa[7]。

這些有機(jī)導(dǎo)電高分子材料是由具有共軛π鍵的高分子經(jīng)氧化或還原的“摻雜”使其由絕緣體或半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料[9]。共軛π鍵為其形成分子鏈內(nèi)和鏈間的導(dǎo)電通道提供可能，“摻雜”則通過(guò)氧化或還原的方法為分子內(nèi)部提供大量的正電荷或電子等載流子[10]。事實(shí)上，經(jīng)過(guò)摻雜的有機(jī)共軛高分子材料，它的導(dǎo)電能力增加1010倍以上[7]。同時(shí)，摻雜與去摻雜是可逆的，并伴隨著電子的失與得。導(dǎo)電高分子通過(guò)氧化還原反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的摻雜和去摻雜的方式來(lái)儲(chǔ)存和釋放大量的電荷[11-12]，因此這類材料在二次儲(chǔ)能方面的應(yīng)用也是目前研究的熱點(diǎn)[11-15]。

導(dǎo)電聚苯胺是目前研究最為廣泛的導(dǎo)電有機(jī)高分子材料之一，具有原料易得、合成簡(jiǎn)便、耐高溫及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前公認(rèn)的最具有應(yīng)用潛力的導(dǎo)電高分子材料之一[10]。聚苯胺具有導(dǎo)電性，電致變色、二次儲(chǔ)能等特性，集知識(shí)性、趣味性、話題性于一身，適合作為化學(xué)科普實(shí)驗(yàn)的展示對(duì)象。導(dǎo)電聚苯胺的合成方法有化學(xué)氧化法和電化學(xué)方法[16-17]。在科普實(shí)驗(yàn)里通過(guò)化學(xué)法制備“聚苯胺觸屏手指套”展示其導(dǎo)電性，利用電化學(xué)的方法制備“聚苯胺充電電池”[17]展示其二次儲(chǔ)能的特性。

1.1 聚苯胺觸屏手套的制備實(shí)驗(yàn)

采用化學(xué)氧化法，利用過(guò)硫酸銨作為引發(fā)劑，在苯胺的鹽酸溶液中將其聚合、摻雜并包覆在手指套的棉線纖維上，制成導(dǎo)電手套并表征其導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 將苯胺0.5 mL和1 mol/L鹽酸50 mL混合攪拌均勻，制得苯胺鹽酸鹽溶液。從線手套上剪下一節(jié)手指套放入溶液中，充分浸濕。取過(guò)硫酸銨1.55 g和1 mol/L鹽酸50 mL混合溶解，倒入苯胺鹽酸鹽溶液中。繼續(xù)攪拌，約2 min后溶液開(kāi)始由無(wú)色變?yōu)榈仙?說(shuō)明反應(yīng)被引發(fā))，隨即變?yōu)樗{(lán)色直至墨綠色，再繼續(xù)攪拌5～7 min。

(2) 取出手指套，依次用1 mol/L鹽酸、去離子水、乙醇先后各洗滌2次，烘干。

(3) 趣味表征：萬(wàn)用表測(cè)聚苯胺手指套的電阻；套在手指上在觸屏手機(jī)上寫字，結(jié)果見(jiàn)圖1。

(a) 萬(wàn)用表測(cè)試普通手指套電阻，“OL”表“溢出”，即超出了量程的范圍

(b) 萬(wàn)用表測(cè)試聚苯胺手指套電阻，顯示阻值3.61 kΩ

(c) 普通手指套在觸屏手機(jī)上寫字，手機(jī)無(wú)響應(yīng)

(d) 聚苯胺手指套在觸屏手機(jī)上寫字，手機(jī)響應(yīng)正常

圖1 聚苯胺觸屏手套實(shí)驗(yàn)趣味表征

1.2 聚苯胺充電電池的制備實(shí)驗(yàn)

利用二電極電化學(xué)沉積法制備聚苯胺，過(guò)程如下：

(1) 取兩片不銹鋼板(長(zhǎng)×寬×厚為110 mm×50 mm×1 mm)為工作電極和對(duì)電極置于250 mL燒杯中，兩片鋼板不可接觸。電解液為0.25 mol/L苯胺和0.5 mol/L硫酸的水溶液150 mL。

(2) 取1.5 V干電池，兩極分別連接兩片鋼板，2～3 min即可在陽(yáng)極(正極)沉積致密的墨綠色的聚苯胺[見(jiàn)圖2(a)]，聚苯胺電池制備完成。

(3) 趣味表征：將聚苯胺電池與小風(fēng)扇連接，風(fēng)扇轉(zhuǎn)起[見(jiàn)圖2(b)]。待電量耗光，用1.5 V干電池對(duì)其充電15～20 s，電池正極連接聚苯胺一側(cè)[見(jiàn)圖2(c)]。將充好電的聚苯胺電池再次接入電路，風(fēng)扇再次轉(zhuǎn)起[見(jiàn)圖2(d)]。

(a) 電化學(xué)法制備聚苯胺電池

(b) 聚苯胺電池驅(qū)動(dòng)電扇

(c) 充電

(d) 再次驅(qū)動(dòng)電扇

圖2 聚苯胺充電電池實(shí)驗(yàn)制備及趣味表征

2 科普實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

聚苯胺的科普實(shí)驗(yàn)兼具知識(shí)性、趣味性，產(chǎn)品生活化的特點(diǎn)，同時(shí)其原料和產(chǎn)物均在有機(jī)物的范疇，適合引入到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中。

2.1 與常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“三組分混合物的分離”的契合點(diǎn)

一般而言，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程前期是各種基礎(chǔ)操作的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)操作訓(xùn)練的要求來(lái)選擇對(duì)象、設(shè)計(jì)過(guò)程，未免有些枯燥乏味。以我校基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“三組分混合物的分離”為例，它是一個(gè)基礎(chǔ)操作的綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)[18]，是化學(xué)專業(yè)與非化學(xué)專業(yè)的本科生都要完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)提供苯胺、甲苯、苯甲酸的混合物，要求學(xué)生利用萃取分液、常壓蒸餾、減壓蒸餾、重結(jié)晶、測(cè)折光率、測(cè)熔點(diǎn)等一系列基礎(chǔ)操作把這3種成分重新分離、純化、鑒定出來(lái)，內(nèi)容上可以說(shuō)是“干貨有余而趣味不足”。苯胺作為該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物，也可以用作聚苯胺科普實(shí)驗(yàn)的原料，因此，以苯胺為結(jié)合點(diǎn)，將“聚苯胺的合成與表征”的趣味科普實(shí)驗(yàn)自然地融合進(jìn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)“三組分混合物的分離”，使學(xué)生在基礎(chǔ)操作得到學(xué)習(xí)訓(xùn)練的同時(shí)，拓展知識(shí)，增加對(duì)有機(jī)實(shí)驗(yàn)的興趣。

2.2 結(jié)合思路與目標(biāo)

將該科普實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相融合，希望達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 增強(qiáng)有機(jī)化學(xué)課程的科學(xué)趣味性。使其“接地氣”，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度。

(2) 幫助學(xué)生完善知識(shí)體系，為日后相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生一般是大一或大二的化學(xué)或相關(guān)專業(yè)的本科生，他們大多還未學(xué)習(xí)過(guò)高分子及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，而且由于專業(yè)方向不同，有的學(xué)生甚至日后也不會(huì)接觸這部分內(nèi)容。而利用本實(shí)驗(yàn)的契機(jī)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解高分子理論及合成技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，正好能夠彌補(bǔ)專業(yè)選擇所帶來(lái)的缺憾，幫助學(xué)生完善知識(shí)體系；而對(duì)于高分子或相關(guān)專業(yè)方向的學(xué)生來(lái)說(shuō)，也有助于為其日后相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

(3) 普及前沿科學(xué)知識(shí)，拓展研究視野。導(dǎo)電有機(jī)材料是近年來(lái)研究比較火熱的領(lǐng)域，生活中各種有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)電子產(chǎn)品相繼問(wèn)世。但究其導(dǎo)電原理，學(xué)生卻知之甚少。利用該實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)此類有機(jī)材料導(dǎo)電機(jī)理的相關(guān)知識(shí)，豐富了學(xué)生的知識(shí)積累,拓展了學(xué)生的科學(xué)視野。

(4) 實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，踐行綠色化學(xué)理念。苯胺是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物，該實(shí)驗(yàn)中用作原料，既省去實(shí)驗(yàn)投入,又解決了實(shí)驗(yàn)廢液的回收處理，符合綠色化學(xué)的理念。

2.3 教學(xué)實(shí)踐與效果評(píng)估

本化學(xué)科普實(shí)驗(yàn)作為趣味實(shí)驗(yàn)在我校基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中已開(kāi)設(shè)3年。學(xué)生在完成“三組分混合物的分離”實(shí)驗(yàn)之后，3或4人1組，用自己分離純化得到純凈的苯胺作為趣味拓展實(shí)驗(yàn)的原料進(jìn)行聚苯胺的合成與表征，并學(xué)習(xí)導(dǎo)電有機(jī)聚合物的相關(guān)知識(shí)。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容雖涉及兩種合成方法，但均用時(shí)短，且可以兩者穿插進(jìn)行，總時(shí)長(zhǎng)不過(guò)30 min。

在觸屏手指套制作的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，純凈的苯胺產(chǎn)品要比渾濁或有色的產(chǎn)品更容易被引發(fā)聚合，這也反過(guò)來(lái)激勵(lì)和督促學(xué)生在前面的常規(guī)實(shí)驗(yàn)中認(rèn)真規(guī)范操作、嚴(yán)格要求自己，努力得到高品質(zhì)的產(chǎn)品。因此，其對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)也起到正向促進(jìn)作用。

為了評(píng)估聚苯胺科普實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，連續(xù)2年開(kāi)展了問(wèn)卷調(diào)查，參與調(diào)查的學(xué)生人數(shù)近300人，問(wèn)卷題目是從5個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：①了解學(xué)生對(duì)于聚苯胺科普實(shí)驗(yàn)的認(rèn)可度；②了解學(xué)生通過(guò)本科普實(shí)驗(yàn)對(duì)于導(dǎo)電高分子知識(shí)的興趣度；③對(duì)于導(dǎo)電高分子知識(shí)的理解程度；④了解本科普實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生提升常規(guī)實(shí)驗(yàn)興趣的幫助度;⑤了解學(xué)生對(duì)于將科普趣味實(shí)驗(yàn)或生活趣味元素融入進(jìn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程作法的認(rèn)可度。調(diào)查問(wèn)卷及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 問(wèn)卷結(jié)果統(tǒng)計(jì)

結(jié)果表明，大部分學(xué)生認(rèn)為“聚苯胺的合成與表征”實(shí)驗(yàn)科學(xué)有趣，并對(duì)將其作為科普趣味實(shí)驗(yàn)融入常規(guī)的“三組分混合物的分離”實(shí)驗(yàn)中的作法表示贊同或基本贊同，認(rèn)為這不僅幫助增長(zhǎng)關(guān)于導(dǎo)電高分子知識(shí)、開(kāi)拓眼界，也增加了對(duì)原有常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣。更多的學(xué)生希望在有機(jī)化學(xué)課程中增加趣味或生活元素以增加對(duì)于課程的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語(yǔ)

“聚苯胺的合成與表征”作為化學(xué)科普實(shí)驗(yàn)，具有科學(xué)有趣、操作簡(jiǎn)單、綠色安全的特點(diǎn)，將其與常規(guī)有機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“三組分混合物的分離”相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程里融合科學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)或趣味化、生活化的元素，其不僅可以幫助學(xué)生增長(zhǎng)知識(shí)、提高學(xué)生對(duì)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)的興趣和認(rèn)真程度，同時(shí)也能夠開(kāi)拓學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用意識(shí)，為學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)與探尋研究方向打下必要的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，這一探索既是對(duì)于大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一次有益嘗試，也為今后有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革提供了一些新的思路和方法。同時(shí)需要指出的是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中趣味化、生活化的元素增加并不是趣味、科普實(shí)驗(yàn)的一味堆加，而是要作為“調(diào)味劑”與常規(guī)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、物料或操作訓(xùn)練等方面有所聯(lián)系，既滿足實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基本要求又科學(xué)有趣，否則便有可能出現(xiàn)喧賓奪主、本末倒置的情況。