儲(chǔ)開桂

2022年江蘇省基礎(chǔ)教育內(nèi)涵項(xiàng)目“大模型教學(xué)：深度發(fā)展科學(xué)思維的高中理科實(shí)踐研究”的階段性成果之一。

摘要：? 取代反應(yīng)是典型的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)類型，烷烴取代反應(yīng)實(shí)驗(yàn)效果的影響因素較多，通過(guò)控制變量法探究烷烴與氯氣光照發(fā)生取代反應(yīng)的優(yōu)選條件，單一改變反應(yīng)物、反應(yīng)容器、光照條件等變量以獲取烷烴取代反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)的較佳效果，能幫助學(xué)生更充分地理解取代反應(yīng)的概念，更好地服務(wù)于化學(xué)課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 控制變量法； 烷烴； 取代反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2024）04008304

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的產(chǎn)生

現(xiàn)行普通高中化學(xué)教科書（人教版、蘇教版）中都有關(guān)于甲烷光照取代反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)。很多教師在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)演示時(shí)會(huì)遇到困難。焦點(diǎn)問(wèn)題在于該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率慢、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、氣體制備麻煩等從而導(dǎo)致不少教師用視頻實(shí)驗(yàn)代替演示實(shí)驗(yàn)，未能達(dá)成預(yù)期的教學(xué)效果，同時(shí)飽受同行詬病。知網(wǎng)搜索顯示有4位同行對(duì)此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)進(jìn)行了嘗試，如許秀娟［1］通過(guò)向U型管中注射預(yù)先收集好的甲烷和氯氣，用節(jié)能燈作光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是提升了反應(yīng)速率。缺點(diǎn)是需要做大量的前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)裝置本身復(fù)雜且必須通過(guò)實(shí)物投影進(jìn)行觀察；郭琦榮［2］通過(guò)使用青霉素玻璃瓶（12mL）收集氯氣、注射器收集甲烷，在不同光源照射下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，其優(yōu)點(diǎn)是將實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單化、實(shí)驗(yàn)微型化，并用濃氨水充分證明氯化氫的生成。其缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)太微型化，不適合演示實(shí)驗(yàn)；車琳［3］通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的組裝和改進(jìn)放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要用到三頸燒瓶，多個(gè)輔助儀器（氣球、注射器、青霉素玻璃瓶），優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)制現(xiàn)用氯氣，實(shí)驗(yàn)效果較佳，適合演示實(shí)驗(yàn)。缺點(diǎn)是儀器搭建費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甲烷必須預(yù)先制備好等；江軍等［4］通過(guò)自制針筒式氣體反應(yīng)器，通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中的氣體壓強(qiáng)、能量的變化來(lái)說(shuō)明取代反應(yīng)的發(fā)生，該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)氣相反應(yīng)避免了通常實(shí)驗(yàn)中水珠的存在對(duì)生成油狀物現(xiàn)象觀察的干擾，通過(guò)傳感器獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化處理。缺點(diǎn)是甲烷和氯氣都需要現(xiàn)制，且需要進(jìn)行干燥處理，甲烷的制備需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間等。

通過(guò)對(duì)比教材及同行的研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)甲烷取代實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要集中在：（1）實(shí)驗(yàn)儀器的放大和縮小，更多的是將反應(yīng)容器縮??；（2）光源的改進(jìn)如熒光燈、LED燈、手電筒、白熾燈、節(jié)能燈的使用；（3）產(chǎn)物觀察與檢驗(yàn)方法的改進(jìn)；（4）甲烷或氯氣的制備方法的選擇等。尚未見有充分的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和嘗試對(duì)反應(yīng)物的選擇改變。

變量控制的方法是科學(xué)探究中常用的方法［5］，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，在必修課程中學(xué)生能運(yùn)用變量控制的方法初步探究反應(yīng)的規(guī)律。本文分析烷烴取代反應(yīng)的機(jī)理，結(jié)合兩本教科書中的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行烷烴取代反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的探究，以尋找最佳的實(shí)驗(yàn)效果和途徑。

兩個(gè)版本教科書中實(shí)驗(yàn)方案的對(duì)比見表1。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于烷烴取代實(shí)驗(yàn)的研究中，存在反應(yīng)物用什么物質(zhì)、反應(yīng)物體積的比例、光源的選擇、反應(yīng)容器的選擇等多個(gè)變量，選擇只改變其中的某一因素，控制其他因素不變，使多因素的問(wèn)題變成幾個(gè)單因素的問(wèn)題，分別加以研究，最后再將幾個(gè)單因素問(wèn)題的研究結(jié)果加以綜合。

2? 實(shí)驗(yàn)研究及對(duì)比分析

2.1? 室內(nèi)燈光下氯氣和甲烷不同體積比反應(yīng)效果測(cè)試

針對(duì)人教版教材中使用試管存在氣體體積用量太小、不便于控制氣體體積比的缺點(diǎn)；蘇教版中使用集氣瓶不便于控制氣體體積比、不利于觀察反應(yīng)后飽和食鹽水倒吸現(xiàn)象的缺點(diǎn)，我們選擇用50mL的量筒來(lái)收集兩種不同比例的氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見表2）。

從實(shí)驗(yàn)效果看，選擇體積比4∶1，更適合課堂演示，并能有效證明發(fā)生了取代反應(yīng)。雖然有不少教師指出受容器器壁上水珠的影響，實(shí)驗(yàn)容器中無(wú)法準(zhǔn)確判斷是否有油狀物（有機(jī)物）生成，但實(shí)驗(yàn)研究表明，如果將實(shí)驗(yàn)后的飽和食鹽水倒入指定容器，在水槽底部會(huì)有一薄層油狀物，并能聞到類似于四氯化碳等有機(jī)物的特殊氣味（該現(xiàn)象很容易被忽略）。

2.2? 日光照射下氯氣和甲烷不同體積比反應(yīng)效果測(cè)試

基于烷烴取代反應(yīng)是自由基反應(yīng)，強(qiáng)光的照射應(yīng)該可以加快反應(yīng)速率，我們選擇用350mL的礦泉水瓶分別收集了兩種混合比例（1∶1、 4∶1）的氣體在日光直射下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果大大改善（見表3）。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在日光直射下，選擇V（氯氣）∶V（甲烷）=1∶1進(jìn)行取代實(shí)驗(yàn)更適合演示，V（氯氣）∶V（甲烷）=1∶4的反應(yīng)不適合取代實(shí)驗(yàn)的演示，但可以作為興趣實(shí)驗(yàn)介紹給學(xué)生。

考慮到甲烷的實(shí)驗(yàn)室制備過(guò)程稍顯繁瑣以及烷烴中不同類型的氫原子被取代的速率差異，我們嘗試用液化石油氣（可以直接從丁烷燈、丁烷小罐中釋放）代替甲烷進(jìn)行了取代反應(yīng)的對(duì)比探究。

2.3? 不同條件下液化石油氣與氯氣反應(yīng)效果測(cè)試

不同條件下使用液化石油氣與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見表4。

實(shí)驗(yàn)7

實(shí)驗(yàn)8

實(shí)驗(yàn)9V（氯氣）∶V（液化石油氣）=6∶1近日光直射反應(yīng)1～2min，瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生霧氣、黃綠色逐漸變淡，瓶子不斷變癟（伴有咔咔聲響）、瓶壁及瓶底清晰可見乳白色油狀液滴；片刻后用注射器注入少量水，瓶子繼續(xù)變癟。

V（氯氣）∶V（液化石油氣）=8∶1近日光直射反應(yīng)5min，瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生霧氣、黃綠色逐漸變淡，瓶子緩慢變癟。瓶壁及瓶底清晰可見乳白色油狀液滴；片刻后用注射器注入少量水，瓶子繼續(xù)變癟。

V（氯氣）∶V（液化石油氣）=6∶1日光直射瞬間瓶?jī)?nèi)充滿黑色顆粒，并伴有明顯的發(fā)光發(fā)熱。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)控制變量，對(duì)比研究，可以得出以下結(jié)論?；谘菔緦?shí)驗(yàn)的要求，需要反應(yīng)速率不能太慢、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便等，建議對(duì)甲烷光照取代的實(shí)驗(yàn)做如下改進(jìn)。

3.1? 反應(yīng)物的選擇

烷烴與鹵素的反應(yīng)是自由基取代反應(yīng)，反應(yīng)的機(jī)理可以分為三步：（1）生成氯自由基：氯氣在紫外光的作用下，發(fā)生光解反應(yīng)，生成兩個(gè)氯自由基Cl22Cl·;（2）氯自由基與烷烴發(fā)生取代反應(yīng)：氯自由基與烷烴中的氫原子發(fā)生反應(yīng)，生成氯化氫和一個(gè)烷基自由基Cl·+RHHCl+R·;（3）烷基自由基與氯氣發(fā)生反應(yīng)：生成鹵代烴和氯自由基R·+Cl2RCl+Cl·，這樣氯自由基就可以繼續(xù)參與反應(yīng)，形成氯代烷烴。從烷烴的C—H鍵的鍵能（或離解能）來(lái)看，鍵均裂后生成自由基，鍵能越大，斷裂此鍵需要提供的能量越高。伯、仲、叔碳的C—H鍵的離解能［6］如表5所示。

可見，伯、仲、叔碳自由基的穩(wěn)定性為：3°>2°>1°>·CH3。

盡管也有教師提出將無(wú)水醋酸鈉、氫氧化鈉和氧化鈣按質(zhì)量比為6∶3∶2［7］混合研磨后，迅速裝填于大試管加熱可以高效制備甲烷，但畢竟通過(guò)固體之間混合后加強(qiáng)熱制備氣體比較麻煩。同時(shí)從反應(yīng)的活性角度看，選擇碳原子較多的烷烴更易于發(fā)生取代反應(yīng)。郭震在對(duì)鹵代烴取代反應(yīng)及實(shí)驗(yàn)的研究中也很重視該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物的選擇［8］，綜上，對(duì)烷烴取代的反應(yīng)物的選擇建議是：（1）高錳酸鉀固體與濃鹽酸反應(yīng)，即制即用氯氣；（2）用液化石油氣（主要成分丁烷）代替甲烷，為方便操作，可直接在市售257mL的丁烷罐的出氣管上接上細(xì)膠管，即可實(shí)現(xiàn)烷烴氣體制備的隨開隨用，隨關(guān)隨停。

3.2? 反應(yīng)儀器的選擇

使用350mL礦泉水瓶作反應(yīng)容器，放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提升演示效果。適當(dāng)提高反應(yīng)物的用量使反應(yīng)現(xiàn)象更明顯，便于全班同學(xué)更清楚地觀察到瓶?jī)?nèi)顏色的變化、聽到瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小時(shí)礦泉水瓶變癟的“咔咔”聲，乳白色油狀物的不斷生成、黃色油滴的體積逐漸變大都能給學(xué)生很好的直觀體驗(yàn)，從而提升學(xué)生的探究欲望，促進(jìn)學(xué)生深度思維的發(fā)展。礦泉水瓶是無(wú)色透明塑料制品，還便于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后向其中注射紫色石蕊試液，觀察溶液顏色變紅，通過(guò)檢驗(yàn)氯化氫的生成進(jìn)一步證明取代反應(yīng)的發(fā)生。

3.3? 反應(yīng)條件的選擇

烷烴的自由基取代反應(yīng)的條件一般是加熱或光照，從實(shí)驗(yàn)的對(duì)比可以看出，如若選擇用甲烷與氯氣做反應(yīng)物，需要更強(qiáng)烈一點(diǎn)的光源（如紫外線照射），如果選擇用液化石油氣與氯氣做反應(yīng)物，只要正?？拷皯舻淖匀还饩妥銐虮ＷC反應(yīng)快速進(jìn)行。不管選擇哪一種烷烴做反應(yīng)物，適當(dāng)提高氯氣與烷烴的體積比，有利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，甚至可以觀察到白色乳狀物或者黃色油滴產(chǎn)生。建議反應(yīng)物的用量為V（氯氣）∶V（甲烷）=4∶1； V（氯氣）∶V（液化石油氣）=6∶1。

4? 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)起到極為重要的作用。烷烴的光照取代反應(yīng)是高中有機(jī)化學(xué)中非常典型的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中不要輕易放棄該演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，而應(yīng)該克服困難，創(chuàng)造條件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

利用廢棄礦泉水瓶作為反應(yīng)容器，可節(jié)約使用材料成本。實(shí)驗(yàn)中觀察到混合氣體黃綠色變淡直至褪去、瓶?jī)?nèi)有霧狀物及油狀液滴生成的現(xiàn)象，能促使學(xué)生推測(cè)產(chǎn)物是什么，并促使學(xué)生從宏微結(jié)合的角度認(rèn)識(shí)烷烴與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)的過(guò)程，有利于學(xué)生形成科學(xué)探究思維，提升科學(xué)探究意識(shí)，促進(jìn)宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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