讓學生深刻“體驗”化學反應原理
——以高三復習“乙酸乙酯制備原理”教學為例

吳文中　徐俊龍　何　淼

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

讓學生深刻“體驗”化學反應原理
——以高三復習“乙酸乙酯制備原理”教學為例

吳文中1徐俊龍2何淼3

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

基于學生初步理解化學反應的方向、化學反應的限度、化學反應速率等化學反應原理，以解讀蘇教版高中化學“乙酸乙酯實驗室制備”原理為例，闡述利用高中化學教材現(xiàn)有素材，讓學生體驗化學反應原理在物質(zhì)制備以及化工生產(chǎn)中的應用原則，幫助學生構建化學原理指導實踐的基本思想和方法。

體驗；構建；化學反應原理；乙酸乙酯制備

新課程三維目標的確立，決定了當今的課堂教學不能僅停留在“學科知識的傳授”這一低起點上。課堂教學要走出“知識為本”的藩籬，加強學科思想方法的體驗，引導學生用現(xiàn)有的理性認識去解釋一些現(xiàn)象，探究事件發(fā)生的緣由，并在此基礎上主動建構知識體系，獲得學習方法，從而產(chǎn)生對已有理性認識的再感悟、再肯定，達到對已有理性知識的升華、強化。

知識是學生思維能力培養(yǎng)、思想方法體驗與學科觀念構建的載體，而不是課堂教學內(nèi)容的全部，教師若能站在一個較高的平臺上去審視當前課堂教學中存在的問題，探索知識傳授與學科思想方法體驗兩者之間有機融合、相互促進的路徑［1］，找到課堂教學的最佳切入點和有效組織形式是值得探討和實踐的。

一、體驗式學習

體驗學習在中國傳統(tǒng)的教育教學思想中早有體現(xiàn)，古訓曰“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”就是這個意思，“體驗式學習”是指在學習過程中，讓學生從已有的實際經(jīng)驗或已獲得的知識出發(fā)，親自感悟具體問題。體驗式學習整合了杜威的“做中學”以及認知心理學家皮亞杰的“發(fā)生論”等理論，最后由社會心理學家大衛(wèi)·庫伯完整提出。它作為一種富于生命力的學習方式，使之與化學學習結合，改進學生化學學習方式，同時對提高學生化學學習的參與性水平有著重要意義［2，3］。

高中復習課的教學中，特別需要這樣的再感悟，再強化的過程，使學生能熟練運用已有的理性知識，解決新環(huán)境下的具體化學問題。

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

二、教學設計思想與教學過程

［新課引入］今天，將利用同學們所學的知識，來研究和討論:乙酸與乙醇為什么能發(fā)生反應得到乙酸乙酯？實驗室為什么采用“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（熱力學問題討論）

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

［問題2］該反應為什么能自發(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，你能判斷該反應的熵變?yōu)榇笥?還是小于0？

基于學生已具備以下化學反應原理的理論知識設計上述問題。

△H＜0，△S＜0，反應低溫自發(fā)，一般情況下為可逆反應；

△H＞0，△S＞0，反應高溫自發(fā)，一般情況下為可逆反應；

△H＜0，△S＞0，任何溫度下自發(fā)，反應進行到底，不可逆過程；

△H＞0，△S＜0，非自發(fā)，過程不能發(fā)生。

設計理由：（1）提取學生已有知識點——自發(fā)反應的條件；（2）用學生已有的知識強化自發(fā)反應的真正涵義（后續(xù)教學過程中有充分的體現(xiàn)）。

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

參考答案:不會，因為該反應不是一個可逆反應，而勒夏特列原理的研究對象是可逆反應，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，教師可引導學生得出乙酸乙酯制備的條件:低溫（注:該結論錯誤，此為“伏筆”）。

2.乙酸乙酯制備的反應限度

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

已知該反應在25℃時的平衡常數(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，反應后體積變化忽略不計，混合攪拌足夠長時間后，計算乙酸乙酯的產(chǎn)率為多少？酸乙酯產(chǎn)率為66.66%。

［問題2］乙酸乙酯反應在常溫、無催化劑條件下能“很好地”得到嗎？

通過以上的計算，得出的結論是“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！

為什么高中化學實驗中，乙酸乙酯制備不僅需要提高溫度，同時還需加入適量的濃硫酸做催化劑？

設計理由：通過計算，產(chǎn)生對比，感悟自我認識與實際實驗條件的反差，產(chǎn)生認識上的“沖突”，激發(fā)學生的求知欲望。

3.化學平衡常數(shù)和化學反應速率的關系（動力學和熱力學的關系）

通過以上的教學過程，讓學生體驗化學反應原理在物質(zhì)制備中的應用，對已有理性認識再感悟、再肯定，但得到了與課本實驗“沖突”的結論。（注:顯然該結論有誤，學生心中也清楚，只是不知問題出在何處）

這時，教師可展示如下資料，引導學生繼續(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年后該可逆反應能達到化學平衡，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，所需要的時間是1千萬年。

至此，讓學生體驗如下:化學反應過程發(fā)生的可能性（自發(fā)反應）以及可進行的程度（化學反應限度與化學平衡常數(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，化學平衡常數(shù)大也不代表反應速率就很大。反應速率的大小不但和反應物本身的性質(zhì)有關，還與反應體系的溫度、反應物濃度、催化劑等外部因素有關，盡管某條件下某化學反應過程的平衡常數(shù)很大，但也可能會由于反應速率很小使得達到化學平衡所需要的時間很長。

［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?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！——實驗室制備乙酸乙酯時，加熱的作用難道僅僅是為了提高反應速率嗎？

4.提高乙酸乙酯的產(chǎn)率分析——化學平衡移動原理的運用

毫無疑問，使用濃硫酸是為了加快化學反應速率，降低乙酸乙酯制備所需要的活化能，可大大加快化學反應速率，但溫度的升高，造成另外一個不好的影響: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，教師及時提供乙酸乙酯制備的有關資料如表1和資料1:

表1　乙酸、乙醇、乙酸乙酯的沸點

［資料1］實驗中，酒精燈加熱的溫度約為110℃～120℃之間。

［問題1］實驗室制備乙酸乙酯時，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:實驗中加熱的另一個重要目的是把生成的乙酸乙酯及時帶離反應體系，使得化學平衡CH3COOH（l）+C2H5OH（l）?CH3COOC2H5（l）+H2O（l），不斷向正反應方向移動，提高乙酸乙酯的產(chǎn)率。

［問題2］帶離反應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？

當乙酸乙酯被帶離反應體系后，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，使得上述水解平衡不斷往水解方向移動，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，但課本實驗偏偏使用堿性較強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”，之所以設計以上問題，目的是讓學生反復體驗化學反應速率、化學平衡移動原理在物質(zhì)制備中的靈活運用。

“沖突”→“原理”應用→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。有人通過實驗表明: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，即便在強堿性條件下，乙酸乙酯的水解速率也是很慢的［4］。

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

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

同時，為了提高轉化率，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，加快化學反應速率，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”，從而使得化學平衡不斷地往正反應方向移動，這一點和乙酸乙酯實驗室制備的原理如出一轍。

至此，課堂教學進入真正解決問題的時刻。

三、化學反應原理的再運用

那么請同學們設計乙酸正丁酯的實驗室制備方案，你需要查閱哪些資料？

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

［資料2］乙酸、正丁醇、乙酸正丁酯的沸點如表2:

表2　乙酸、正丁醇、乙酸正丁酯的沸點

教師與學生共同探討，乙酸正丁酯制備實驗的實驗條件和方法如下:

（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126℃以上，視本題實際，只需把“水”帶離反應體系，就能促進可逆反應往正反應方向移動，提高產(chǎn)品的轉化率。

（3）加熱方式:水浴加熱，易于控制反應的溫度。

（4）教師同時展示乙酸正丁酯實驗室制備裝置——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體系，促進平衡往正反應方向移動，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結束的時間，被揮發(fā)的乙酸正丁酯能冷凝回流到反應器中；同時讓學生真正體驗到利用化學平衡移動原理，提高產(chǎn)品的轉化率時需視具體不同反應，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，對化學反應原理中的“自發(fā)反應、化學反應限度、化學平衡常數(shù)、化學平衡、化學平衡移動原理等內(nèi)容在一堂課中都有了充分的體現(xiàn)，體現(xiàn)了復習內(nèi)容的連貫性，整體性，科學性，同時能切實有效地提高化學課堂的復習效率。

通過“理性認識→實踐→理性認識升華→再實踐”這樣的過程，使學生更充分地體驗化學反應原理，熟練運用化學反應原理，具有重要意義，且事半功倍。

四、教學反思

上述教學案例說明:在課堂教學中學科知識的掌握和思想方法的體驗是能做到雙線并行、兩者兼顧的，關鍵在于教師有沒有放手讓學生充分體驗的勇氣和組織設計教學的智慧。利用課本的素材，完全能做到讓學生“體驗”化學學科思想在生產(chǎn)、生活中的應用，從而幫助學生構建學科思想，真正做到學會學習、做到“做中學”。

［1］繆徐.讓學生充分體驗學科思想方法［J］.江蘇教育（中學教學版），2014，（4）：32

［2］蘇香妹.化學教學的“體驗式學習”［J］.中學化學教學參考，2010，（7）：16

［3］倪江紅.體驗式教學在初中化學教學中的應用［J］.化學教與學，2014，（11）：30

［4］張東曉，張明君.乙酸乙酯實驗中的幾個問題［J］.中學化學，2014，（11）：22

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

1008-0546（2015）10-0019-03

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10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.008