甲苯使酸性高錳酸鉀溶液褪色實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

沈坤華

摘要： 針對教材中“甲苯使酸性高錳酸鉀溶液褪色”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的問題，通過分析其原因，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。以18冠醚6作相轉(zhuǎn)移催化劑，使原本是兩相界面的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中進(jìn)行。采用控制單一變量的科學(xué)探究法，從改變反應(yīng)溫度、氧化劑濃度及催化劑用量等方面，開展實(shí)驗(yàn)探索，獲得適合課堂教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)條件。此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成果應(yīng)用于課堂教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 甲苯; 酸性高錳酸鉀溶液; 相轉(zhuǎn)移催化劑; 18冠醚6; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 10056629（2019）1005603 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

現(xiàn)行蘇教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》（選修）“芳香烴”的教學(xué)中，為了研討苯同系物的化學(xué)性質(zhì)，在“觀察與思考”欄目增加了甲苯、二甲苯被酸性高錳酸鉀溶液氧化的實(shí)驗(yàn)[1]。順利完成這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是苯環(huán)對其側(cè)鏈化學(xué)性質(zhì)影響使側(cè)鏈變得更活潑的最有力的證據(jù)，從而進(jìn)一步討論有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響，也是學(xué)習(xí)苯同系物的化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，在常溫或水浴加熱（80℃）條件下，分別取3滴0.05moL·L-1、 0.02moL·L-1、 0.01moL·L-1、 0.005moL·L-1 4種不同濃度的酸性高錳酸鉀溶液，滴入各盛有2mL甲苯的4支試管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，至少在5分鐘內(nèi)看不到甲苯使高錳酸鉀溶液褪色的跡象。這說明，無論在常溫下還是加熱條件下，甲苯被酸性高錳酸鉀氧化的反應(yīng)速率實(shí)在太慢，以致于在有限的時(shí)間內(nèi)觀察不到酸性高錳酸鉀溶液褪色現(xiàn)象，因此有必要對教材上這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

甲苯與酸性高錳酸鉀溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

我們知道，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的先決條件是反應(yīng)物的分子（或離子）直接碰撞，碰撞機(jī)會越多，反應(yīng)可能會越快。酸性高錳酸鉀溶液與甲苯互不相溶，分屬于水相、有機(jī)相，具有強(qiáng)氧化性的MnO-4離子與有機(jī)分子（甲苯分子）碰撞機(jī)會少，況且MnO-4離子在水溶液中是水合離子，周圍被水分子包圍，與有機(jī)分子直接接觸更困難，導(dǎo)致兩者反應(yīng)緩慢。增加氧化劑濃度或加熱可加快反應(yīng)，但短時(shí)間也看不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——紫色變淺或褪去，占用了較多課堂教學(xué)時(shí)間。

解決問題的關(guān)鍵是通過怎樣的方法增加MnO-4離子與有機(jī)分子直接接觸的機(jī)會？或通過怎樣的手段使KMnO4或MnO-4離子能“溶于”甲苯？從而使氧化反應(yīng)在有機(jī)相（均相）中進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)原理

一種固體無機(jī)化合物或它的水溶液與另一溶于非極性溶劑的物質(zhì)混在一起，因兩者分別處于互不相溶的兩相（固液兩相或液液兩相），難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。要使它們發(fā)生反應(yīng)的新的辦法是應(yīng)用相轉(zhuǎn)移催化作用，即在兩相體系中加入少量在有機(jī)相和水相中都能溶的試劑（稱相轉(zhuǎn)移催化劑），它可穿過兩相之間的界面把反應(yīng)實(shí)體（如MnO-4）從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中，使它與底物（有機(jī)溶劑中的溶質(zhì)或純有機(jī)溶劑）反應(yīng)，并把反應(yīng)中生成的另一種陰離子帶回水相中，而相轉(zhuǎn)移催化劑沒有損耗，只是重復(fù)地起“運(yùn)送”陰離子的作用[2]。

本實(shí)驗(yàn)所用的相轉(zhuǎn)移催化劑是18冠醚6，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

18冠醚6分子結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是分子內(nèi)有大的空穴，空穴大小260～320pm，空穴的一邊均勻分布著負(fù)電荷密度大的6個(gè)氧原子，這種特殊的結(jié)構(gòu)決定了它具有特殊的化學(xué)性質(zhì)——很強(qiáng)的配合能力，如與鉀離子（直徑266pm）形成配合物的穩(wěn)定常數(shù)lgK=6.1[3]。

在溶有18冠醚6的甲苯溶液中，滴入高錳酸鉀溶液，冠醚環(huán)上氧原子的孤對電子與K+離子配位，形成穩(wěn)定配合物，形象地表示為“鉀離子落到分子中心的洞穴里”，并利用冠醚配離子對有機(jī)溶劑的親和性，使得鉀離子從水溶液轉(zhuǎn)移到有機(jī)溶劑，帶負(fù)電荷的MnO-4離子也隨之進(jìn)入有機(jī)溶劑中，形成如圖2所示結(jié)構(gòu)。

18冠醚6使高錳酸鉀間接地“溶于”甲苯，這時(shí)的MnO-4離子是完全裸露的自由的陰離子，沒有溶劑化的影響，因而氧化能力更強(qiáng)。MnO-4離子被甲苯還原后，由于正負(fù)電荷的抗衡作用，配合了K+離子的18冠醚6有機(jī)配離子往返“運(yùn)送”水相中的MnO-4離子到有機(jī)相（甲苯）中，氧化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，而18冠醚6沒有損耗，最終高錳酸鉀溶液褪色。

3 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

高錳酸鉀、18冠醚6、甲苯、二甲苯（以上4種藥品均為分析純試劑）、蒸餾水;溫度計(jì)、試管、燒杯、量筒、電子天平、藥匙、玻璃棒、膠頭滴管、熱水

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

先配制濃度為0.05moL·L-1的高錳酸鉀溶液50mL，再取部分配制好的該溶液用蒸餾水稀釋成0.02moL·L-1、 0.01moL·L-1、 0.005moL·L-1 3種不同濃度的高錳酸鉀溶液。

用量筒取30mL甲苯于50mL小燒杯中，加入0.9g 18冠醚6晶體，攪拌，使其充分溶解，得冠醚的甲苯溶液（A溶液）。再分別取30mL甲苯，用同樣方法配制含有1.8g和3.6g 18冠醚6的兩種甲苯溶液——B溶液和C溶液。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象

4.2.1 實(shí)驗(yàn)1

取4支試管，向其中分別加入2mL上述冠醚的甲苯溶液（A溶液），再分別滴加3滴上述4種濃度的高錳酸鉀溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。分別用B溶液、C溶液重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作，觀察現(xiàn)象（見表1）。

上述實(shí)驗(yàn)溶液紫色褪去的同時(shí)，下層（水層）還出現(xiàn)棕色渾濁。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)2

50℃水浴加熱下，每次實(shí)驗(yàn)取冠醚的甲苯溶液2mL，高錳酸鉀溶液3滴，現(xiàn)象記錄如表2所示。

上述實(shí)驗(yàn)溶液紫色褪去的同時(shí)，下層（水層）還出現(xiàn)棕色渾濁。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)3

80℃水浴加熱，不同濃度冠醚的甲苯溶液與不同濃度高錳酸鉀溶液反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，0.005moL·L-1、 0.01moL·L-1、 0.02moL·L-1高錳酸鉀溶液半分鐘左右完全褪色，0.05moL·L-1高錳酸鉀溶液1分鐘左右完全褪色，溶液褪色的同時(shí)下層（水層）均出現(xiàn)棕色渾濁。

實(shí)驗(yàn)說明：

（1） 在常溫或水浴加熱條件下，將適量18冠醚6晶體放入不同濃度的高錳酸鉀溶液中振搖，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溶液不褪色，說明18冠醚6與高錳酸鉀不發(fā)生反應(yīng)。

（2） 高錳酸鉀溶液紫色褪去時(shí)，由于各人對略微褪色、較明顯褪色、明顯褪色、完全褪色的判斷標(biāo)準(zhǔn)可能不一致，在褪色時(shí)間判斷上可能有一定的偏差，但在相對比較上現(xiàn)象明顯不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3） 醚官能團(tuán)在強(qiáng)酸性且加熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，為避免影響實(shí)驗(yàn)效果，本實(shí)驗(yàn)所用的高錳酸鉀溶液沒有加硫酸酸化。本實(shí)驗(yàn)中棕色沉淀是高錳酸鉀的還原產(chǎn)物二氧化錳。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述實(shí)驗(yàn)探索，化學(xué)教材上的實(shí)驗(yàn)可改為： 取一支試管，向其中加入1～2粒綠豆大小的18冠醚6晶體，再向試管中加入2mL甲苯，振蕩，使其全部溶解，得冠醚的甲苯溶液（冠醚濃度相當(dāng)于上述實(shí)驗(yàn)B溶液或C溶液濃度）。在所得溶液中滴加3滴高錳酸鉀溶液（中性），振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。必要時(shí)把試管放入50℃以上的水浴中加熱，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。高錳酸鉀溶液濃度應(yīng)控制在0.02moL·L-1及以下的濃度為宜，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，現(xiàn)象明顯。教師也可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要，將實(shí)驗(yàn)改成學(xué)生研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目： 控制實(shí)驗(yàn)變量，研究單一條件（溫度、氧化劑濃度、催化劑用量）改變對反應(yīng)速率的影響，從而探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的外部因素，尋找甲苯使高錳酸鉀溶液褪色的合適條件，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。

5 課堂應(yīng)用與反思

課堂教學(xué)中，可先按照教材上的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行演示，并與二甲苯進(jìn)行對比，甲苯反應(yīng)不理想的實(shí)驗(yàn)效果激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的欲望。根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析討論，認(rèn)識影響化學(xué)反應(yīng)的條件是復(fù)雜的，同時(shí)是可以控制的。在控制單一變量的科學(xué)探究中，獲得理想的化學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，不僅體現(xiàn)化學(xué)理論對化學(xué)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，更可培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的思維品質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

新版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊增加了“超分子、聚集態(tài)”等教學(xué)內(nèi)容[4]，豐富了中學(xué)教育所應(yīng)認(rèn)識的微粒種類，這是化學(xué)科學(xué)發(fā)展對中學(xué)教育提出的新要求，化學(xué)教師應(yīng)積極探索化學(xué)新知識、新技術(shù)在日常教學(xué)中的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)涉及超分子化學(xué)領(lǐng)域，18冠醚6是主體，鉀離子是客體，主客體通過配位鍵形成了超分子，18冠醚6在反應(yīng)中起相轉(zhuǎn)移催化作用。由此可見，化學(xué)教師必須緊跟時(shí)代步伐，加強(qiáng)化學(xué)學(xué)科新知識的學(xué)習(xí)，積極改進(jìn)并開發(fā)能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特色、融入前沿學(xué)科知識的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)（第四版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2014： 52.

[2]邢其毅， 徐瑞秋等. 基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)（第二版上冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993： 423～426.

[3][英]J. W. 斯蒂德， J. L. 阿特伍德著. 趙耀鵬， 孫震譯. 超分子化學(xué)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2006： 81～82， 87.

[4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 43～44.