對化學課堂教學中探究性實驗的思考

林瑞蔡 葉巧云

摘要： 立足課堂教學實踐，以乙烯與溴加成反應探究性實驗為例，從證明方法、觀察點的確定、反應方案和試劑的選擇等四個方面進行分析，提出證明方法要簡單可行、試劑要純凈、反應過程要無干擾、觀察點要現(xiàn)象明顯等觀點，使化學課堂教學中進行的實驗探究更科學嚴謹，更有利于學生思維能力的培養(yǎng)。

關鍵詞： 探究性實驗; 乙烯與溴加成反應; 溴的四氯化碳溶液; 教學啟示

文章編號： 1005-6629（2020）02-0068-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“科學探究與創(chuàng)新意識”是新課標化學五大核心素養(yǎng)之一，科學實驗是落實科學探究的基礎，探究性實驗是在課堂教學中為探究未知知識或證明某些定論而進行的實驗。在課堂教學過程中學生經(jīng)常會遇到一些難以理解或容易混淆的概念，若采用探究性實驗降低理解難度或進行疑難辨析，使知識更立體、直觀、具有可視性，往往會收到意想不到的效果。同時，通過探究性實驗還能使學生學到實驗的知識和技能，學會研究問題的方法，培養(yǎng)學生科學探究的意識和能力。但在有關的教研活動中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)不少教師對實驗探究的理解不深、科學性不夠嚴密，經(jīng)不起仔細推敲，這樣不僅不利于增進對知識的理解，而且還會影響學生邏輯推理能力的形成。究其原因主要是探究性實驗的影響因素較多，對教師的專業(yè)素養(yǎng)和思維能力要求較高。在進行探究性實驗時哪些問題值得我們注意和思考？如何提高教師指導探究性實驗的能力和經(jīng)驗？筆者結合教學實踐，以“乙烯與溴的加成反應”為例，談談對化學課堂教學中進行實驗探究時的一些體會與思考，與各位同仁一起分享和探討。

1? 如何確定一個探究性實驗

在蘇教版《化學2》[1]中，乙烯的加成反應是繼學生學習了甲烷的取代反應之后要學習的又一重要的有機反應類型。乙烯與溴的加成是學生學習加成反應的“啟蒙”反應，如何認識加成反應、如何與取代反應進行區(qū)分是這節(jié)課的教學重點和難點，開展實驗探究無疑是解決這一問題比較適宜的方法。但是，影響實驗的因素有很多，進行探究性實驗前需要對很多問題進行分析和思考。

1.1? 證明方法的確定

《普通高中化學課程標準（2017年版）》有關“科學探究與創(chuàng)新意識”部分要求“能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學問題，能依據(jù)探究目的設計并優(yōu)化實驗方案……”[2]。欲探究未知結論，往往要進行假設，然后對假設加以驗證。驗證假設一般有兩種方法，一種是證實，一種是證偽。選擇證實還是證偽則取決于哪種方法更有利于實驗的探究、對實驗的要求更低、實驗操作更簡單可行、現(xiàn)象更直觀明顯等等。

在進行乙烯與溴的反應學習時，我們很容易通過實驗說明乙烯能與溴發(fā)生反應，但是它究竟發(fā)生了什么反應？跟甲烷與氯氣的反應一樣也是取代反應嗎？如何證明？這時候就需要教師和學生一起猜想可能發(fā)生了什么反應，有哪些方法可以驗證？如果要通過驗證產(chǎn)物來確定是加成還是取代反應的話，應如何設計？如果利用證實，則發(fā)生如下反應： CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br，只有通過是否產(chǎn)生1，2-二溴乙烷來加以驗證。而如果要通過證偽（以一取代為例）加以證明，則發(fā)生如下反應： CH2CH2+Br2CHBrCH2+HBr，可通過驗證1-溴乙烯或HBr加以驗證。從教學進度看，鹵代烴的性質在《化學2》尚未學習，無論是加成反應還是取代反應，都牽涉有機產(chǎn)物都是鹵代烴而難以區(qū)分。如果是對HBr進行驗證，既可以通過檢驗水溶液中的H+，也可以通過檢驗Br-來確定，并且加成反應不產(chǎn)生HBr，兩者無干擾，因此推測，通過驗證是否產(chǎn)生HBr更為合適： 如果無HBr生成，便可以證明發(fā)生了加成反應。

1.2? 反應方案的選擇

本實驗的乙烯可有多種來源?？梢酝ㄟ^乙醇的消去反應獲得，也可以通過其他方法，如通過乙烯利在一定條件下獲得。如果利用乙醇的消去反應獲得，使用的催化劑和脫水劑不同，獲得乙烯的成分或純度也不同，利用濃硫酸作脫水劑和催化劑往往會發(fā)生以下反應：

CH3CH2OH濃硫酸170℃CH2CH2↑+H2O

C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O

生成的乙烯中往往由于乙醇的炭化在加熱下與濃硫酸反應而混有SO2和CO2氣體，SO2在水蒸氣存在下也能使Br2褪色而干擾實驗結果，因此需要先用堿性或氧化性物質除去雜質SO2，這樣使實驗流程比較復雜[3]。所以在利用消去反應獲得乙烯的時候，不宜選用濃硫酸作催化劑，應選用Al2O3或P2O5。但是裝置依然復雜且需要高溫，加上P2O5是內控物質，中學實驗室一般都沒有該物品。當然，乙烯也可以利用容易在市場購得的乙烯利（ClCH2CH2PO3H2）來獲得。乙烯利在酸性介質（pH<3）中穩(wěn)定，隨著酸性的減弱，逐漸分解釋放出乙烯。乙烯利在堿性（以NaOH為例）環(huán)境中發(fā)生的反應為：

ClCH2CH2PO3H2+4NaOH

NaCl+CH2CH2↑+Na3PO4+3H2O

通過乙烯利產(chǎn)生的乙烯中不含有CO2和SO2，不會干擾對乙烯的檢驗，而且裝置簡單便于攜帶，操作簡便，更容易在課堂中進行演示實驗。

1.3? 試劑的選擇

探究實驗進行物質檢驗時往往要添加試劑，因此，試劑的形態(tài)和溶劑的種類也可能會影響到實驗的操作性、安全性，甚至科學性，所以試劑的選擇也至關重要。在確定試劑時需綜合考慮各方面影響因素，避免干擾，選出最合適的試劑。

在中學階段，溴單質作為試劑時常以液溴、溴水或溴的四氯化碳溶液形式進行添加，那么哪種形式更好？這就需要我們根據(jù)實驗的要求逐一進行比較。乙烯均能使它們褪色，但是液溴具有很強的揮發(fā)性，而且毒性較強，容易污染環(huán)境，影響實驗者的身體健康，更不宜在課堂內進行，因此不宜選用液溴。溴水中成分較復雜，在溴水中Br2與水可以發(fā)生如下反應： Br2+H2OH++Br-+HBrO，溴水除含有Br2和H2O外，還含有HBr和HBrO。在乙烯與溴發(fā)生反應的同時，在常溫下乙烯雖然難以與H2O發(fā)生加成反應，但是卻可以在常溫下與HBr和HBrO反應，生成溴乙烷（CH3CH2Br）和2-溴乙醇。查閱相關文獻[4，5]，在溴的濃度較稀的水溶液中乙烯與其反應的主要產(chǎn)物是2-溴乙醇，因此也不適合于說明褪色是由于Br2與乙烯發(fā)生加成反應造成的，這樣缺乏科學性。溴的四氯化碳溶液，相對于液溴而言揮發(fā)性較小，相對于溴水而言，它不存在HBr和HBrO，所以與乙烯不會發(fā)生和溴水發(fā)生的副反應，因此選擇溴的四氯化碳溶液作為反應試劑最為合適。

1.4? 實驗觀察點的確定

用什么來說明是發(fā)生取代反應還是加成反應？這就是實驗觀察點的選擇問題，這個觀察點的選擇一定要現(xiàn)象明顯，而且通過它能充分說明需要的結論，因此在確定實驗觀察點時需要我們認真比較實驗中的各種現(xiàn)象，從中找到最適合說明教學結論的觀察點。

乙烯與溴的四氯化碳反應時，會產(chǎn)生各種現(xiàn)象，在教學比賽或教研活動中開課教師使用最多的是觀察反應前后容器中氣體體積的變化，如在裝滿乙烯的塑料瓶中注入一定量溴的四氯化碳溶液，振蕩，在溴的四氯化碳溶液褪色的同時還會發(fā)現(xiàn)塑料瓶變癟了。他們認為，由于加成反應： CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br，體系中溴的四氯化碳溶液和1，2-二溴乙烷都是液態(tài)的，所以反應前后氣體體積縮小會使塑料瓶變癟，而取代反應CH2CH2+Br2CHBrCH2+HBr，體系中溴的四氯化碳溶液和1-溴乙烯都是液態(tài)的，但乙烯和HBr都是氣態(tài)的，反應前后氣體分子物質的量不變，所以如果發(fā)生取代反應，反應前后物質的體積不變，塑料瓶不會變癟，由此說明發(fā)生的是加成反應而非取代反應。似乎這一觀察點很不錯，現(xiàn)象明顯而且學生很容易理解，但事實上這一觀察點并不靠譜，因為乙烯和四氯化碳都是非極性分子，根據(jù)“相似相溶原理”，乙烯也會溶解在四氯化碳中，氣體體積也會減小。為證實這一點，筆者查閱了相關資料[6]，但遺憾的是相關文獻中只說明乙烯易溶于有機溶劑，沒說明乙烯是否會溶解于四氯化碳中，更未說明溶解的速度和溶解度大小。為此，筆者進行了如下實驗： 在充滿乙烯的250mL礦泉水瓶中加入10mL四氯化碳，充分振蕩，發(fā)現(xiàn)瓶子在短時間內也明顯癟了。這一實驗告訴我們乙烯可以溶于四氯化碳，而且溶解速度并不慢。因此通過觀察反應前后容器體積的變化不宜用于區(qū)分乙烯與溴反應是加成反應還是取代反應。

如果利用反應后體系中是否存在HBr來區(qū)分是加成反應還是取代反應，可以在反應后的溶液中加水，然后測定所得溶液是否顯酸性或溶液中是否存在溴離子來證明（具體見表1）。

應該指出，不論選擇哪個實驗方案，必須保證乙烯過量以免過量Br2的干擾。

這兩種實驗方案都可以說明乙烯與溴的四氯化碳溶液發(fā)生的反應不是取代反應，而是一種新的反應類型——加成反應，所以該實驗應該選用檢測加水后溶液是否顯酸性或是否存在Br-作為實驗觀察點更為合適。

表1? 乙烯與溴的四氯化碳溶液反應及產(chǎn)物檢驗

實驗方案實驗觀察點實驗操作實驗現(xiàn)象

1溶液是否顯酸性? 在充滿乙烯的250mL礦泉水瓶中加入1mL溴的四氯化碳溶液，充分振蕩使溴的四氯化碳溶液完全褪色，然后再往礦泉水瓶中滴加少量石蕊溶液，振蕩。溶液不變紅色

2溶液中是否存在Br-在充滿乙烯的250mL礦泉水瓶中加入1mL溴的四氯化碳溶液，充分振蕩使溴的四氯化碳溶液完全褪色，然后再往礦泉水瓶中滴加少量硝酸酸化的硝酸銀溶液，振蕩。溶液中無淡黃色沉淀產(chǎn)生

2? 結束語

在進行探究實驗時一定要注意實驗方案是否科學嚴謹、實驗現(xiàn)象是否直觀明顯、操作是否簡便易行、試劑是否純凈無干擾。當然實驗方案和觀察點的確定、試劑的選擇都要建立在讓學生充分討論的基礎上，因為討論的過程越民主，問題討論得越充分，那么問題被剖析得也就越透徹。這樣，學生在討論過程中對知識的理解就更深刻，對探究性學習的方法的掌握也更全面，也使科學探究這一化學核心素養(yǎng)落實得更充分。

參考文獻：

[1]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學2（第6版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2015： 63.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 6.

[3]楊曉東. 以乙烯與溴加成反應的驗證為例談探究性學習[J]. 化學教學， 2012， （5）： 35～37.

[4]邢其毅等. 基礎有機化學（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2005： 316.

[5]孟海燕. 乙烯與溴加成反應產(chǎn)物的可視化實驗探究[J]. 化學教學， 2019， （4）： 67～68.

[6]李景寧等. 有機化學（上冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1986： 59.