控制變量法探究烷烴取代反應的實驗條件

儲開桂

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

摘要：? 取代反應是典型的有機化學反應類型，烷烴取代反應實驗效果的影響因素較多，通過控制變量法探究烷烴與氯氣光照發(fā)生取代反應的優(yōu)選條件，單一改變反應物、反應容器、光照條件等變量以獲取烷烴取代反應的演示實驗的較佳效果，能幫助學生更充分地理解取代反應的概念，更好地服務于化學課堂教學。

關鍵詞： 控制變量法； 烷烴； 取代反應； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）04008304

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的產(chǎn)生

現(xiàn)行普通高中化學教科書（人教版、蘇教版）中都有關于甲烷光照取代反應的演示實驗。很多教師在平時教學過程中進行該實驗演示時會遇到困難。焦點問題在于該實驗反應速率慢、實驗現(xiàn)象不明顯、氣體制備麻煩等從而導致不少教師用視頻實驗代替演示實驗，未能達成預期的教學效果，同時飽受同行詬病。知網(wǎng)搜索顯示有4位同行對此實驗的改進進行了嘗試，如許秀娟［1］通過向U型管中注射預先收集好的甲烷和氯氣，用節(jié)能燈作光源進行實驗，其優(yōu)點是提升了反應速率。缺點是需要做大量的前期準備、實驗裝置本身復雜且必須通過實物投影進行觀察；郭琦榮［2］通過使用青霉素玻璃瓶（12mL）收集氯氣、注射器收集甲烷，在不同光源照射下進行實驗探究，其優(yōu)點是將實驗儀器簡單化、實驗微型化，并用濃氨水充分證明氯化氫的生成。其缺點是實驗太微型化，不適合演示實驗；車琳［3］通過對實驗儀器的組裝和改進放大實驗現(xiàn)象，需要用到三頸燒瓶，多個輔助儀器（氣球、注射器、青霉素玻璃瓶），優(yōu)點是現(xiàn)制現(xiàn)用氯氣，實驗效果較佳，適合演示實驗。缺點是儀器搭建費時費力，甲烷必須預先制備好等；江軍等［4］通過自制針筒式氣體反應器，通過傳感器來測定反應過程中的氣體壓強、能量的變化來說明取代反應的發(fā)生，該實驗的優(yōu)點是通過氣相反應避免了通常實驗中水珠的存在對生成油狀物現(xiàn)象觀察的干擾，通過傳感器獲得數(shù)據(jù)進行定量化處理。缺點是甲烷和氯氣都需要現(xiàn)制，且需要進行干燥處理，甲烷的制備需要花費較長的時間等。

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

變量控制的方法是科學探究中常用的方法［5］，普通高中課程標準明確指出，在必修課程中學生能運用變量控制的方法初步探究反應的規(guī)律。本文分析烷烴取代反應的機理，結合兩本教科書中的實驗方案，通過控制變量法設計實驗方案進行烷烴取代反應實驗的探究，以尋找最佳的實驗效果和途徑。

兩個版本教科書中實驗方案的對比見表1。

通過對比發(fā)現(xiàn)，對于烷烴取代實驗的研究中，存在反應物用什么物質(zhì)、反應物體積的比例、光源的選擇、反應容器的選擇等多個變量，選擇只改變其中的某一因素，控制其他因素不變，使多因素的問題變成幾個單因素的問題，分別加以研究，最后再將幾個單因素問題的研究結果加以綜合。

2? 實驗研究及對比分析

2.1? 室內(nèi)燈光下氯氣和甲烷不同體積比反應效果測試

針對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；蘇教版中使用集氣瓶不便于控制氣體體積比、不利于觀察反應后飽和食鹽水倒吸現(xiàn)象的缺點，我們選擇用50mL的量筒來收集兩種不同比例的氣體進行實驗（見表2）。

從實驗效果看，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。雖然有不少教師指出受容器器壁上水珠的影響，實驗容器中無法準確判斷是否有油狀物（有機物）生成，但實驗研究表明，如果將實驗后的飽和食鹽水倒入指定容器，在水槽底部會有一薄層油狀物，并能聞到類似于四氯化碳等有機物的特殊氣味（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效果測試

基于烷烴取代反應是自由基反應，強光的照射應該可以加快反應速率，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行實驗，實驗效果大大改善（見表3）。

從實驗結果來看，在日光直射下，選擇V（氯氣）∶V（甲烷）=1∶1進行取代實驗更適合演示，V（氯氣）∶V（甲烷）=1∶4的反應不適合取代實驗的演示，但可以作為興趣實驗介紹給學生。

考慮到甲烷的實驗室制備過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）代替甲烷進行了取代反應的對比探究。

2.3? 不同條件下液化石油氣與氯氣反應效果測試

不同條件下使用液化石油氣與氯氣反應實驗現(xiàn)象見表4。

實驗7

實驗8

實驗9V（氯氣）∶V（液化石油氣）=6∶1近日光直射反應1～2min，瓶內(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5min，瓶內(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日光直射瞬間瓶內(nèi)充滿黑色顆粒，并伴有明顯的發(fā)光發(fā)熱。

3? 實驗結論

通過控制變量，對比研究，可以得出以下結論?；谘菔緦嶒灥囊?，需要反應速率不能太慢、實驗現(xiàn)象明顯、實驗操作簡便等，建議對甲烷光照取代的實驗做如下改進。

3.1? 反應物的選擇

烷烴與鹵素的反應是自由基取代反應，反應的機理可以分為三步：（1）生成氯自由基：氯氣在紫外光的作用下，發(fā)生光解反應，生成兩個氯自由基Cl22Cl·;（2）氯自由基與烷烴發(fā)生取代反應：氯自由基與烷烴中的氫原子發(fā)生反應，生成氯化氫和一個烷基自由基Cl·+RHHCl+R·;（3）烷基自由基與氯氣發(fā)生反應：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，形成氯代烷烴。從烷烴的C—H鍵的鍵能（或離解能）來看，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，但畢竟通過固體之間混合后加強熱制備氣體比較麻煩。同時從反應的活性角度看，選擇碳原子較多的烷烴更易于發(fā)生取代反應。郭震在對鹵代烴取代反應及實驗的研究中也很重視該實驗反應物的選擇［8］，綜上，對烷烴取代的反應物的選擇建議是：（1）高錳酸鉀固體與濃鹽酸反應，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膠管，即可實現(xiàn)烷烴氣體制備的隨開隨用，隨關隨停。

3.2? 反應儀器的選擇

使用350mL礦泉水瓶作反應容器，放大實驗現(xiàn)象，提升演示效果。適當提高反應物的用量使反應現(xiàn)象更明顯，便于全班同學更清楚地觀察到瓶內(nèi)顏色的變化、聽到瓶內(nèi)壓強減小時礦泉水瓶變癟的“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生很好的直觀體驗，從而提升學生的探究欲望，促進學生深度思維的發(fā)展。礦泉水瓶是無色透明塑料制品，還便于實驗結束后向其中注射紫色石蕊試液，觀察溶液顏色變紅，通過檢驗氯化氫的生成進一步證明取代反應的發(fā)生。

3.3? 反應條件的選擇

烷烴的自由基取代反應的條件一般是加熱或光照，從實驗的對比可以看出，如若選擇用甲烷與氯氣做反應物，需要更強烈一點的光源（如紫外線照射），如果選擇用液化石油氣與氯氣做反應物，只要正?？拷皯舻淖匀还饩妥銐虮ＷC反應快速進行。不管選擇哪一種烷烴做反應物，適當提高氯氣與烷烴的體積比，有利于實驗現(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? 結語

化學實驗對全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)起到極為重要的作用。烷烴的光照取代反應是高中有機化學中非常典型的化學反應。實際教學過程中不要輕易放棄該演示實驗和學生實驗的機會，而應該克服困難，創(chuàng)造條件對實驗進行改進和創(chuàng)新。

利用廢棄礦泉水瓶作為反應容器，可節(jié)約使用材料成本。實驗中觀察到混合氣體黃綠色變淡直至褪去、瓶內(nèi)有霧狀物及油狀液滴生成的現(xiàn)象，能促使學生推測產(chǎn)物是什么，并促使學生從宏微結合的角度認識烷烴與氯氣發(fā)生取代反應的過程，有利于學生形成科學探究思維，提升科學探究意識，促進宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻：

［1］許秀娟. 對甲烷和氯氣取代反應實驗的創(chuàng)新［J］. 實驗教學與儀器， 2016， （S2）： 56.

［2］郭琦榮. 甲烷和氯氣取代反應實驗的簡易安全設計［J］. 中學化學教學參考， 2014， （11）： 57.

［3］車琳. 甲烷與氯氣反應實驗的創(chuàng)新設計［J］. 中學化學教學參考， 2019， （9）： 61.

［4］江軍. 甲烷與氯氣取代反應實驗的創(chuàng)新設計［J］. 化學教育， 2021， （3）： 76～80.

［5］董俊， 王瑛， 吳俊明. 基于“變量控制”策略的初中化學實驗探究教學［J］. 化學教學， 2022， （4）： 67.

［6］邢其毅. 基礎有機化學［M］. 北京： 北京大學出版社， 2017： 124～125.

［7］徐春秀. 高師中學化學教學論中甲烷制備實驗的教學改進研究［J］. 江西化工， 2011， （2）： 48～51.

［8］郭震. 對鹵代烴取代反應及實驗的再認識［J］. 化學教學， 2023， （5）： 68.