運(yùn)用混濁度傳感器探究1溴丁烷和硝酸銀溶液的反應(yīng)

佘平平　劉然

摘要： 利用數(shù)據(jù)采集器結(jié)合混濁度傳感器探究AgNO3溶液和1溴丁烷反應(yīng)，討論銀離子、硝酸根離子、酸度、溶劑對1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的影響，推測可能的反應(yīng)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硝酸根濃度、酸度對1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的速率幾乎無影響；銀離子濃度顯著影響1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的速率；溶劑對1溴丁烷的溶解性有影響進(jìn)而影響1溴丁烷和AgNO3溶液的反應(yīng)速率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，銀離子幫助碳溴鍵斷裂是1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的主要動力，反應(yīng)符合單分子親核取代歷程。

關(guān)鍵詞： 混濁度傳感器； 1溴丁烷； 硝酸銀； 反應(yīng)機(jī)理； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2023）10007404 中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

鹵代烴在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的特點(diǎn)對于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有一定的教學(xué)價值，是中學(xué)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)的主要內(nèi)容之一。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確要求“認(rèn)識鹵代烴的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化關(guān)系及其在生產(chǎn)、生活中的重要應(yīng)用”［1］。2020年人教版選擇性必修3《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教材中鹵代烴相關(guān)實(shí)驗(yàn)的代表物從溴乙烷改成了1溴丁烷。

在教學(xué)過程中，筆者問學(xué)生如何證明1溴丁烷與水能否發(fā)生反應(yīng)（水解）？演示實(shí)驗(yàn)將1溴丁烷和AgNO3水溶液直接混合，幾分鐘后觀察到明顯的淺黃色沉淀。這個現(xiàn)象是否能說明1溴丁烷與水發(fā)生了反應(yīng)？有的同學(xué)認(rèn)為可以，有的同學(xué)認(rèn)為不行。

有學(xué)者向溴乙烷中加入AgNO3溶液，觀察到明顯的淺黃色或乳白色沉淀。文獻(xiàn)解釋［2，3］：AgNO3可以加快溴乙烷水解反應(yīng)的速率或促進(jìn)水解平衡的正向移動。溴乙烷與水反應(yīng)了嗎？AgNO3的作用是什么？文獻(xiàn)沒有提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

利用圖1所示數(shù)據(jù)采集器結(jié)合混濁度傳感器監(jiān)測AgBr沉淀產(chǎn)生，從而探究二者反應(yīng)的原因。引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測和記錄數(shù)據(jù)，避免錯過重要的過程性數(shù)據(jù)，便于微觀過程的外顯和可視化，提高教學(xué)效率［4］。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

分別配制10mL 0.1mol/L硝酸銀水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.2mol/L硝酸鈉混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉混合水溶液、10mL 0.3mol/L硝酸銀水溶液，10mL 0.5mol/L硝酸銀水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸混合水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=2∶8）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=4∶6）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=6∶4）、10mL 0.1mol/L硝酸銀的乙醇溶液。

用量筒量取7mL 1溴丁烷加入與傳感器配套的比色瓶，再將10mL硝酸銀溶液加入比色瓶，蓋蓋后搖勻，迅速將比色瓶放入密閉檢測器，在室溫下，利用數(shù)據(jù)采集器結(jié)合混濁度傳感器記錄體系的混濁度隨時間變化的情況。對于混濁度變化很小的體系，連續(xù)30秒混濁度不變后讀數(shù)。對于有混濁度變化的體系，設(shè)定混濁度670NTU為觀測指標(biāo)，混濁度達(dá)到670NTU時，停止檢測，記錄時間。

3 結(jié)果與討論

3.1 水和1溴丁烷的反應(yīng)

硝酸銀水溶液的主要微粒有硝酸根離子、銀離子、水分子。首先探究水和1溴丁烷是否有明顯的反應(yīng)。量取7mL 1溴丁烷加入細(xì)口瓶，再加入10mL水，蓋上瓶塞搖勻放置。48小時后，取出7mL上層清液加入傳感器配套比色瓶，再將10mL硝酸銀溶液加入比色瓶，蓋蓋后搖勻，無明顯現(xiàn)象，迅速將比色瓶放入密閉檢測器，測得混濁度為26.5NTU。用蒸餾水做對照實(shí)驗(yàn)，取7mL蒸餾水加入傳感器配套比色瓶，再將10mL硝酸銀溶液加入比色瓶，蓋蓋后搖勻，迅速將比色瓶放入密閉檢測器，測得混濁度為10.4NTU。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水和1溴丁烷室溫下混合48小時無明顯反應(yīng)。

3.2 硝酸根濃度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器（TRBBTA）探究不同硝酸根濃度的AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)?？刂葡跛徙y濃度均為0.1mol/L，用硝酸鈉調(diào)節(jié)硝酸根的濃度，實(shí)驗(yàn)采用10mL 0.1mol/L硝酸銀水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.2mol/L硝酸鈉混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉混合水溶液，即硝酸根濃度分別為0.1mol/L、 0.3mol/L和0.5mol/L。設(shè)定混濁度670NTU為觀測指標(biāo)，觀察到達(dá)該混濁度需要的時間。

從圖2可以看出，硝酸根濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L時，體系的混濁度達(dá)到670NTU，需要的時間相差不大。不難看出，硝酸根濃度幾乎不影響AgNO3水溶液和1溴丁烷的反應(yīng)。

3.3 銀離子濃度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器探究不同濃度AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)。上述圖2結(jié)果顯示硝酸根濃度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)幾乎無影響。而不同濃度的AgNO3水溶液和1溴丁烷的反應(yīng)則體現(xiàn)了銀離子濃度對該反應(yīng)的影響。銀離子濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L，設(shè)定混濁度670NTU為觀測指標(biāo)，觀察到達(dá)該混濁度需要的時間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，銀離子濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L時，反應(yīng)的混濁度達(dá)到670NTU，需要的時間有明顯差異，銀離子濃度越大需要的時間越短。不難看出，銀離子幫助碳溴鍵斷裂促進(jìn)溴離子的離去，是AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

3.4 酸度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器探究不同酸度的AgNO3水溶液和1溴丁烷反應(yīng)。為了保證反應(yīng)的程度一致，控制銀離子濃度為0.1mol/L，用硝酸鈉和硝酸調(diào)節(jié)硝酸根的濃度為0.5mol/L。即采用10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸混合水溶液來探究酸度差異對反應(yīng)的影響。設(shè)定混濁度670NTU為觀測指標(biāo)，觀察到達(dá)該混濁度需要的時間。

從圖4可以看出，酸度幾乎不影響混濁度達(dá)到670NTU需要的時間。說明酸性條件下，酸度幾乎不影響AgNO3水溶液和1溴丁烷的反應(yīng)。即10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉或0.4mol/L硝酸的混合水溶液中，銀離子的水解對銀離子斷裂碳溴鍵的能力幾乎無影響。

3.5 溶劑對AgNO3和1溴丁烷反應(yīng)的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器探究不同溶劑的AgNO3溶液和1溴丁烷反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)采用10mL 0.1mol/L硝酸銀水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=2∶8）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=4∶6）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=6∶4）、10mL 0.1mol/L硝酸銀的乙醇溶液探究溶劑對反應(yīng)的影響。設(shè)定混濁度670NTU為觀測指標(biāo)，觀察到達(dá)該混濁度需要的時間。

從圖5可以看出，不同溶劑的0.1mol/L AgNO3溶液，反應(yīng)混濁度達(dá)到670NTU需要的時間相差很大。觀察發(fā)現(xiàn)7mL 1溴丁烷和10mL 0.1mol/L硝酸銀的乙醇溶液反應(yīng)后沒有相界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溶劑中乙醇含量增加使得1溴丁烷溶解度增大，使反應(yīng)能更均相進(jìn)行，溶劑化效應(yīng)使碳鹵鍵減弱，在銀離子等幫助下更易離解，有利于反應(yīng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

正丁基溴屬伯鹵代烴，在含水乙醇等極性不大的溶劑中不容易離解成穩(wěn)定性較小的碳正離子，一般情況下伯鹵代烷的取代反應(yīng)按雙分子親核取代反應(yīng)歷程進(jìn)行。但實(shí)驗(yàn)條件改變，反應(yīng)的歷程也可能改變。

硝酸根濃度、酸度對1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的速率幾乎無影響，表明1溴丁烷和AgNO3溶液的反應(yīng)不符合雙分子親核取代反應(yīng)歷程。銀離子濃度顯著影響1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的速率。溶劑對1溴丁烷的溶解性有影響進(jìn)而影響了1溴丁烷和AgNO3溶液的反應(yīng)速率。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，銀離子幫助碳溴鍵斷裂：R—X……Ag+→R++AgX↓，這是1溴丁烷和AgNO3溶液反應(yīng)的主要動力，反應(yīng)機(jī)理中這步反應(yīng)是最慢的，它決定了整個反應(yīng)的速率和性質(zhì)。伯鹵代烷在銀、汞等離子存在下的取代反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏肿佑H核取代反應(yīng)，推斷其反應(yīng)機(jī)理如下：

5 教學(xué)啟示

5.1 深度思考實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，提升學(xué)生科學(xué)探究的能力

將1溴丁烷和AgNO3水溶液直接混合，幾分鐘后觀察到有明顯的淺黃色沉淀出現(xiàn)。由于體系中有1溴丁烷、水、銀離子、硝酸根離子，體系微粒較多，該現(xiàn)象不能說明1溴丁烷與水發(fā)生了反應(yīng)。如果想要探查1溴丁烷與水是否反應(yīng)，應(yīng)該把1溴丁烷與水混合，取上層清液加入硝酸銀溶液進(jìn)行檢測?；瘜W(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是最體現(xiàn)細(xì)節(jié)決定成敗的。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中往往圖省事，想一些跳步的方法，殊不知細(xì)節(jié)中蘊(yùn)含著大學(xué)問。教師可以在平時的教學(xué)中，多讓學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程中體會實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在對實(shí)驗(yàn)的評析、改進(jìn)和深度思考中培養(yǎng)學(xué)生的批判精神和創(chuàng)新能力。這樣的過程能使學(xué)生在探究中更加關(guān)注對變量的控制，同時強(qiáng)化了學(xué)生獲取知識時的過程性體驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用微觀視角對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，逐一排查體系的微粒，分析關(guān)鍵原因，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀。對實(shí)驗(yàn)中某些小細(xì)節(jié)的深度思考和研討，可提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

5.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)化整合，拓展知識的深度和廣度

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的研究和應(yīng)用為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了豐富的信息來源和數(shù)據(jù)支持。引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，獲取宏觀圖像和實(shí)時數(shù)據(jù)，使探究微觀機(jī)理成為可能。過程中實(shí)時監(jiān)測和記錄數(shù)據(jù)，避免錯過重要的過程性數(shù)據(jù)，便于微觀過程的外顯和可視化，提高教學(xué)效率。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出：“普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)”［5］。從這一目標(biāo)出發(fā)，教學(xué)中可以借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)補(bǔ)足更多的宏觀事實(shí)性材料，實(shí)現(xiàn)抽象原理的可視化，幫助學(xué)生更好地從微觀上深度理解所學(xué)的知識。教學(xué)中注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合［6］，可發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等多個維度核心素養(yǎng)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化整合，有利于學(xué)生拓展知識的深度和廣度，打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限。

5.3 多角度抽象概括，深化學(xué)生對化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的認(rèn)識

選擇性必修3有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)，從必修中的典型代表物上升到從化學(xué)鍵層面去看反應(yīng)。化學(xué)鍵的斷開可能是由于離去基團(tuán)的離去能力增強(qiáng)，也可能是由于進(jìn)攻試劑的進(jìn)攻能力增強(qiáng)。1溴丁烷和NaOH水溶液的反應(yīng)是增強(qiáng)了進(jìn)攻試劑的進(jìn)攻能力；1溴丁烷和硝酸銀溶液的反應(yīng)是增強(qiáng)了溴離子的離去能力。二者均對碳溴鍵的斷開起到了幫助作用。類比1溴丁烷和硝酸銀溶液的反應(yīng)，乙醇在濃硫酸作用下發(fā)生取代反應(yīng)生成乙醚，除濃硫酸吸水促進(jìn)平衡移動外，氫離子也增強(qiáng)了氫氧根的離去能力。從平衡的角度看反應(yīng)：Ag+與Br-相互吸引促進(jìn)了1溴丁烷中碳溴鍵的斷開；H+降低了OH-濃度，促進(jìn)了乙醇取代生成乙醚。正如2021年北京高考題中提出為什么“Ag和鹽酸不反應(yīng)，而Ag和氫碘酸能反應(yīng)”一樣。學(xué)生對多微粒體系中各個具體事件進(jìn)行多角度的抽象概括有助于他們深化對化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解，從而發(fā)現(xiàn)其深層次的奧秘。

（致謝：感謝首都師范大學(xué)黃燕寧老師的指導(dǎo)。）

參考文獻(xiàn)：

［1］［5］［6］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.

［2］徐泓， 盛儉發(fā)， 陳兆先. 對鹵代烴實(shí)驗(yàn)教學(xué)中兩個問題的辨析［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022，（3）： 90～93.

［3］張建波. 關(guān)于“鹵代烴中鹵原子檢驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)反思與教學(xué)設(shè)想［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2009，（4）： 3.

［4］馬宏佳. 化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐［M］.北京： 人民教育出版社， 2016：118～134.

*中國化學(xué)會化學(xué)教育委員會“十四五”規(guī)劃2021年一般課題“基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號：HJ20210012）、北京市新時代中小學(xué)名師發(fā)展（首都師范大學(xué)基地）階段性研究成果；北京市東城區(qū)優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助（2023dchrcpyzz23）。