基于核心素养的甲烷取代反应实验的优化改进

摘要

针对已有甲烷与氯气取代反应实验装置存在的实验现象观测不全面、现象不明显、获得实验结论的过程不严谨、尾气处理不妥当等问题，采取利用液柱观测体积变化、AgNO₃检验产物、CCl₄排除Cl₂干扰、NaOH处理尾气等改进操作，实现了对该反应实验装置的优化改进，具有实验现象显著、证据完整、结论严谨和绿色发展的优点。

Graphical abstract

关键词

甲烷 / 氯气 / 取代反应 / 核心素养

“甲烷与氯气的取代反应”作为高中化学必修二中第一个有机化学实验，不仅能够帮助学生了解甲烷的重要化学性质，也能让学生初步理解取代反应这一重要有机反应类型，对培养学生化学核心素养起着十分重要的作用。传统实验方法（图1）未设计后处理装置，实验结束后遗留的氯气也无后续处理操作，不符合绿色化学以及“素养为本”教学理念的要求。不少化学教育工作者陆续对该实验进行了探究并完善相应实验装置。虽然这些改进实验或多或少解决了存在的问题，但仍旧存在一些不足。具体表现在以下几个方面：其一，实验现象不明显，难以观测^［1-2］；其二，实验产物未检验或检验前未完全排除氯气的干扰^［2-4］；其三，实验条件未优化，反应速率缓慢^［5］；其四，无法消除污染^［6-7］。为此，有必要对甲烷与氯气的取代反应方法作进一步的研究和改进，以期有效发挥甲烷与氯气取代反应的实验教学价值。

在分析并总结他人研究成果的基础上，笔者采取筛选反应条件，改进实验装置，优化产物的检验设计等措施，探索出一套操作简易、现象明显、证据链完整且无尾气污染的实验方案。实践证明，该实验设计对学生核心素养的培养具有参考价值。

1 改进实验设计理念

根据取代反应条件（光照）、反应原料与产物性质（产物检验与排除干扰）、反应体积变化，以及知识教学对实验的要求，必须注重以下几点：①实验现象明显且全面、易于观察，检验产物时须提前排除氯气的干扰，且不能出现水溶液，避免溶解产物HCl气体；②实验设计应符合操作简单、装置易于安装、可操作性与安全性等要求；③应筛选出最佳反应条件，包括光源的选择、光源的距离与反应时长，在确保安全的前提下，尽可能地提高反应速率，提升实验效率；④产物HCl气体与反应残留物Cl₂均为有毒气体，反应结束后应对尾气进行吸收处理。

2 改进实验设计方案

依据实验设计理念，综合考虑各项因素，实验方案设计思路如下：根据相似相溶原理，选择CCl₄吸收反应残留物Cl₂，不影响HCl的检验^［8］。反应结束后，打开弹簧夹，通过CCl₄在玻璃管中呈现的液柱，指示反应前后气体体积的变化。向反应装置中加入溴水溶液检验液态有机物的存在。从以上3个方面的实验现象得出“甲烷与氯气在光照条件下发生连续多取代反应”的结论，证据链充分，逻辑清晰，有利于培养“证据推理”的化学素养。最后以“绿色化学”理念为出发点，利用NaOH溶液吸收残留的Cl₂和HCl，并设计使用球形干燥管防止倒吸，从而避免实验气体的排出，有助于引导学生树立“科学态度与社会责任”素养。

3 甲烷取代反应改进实验

3.1 实验原理

（1） 甲烷制取。

将干燥后的CH₃COONa与NaOH、Ca（OH）₂按质量比10∶4∶5混合并研磨成粉末，将其置于大试管中加热，以便制取甲烷 ^［2］。

（2） 氯气制取。

利用高锰酸钾与浓盐酸在常温下反应制备氯气。

（3） 甲烷与氯气取代反应。其原理如下。

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3.2 实验过程

（1） 实验试剂与实验仪器。

①实验试剂：浓盐酸、高锰酸钾固体、无水乙酸钠、氢氧化钠固体、氢氧化钙、四氯化碳、硝酸银、饱和食盐水、溴水、氮气。

②实验仪器：硬质玻璃管、玻璃导管、橡胶管、铁架台、弹簧夹、铁夹、250 W高压汞灯、试剂瓶、烧杯、球形干燥管。

（2） 实验装置。

实验装置如图2所示。

（3） 前期准备和实验步骤。

①前期准备：用浓盐酸和高锰酸钾固体制取氯气，并用排饱和食盐水的方法收集4/5硬质玻璃管体积的氯气；先将无水乙酸钠、氢氧化钠固体和氢氧化钙研磨成粉，再用酒精灯将其加热以制取较为纯净的甲烷气体，最后用硬质玻璃管收集。

②实验步骤。

连接装置，检查装置气密性。关闭硬质玻璃管两端弹簧夹，将250 W高压汞灯置于硬质玻璃管外壁8～10 cm处^［9］。反应结束后，打开弹簧夹M，观察现象；紧接着，在A口连接装有N₂的气球，目的是将硬质玻璃管中的气体赶入后续装置中；给气体通过CCl₄以除去残留的Cl₂，剩余的气体再通入AgNO₃溶液中检验，观察现象。气体检验完成后，从A口加入溴水，检验油层。

（4） 现象与结论。

反应结束后，打开弹簧夹M，CCl₄在左端玻璃管中的液面上升；往硬质玻璃管中通入N₂，经过CCl₄除杂质后，剩余气体在AgNO₃溶液中产生白色沉淀；继续向反应发生装置中加入溴水，经过萃取分层发现——下层呈棕红色，上层呈无色。

发生装置中剩余的混合气体在除杂后通入AgNO₃溶液中产生白色沉淀，验证了HCl气体的生成，以此说明甲烷与氯气发生取代反应。此外，该装置中的CCl₄液面高度只与发生装置中气体体积变化有关，结合萃取分层现象可说明液态有机物的存在。而甲烷的氯取代物中，除一氯甲烷在常温下为气体外，其余3种取代物均为液体，所以甲烷与氯气的取代是一个连续取代的过程。两个实验结论，分别用不同的实验现象加以说明；而传统取代实验将试管作为发生装置，并将其倒扣在饱和食盐水中，实验结束后，仅根据试管壁出现液滴、食盐水液面上升的现象得出有HCl气体和液态有机物生成的结论不够严谨。其一，反应原料通过排水法收集且反应装置与溶液直接接触，试管壁出现的液滴是油滴还是水滴难以判断；其二，若是生成了液态有机物，则反应装置中气体体积必然减小，影响到液面高度，而食盐水液面上升是生成的气体溶解所致，还是体积变化所致，的确难以确定。传统装置虽组成简单、操作方便，但结论获得过程不严谨，易造成学生思维混乱。改进实验虽装置组成较为复杂，但均在学生认知能力范围之内，能为学生提供更为清晰、充分的证据链，有助于学生基于证据进行推理。

4 不足与展望

实验教学强调基于已有知识去研究、探索和解释物质性质，要求准确的设计思路、充分的事实证据，以及合理的逻辑推理等。在此思想指导下改进的甲烷取代反应装置由发生、除杂、检验以及后处理4个部分组成，不仅涉及相似相溶和分离提纯等知识，还强调后处理操作技能等。相比于传统的取代实验装置，改进装置更为复杂，对学生的认知能力要求更高，可能会给学生带来更大的认知负荷和思维难度。因此，在后续研究中有必要尝试精简实验装置，简化实验操作。

5 结语

以绿色化学理念为出发点，优化设计了一套环境友好的甲烷取代反应实验装置，并根据已有研究选择最佳反应条件。该反应装置不仅可以提供较为全面的事实证据，方便学生归纳出合理的结论以解释物质的性质与变化（证据推理），还可以通过改进实验装置，激发学生的学习兴趣，增强其科学探究能力与创新意识（科学探究与创新意识），促其逐步养成严谨求实的科学态度以及与环境和谐共处的观念（科学态度与社会责任）；此外，在宏观物质变化中推测断键成键机理（宏观辨识与微观探析），可引导学生认识到物质是变化的，知道取代反应需要一定条件，并遵循一定规律，逐步树立“变化观念”。

参考文献

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[9] 闫生忠，陈琳，王科旺，等.基于绿色化学的甲烷与氯气取代反应装置优化设计［J］.化学教育（中英文），2018，39（16）：21-24.