甲烷与氯气的取代反应实验改进

摘要

化学实验是化学课堂的重要组成部分，也是落实培养学生科学素养的重要载体。在不同条件下，对甲烷与氯气的取代反应实验进行实验效果的探究，从中找出最优化的条件，并对实验装置进行改进。改进实验的优点表现为：现象明显，操作简便，方便夹持，课堂效果佳。

Graphical abstract

关键词

实验改进 / 甲烷 / 氯气 / 取代反应

化学是一门以实验为基础的自然科学，化学实验是进行化学研究必不可少的手段。化学教学的课堂中，实验方法是最基础和最重要的研究化学的方法。

新课程标准目标包括：学生通过以化学实验为主的多种探究活动，体验科学探究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，提升创新精神和实践能力^［1］。化学实验教学，是落实科学素养的重要载体。每个化学实验对应着新物质的生成或者反应原理的呈现，都是对化学过程本质规律的认识。而这种认知程度直接影响着学生学习的主动性和积极性，影响着教学效率和教学质量。就化学实验而言，无论是演示实验还是分组实验，除了要让学生学会观察实验现象、归纳实验结论、掌握基础实验技能、培养逻辑思维、建立科学方法和塑造优良情感之外，亦要突出化学学科的本质特征和化学学科的学科价值。

以高中化学经典实验甲烷与氯气的取代反应为例，基于教材实验进行改进，并从不同条件进行探究对比，找出实验演示的最佳效果。甲烷是天然气的主要成分，也是最简单的有机化合物，甲烷与氯气的取代反应是学生第一次接触到的有机化学典型反应，对取代反应和烃类性质的初步认识也是从该实验开始的。

1 教材实验对比

对比2019年人教版、苏教版、鲁科版3种教材对该实验的阐述：鲁科版未详细描述该实验，其余两版教材关于该实验的描述相似点为，CH₄与Cl₂的混合气体均按一定比例混合并在光照条件下发生反应，由于产物中会生成多种复杂物质，CH₃Cl为难溶于水的气体，其他氯代甲烷皆为难溶于水的液体，HCl易溶于水，故容器内壁会有油状液滴，容器内气体颜色变化，液面上升。

人教版与苏教版教材中关于该实验的差异有：①光照的强度不同。人教版教材中是“光亮处（不要日光直射）”，苏教版教材中的光照条件则是“灯光照射”。光照条件会引发自由基反应，光照强度会直接影响该反应速率，而演示实验需要在较短时间内看到较明显效果。②CH₄与Cl₂的气体体积比不同。在人教版教材中，CH₄与Cl₂的体积比为1∶1；在苏教版教材中，两者体积比为1∶4。

由上可知，在现行教科书中该演示实验存在几点操作不便之处：①没有明确指出所需光源类型和强度；②CH₄与Cl₂的体积比各不相同；③收集两种气体，并将其按比例混合至试管或集气瓶中，此过程存在一定的操作难度；④笔者曾在室内灯光（日光灯）下操作该实验，存在等待时间过长、现象不明显等问题。基于以上4点不足，笔者决定对该实验进行优化改进，旨在让学生更快看到实验现象，迅速融入课堂，以便让化学实验有效发挥其教育教学功能。

2 实验改进

2.1 实验用品

（1） 仪器：铁架台（带铁圈、铁夹）、研钵、试管、酒精灯、导管、水槽、圆底烧瓶、分液漏斗、洗气瓶、导管、1 L储气袋（两只）、气球、注射器、硬质玻璃管、白炽灯（40 W）、高压汞灯（125 W）、LED灯（45 W）、飞利浦节能灯（23 W）、自制亚克力塑料板装置、带导管的单孔塞（连接止水夹）。

（2） 药品：无水乙酸钠、碱石灰（药品质量比例为 CH₃COONa∶NaOH∶CaO=3∶1∶1）、MnO₂、浓盐酸、浓硫酸、饱和食盐水。

2.2 实验装置

实验装置如图1所示。

3 实验设计目的与思路

CH₄的取代反应是一种自由基反应^［2］，其反应机理阐述如下。

【链引发】卤素在高温或光照条件下，发生共价键的均裂，从而生成两个自由基（卤素原子），

Cl₂→2Cl·。 ①

【链增长】烷烃分子中的氢可被上一步中的活泼的自由基所取代，从而生成烷基自由基和卤化氢。生成的烷基自由基如果去夺取卤素中的卤原子，则生成卤代烃。依此不停地反应下去，可以得到一系列不同的化合物。

CH₄+Cl·→·CH₃+HCl； ②

CH₃Cl+Cl·→·CH₂Cl+HCl； ④

……

【链终止】自由基反应的结束阶段，

该反应是由光量子引发的自由基反应，需要具有一定能量的光源照射才能进行。在链引发阶段，由于Cl-Cl键能（242.5 kJ/mol）不大，且在光照条件下，Cl-Cl键较易断裂而成为自由基^［3］。那么，选择合适的光源，可以在短时间内看出明显现象，达到演示效果，就成为改进该实验的首要任务。

在两版教科书中，“CH₄与Cl₂的体积比”各不一样。笔者设定CH₄与Cl₂的体积比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，为了让气体按一定体积混合更方便，又设计了如图2所示的装置进行实验。

4 实验过程对比

将光源和气体的体积比视为两种变量，随着反应的进行，测出每30 s液面上升的高度差，记录数据，整理出图表，就可借液面上升的高度表征反应的进行状态^［4］。

（1） 同一光源，但两种气体的体积比不同。

在室内日光灯下，选取CH₄与Cl₂的量分别是：10 mL与10 mL；10 mL与20 mL；10 mL与30 mL；10 mL与40 mL。实验时，记录每隔30 s液面上升的高度值，最终绘制出不同体积比时液面上升高度的图像（图3）。

按图3所示，CH₄与Cl₂体积比为1∶4时，演示效果较好。但日光灯距离反应容器太远，且光线不集中，因此课堂演示实验现象依然不够明显，没有达到最优条件。

（2） 两种气体同一体积比，但不同光源。

除白炽灯外，高压汞灯、节能灯、LED灯4种不同光源进行对比实验，并保证各种光源与硬质玻璃管距离相等。实验时，记录每隔30 s液面上升的高度值并绘制曲线，如图4所示。

综合比较上述光源。

①实验效果：高压汞灯、LED灯和节能灯效果都很不错，其中高压汞灯在600 s内上升高度最大，LED灯在反应前期的图像斜率最大，这3种灯都是上佳的选择。相比之下，白炽灯曲线呈下降趋势，推测可能是没有发生取代反应，原因是后期温度升高后气体膨胀所致。

②价格：LED灯95.0元，高压汞灯36.0元，节能灯（飞利浦）18.5元。节能灯的价格占优势。

③可操作性：高压汞灯强度大，对视力可能有所损伤，操作时会有电压不稳的现象；LED灯体积过大。

④功率：LED灯45 W，高压汞灯125 W，节能灯23 W。节能灯功率最低，最节能。

综合比较后，选择节能灯作为引发该取代反应的光源较为合适。

（3） 继续优化实验装置。

原有的铁架台装置已经可以达到较好的实验效果，但为了让所有学生都能清晰地看到实验现象，笔者继续加以优化改进，既让夹持更方便，也让光源更集中。新装置见图5，利用亚克力板制作两层隔板，并打出直径1 cm的孔，即可将玻璃管、节能灯固定于该装置内。

5 实验步骤与实验现象

5.1 实验步骤

（1） 制备氯气：按图1-a装置制备1 L Cl₂于储气袋中，备用。

（2） 制备甲烷：按图1-b装置制备1 L CH₄于储气袋中，备用。

（3） CH₄与Cl₂发生取代反应：①在一硬质玻璃管下方套一气球，并固定于装置的隔板上；向管内（包括气球中）注入饱和食盐水至充满，再用一插有导管并带止水夹的单孔塞塞紧玻璃管，并将止水夹关闭；在玻璃管侧面固定一竖状节能灯。②用注射器分别从储气袋中抽取10 mL CH₄和40 mL Cl₂，打开单孔塞处止水夹；将气体从注射器中推进硬质玻璃管中，立即关闭止水夹，在初始液面做一记号。③打开节能灯开关，并用铝箔罩于节能灯的左右。

5.2 实验现象

玻璃管内很快出现白雾，液面逐渐上升，10 min内液面就上升至10 cm左右，且有油状液体向下滴落。

6 实验评价

实验改进后，课堂演示效果明显，无需复杂的夹持步骤，反应速率较快；快速、准确的演示实验，能让学生迅速进入观察、实验、分析、建构等探究物质及其变化的化学世界，发展科学思维，提高化学学科核心素养。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，等.基础有机化学（上册）［M］.第4版.北京：北京大学出版社，2016.

[3] 李琼，李永红，姜建文.甲烷与氯气的取代反应实验研究［J］.化学教育（中英文），2018，39（23）：65-70.

[4] 张瑜.基于条件探索和装置改进的甲烷氯代反应教学设计［D］.石家庄：河北师范大学，2013.