林瑞蔡 葉巧云

摘要： 立足課堂教學(xué)實(shí)踐，以乙烯與溴加成反應(yīng)探究性實(shí)驗(yàn)為例，從證明方法、觀察點(diǎn)的確定、反應(yīng)方案和試劑的選擇等四個(gè)方面進(jìn)行分析，提出證明方法要簡(jiǎn)單可行、試劑要純凈、反應(yīng)過程要無干擾、觀察點(diǎn)要現(xiàn)象明顯等觀點(diǎn)，使化學(xué)課堂教學(xué)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，更有利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 探究性實(shí)驗(yàn); 乙烯與溴加成反應(yīng); 溴的四氯化碳溶液; 教學(xué)啟示

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）02-0068-03

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”是新課標(biāo)化學(xué)五大核心素養(yǎng)之一，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是落實(shí)科學(xué)探究的基礎(chǔ)，探究性實(shí)驗(yàn)是在課堂教學(xué)中為探究未知知識(shí)或證明某些定論而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在課堂教學(xué)過程中學(xué)生經(jīng)常會(huì)遇到一些難以理解或容易混淆的概念，若采用探究性實(shí)驗(yàn)降低理解難度或進(jìn)行疑難辨析，使知識(shí)更立體、直觀、具有可視性，往往會(huì)收到意想不到的效果。同時(shí)，通過探究性實(shí)驗(yàn)還能使學(xué)生學(xué)到實(shí)驗(yàn)的知識(shí)和技能，學(xué)會(huì)研究問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)和能力。但在有關(guān)的教研活動(dòng)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)不少教師對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的理解不深、科學(xué)性不夠嚴(yán)密，經(jīng)不起仔細(xì)推敲，這樣不僅不利于增進(jìn)對(duì)知識(shí)的理解，而且還會(huì)影響學(xué)生邏輯推理能力的形成。究其原因主要是探究性實(shí)驗(yàn)的影響因素較多，對(duì)教師的專業(yè)素養(yǎng)和思維能力要求較高。在進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)時(shí)哪些問題值得我們注意和思考？如何提高教師指導(dǎo)探究性實(shí)驗(yàn)的能力和經(jīng)驗(yàn)？筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，以“乙烯與溴的加成反應(yīng)”為例，談?wù)剬?duì)化學(xué)課堂教學(xué)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時(shí)的一些體會(huì)與思考，與各位同仁一起分享和探討。

1? 如何確定一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)

在蘇教版《化學(xué)2》[1]中，乙烯的加成反應(yīng)是繼學(xué)生學(xué)習(xí)了甲烷的取代反應(yīng)之后要學(xué)習(xí)的又一重要的有機(jī)反應(yīng)類型。乙烯與溴的加成是學(xué)生學(xué)習(xí)加成反應(yīng)的“啟蒙”反應(yīng)，如何認(rèn)識(shí)加成反應(yīng)、如何與取代反應(yīng)進(jìn)行區(qū)分是這節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，開展實(shí)驗(yàn)探究無疑是解決這一問題比較適宜的方法。但是，影響實(shí)驗(yàn)的因素有很多，進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)很多問題進(jìn)行分析和思考。

1.1? 證明方法的確定

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》有關(guān)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”部分要求“能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的化學(xué)問題，能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案……”[2]。欲探究未知結(jié)論，往往要進(jìn)行假設(shè)，然后對(duì)假設(shè)加以驗(yàn)證。驗(yàn)證假設(shè)一般有兩種方法，一種是證實(shí)，一種是證偽。選擇證實(shí)還是證偽則取決于哪種方法更有利于實(shí)驗(yàn)的探究、對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求更低、實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單可行、現(xiàn)象更直觀明顯等等。

在進(jìn)行乙烯與溴的反應(yīng)學(xué)習(xí)時(shí)，我們很容易通過實(shí)驗(yàn)說明乙烯能與溴發(fā)生反應(yīng)，但是它究竟發(fā)生了什么反應(yīng)？跟甲烷與氯氣的反應(yīng)一樣也是取代反應(yīng)嗎？如何證明？這時(shí)候就需要教師和學(xué)生一起猜想可能發(fā)生了什么反應(yīng)，有哪些方法可以驗(yàn)證？如果要通過驗(yàn)證產(chǎn)物來確定是加成還是取代反應(yīng)的話，應(yīng)如何設(shè)計(jì)？如果利用證實(shí)，則發(fā)生如下反應(yīng)： CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br，只有通過是否產(chǎn)生1，2-二溴乙烷來加以驗(yàn)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(yīng)： CH2CH2+Br2CHBrCH2+HBr，可通過驗(yàn)證1-溴乙烯或HBr加以驗(yàn)證。從教學(xué)進(jìn)度看，鹵代烴的性質(zhì)在《化學(xué)2》尚未學(xué)習(xí)，無論是加成反應(yīng)還是取代反應(yīng)，都牽涉有機(jī)產(chǎn)物都是鹵代烴而難以區(qū)分。如果是對(duì)HBr進(jìn)行驗(yàn)證，既可以通過檢驗(yàn)水溶液中的H+，也可以通過檢驗(yàn)Br-來確定，并且加成反應(yīng)不產(chǎn)生HBr，兩者無干擾，因此推測(cè)，通過驗(yàn)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(yīng)。

1.2? 反應(yīng)方案的選擇

本實(shí)驗(yàn)的乙烯可有多種來源?？梢酝ㄟ^乙醇的消去反應(yīng)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(yīng)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(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此需要先用堿性或氧化性物質(zhì)除去雜質(zhì)SO2，這樣使實(shí)驗(yàn)流程比較復(fù)雜[3]。所以在利用消去反應(yīng)獲得乙烯的時(shí)候，不宜選用濃硫酸作催化劑，應(yīng)選用Al2O3或P2O5。但是裝置依然復(fù)雜且需要高溫，加上P2O5是內(nèi)控物質(zhì)，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般都沒有該物品。當(dāng)然，乙烯也可以利用容易在市場(chǎng)購(gòu)得的乙烯利（ClCH2CH2PO3H2）來獲得。乙烯利在酸性介質(zhì)（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(yīng)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(huì)干擾對(duì)乙烯的檢驗(yàn)，而且裝置簡(jiǎn)單便于攜帶，操作簡(jiǎn)便，更容易在課堂中進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

1.3? 試劑的選擇

探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行物質(zhì)檢驗(yàn)時(shí)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(huì)影響到實(shí)驗(yàn)的操作性、安全性，甚至科學(xué)性，所以試劑的選擇也至關(guān)重要。在確定試劑時(shí)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(xué)階段，溴單質(zhì)作為試劑時(shí)常以液溴、溴水或溴的四氯化碳溶液形式進(jìn)行添加，那么哪種形式更好？這就需要我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求逐一進(jìn)行比較。乙烯均能使它們褪色，但是液溴具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，而且毒性較強(qiáng)，容易污染環(huán)境，影響實(shí)驗(yàn)者的身體健康，更不宜在課堂內(nèi)進(jìn)行，因此不宜選用液溴。溴水中成分較復(fù)雜，在溴水中Br2與水可以發(fā)生如下反應(yīng)： 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(yīng)的同時(shí)，在常溫下乙烯雖然難以與H2O發(fā)生加成反應(yīng)，但是卻可以在常溫下與HBr和HBrO反應(yīng)，生成溴乙烷（CH3CH2Br）和2-溴乙醇。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4，5]，在溴的濃度較稀的水溶液中乙烯與其反應(yīng)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(yīng)造成的，這樣缺乏科學(xué)性。溴的四氯化碳溶液，相對(duì)于液溴而言揮發(fā)性較小，相對(duì)于溴水而言，它不存在HBr和HBrO，所以與乙烯不會(huì)發(fā)生和溴水發(fā)生的副反應(yīng)，因此選擇溴的四氯化碳溶液作為反應(yīng)試劑最為合適。

1.4? 實(shí)驗(yàn)觀察點(diǎn)的確定

用什么來說明是發(fā)生取代反應(yīng)還是加成反應(yīng)？這就是實(shí)驗(yàn)觀察點(diǎn)的選擇問題，這個(gè)觀察點(diǎn)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(jié)論，因此在確定實(shí)驗(yàn)觀察點(diǎn)時(shí)需要我們認(rèn)真比較實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象，從中找到最適合說明教學(xué)結(jié)論的觀察點(diǎn)。

乙烯與溴的四氯化碳反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種現(xiàn)象，在教學(xué)比賽或教研活動(dòng)中開課教師使用最多的是觀察反應(yīng)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(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)塑料瓶變癟了。他們認(rèn)為，由于加成反應(yīng)： 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(yīng)前后氣體體積縮小會(huì)使塑料瓶變癟，而取代反應(yīng)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(yīng)前后氣體分子物質(zhì)的量不變，所以如果發(fā)生取代反應(yīng)，反應(yīng)前后物質(zhì)的體積不變，塑料瓶不會(huì)變癟，由此說明發(fā)生的是加成反應(yīng)而非取代反應(yīng)。似乎這一觀察點(diǎn)很不錯(cuò)，現(xiàn)象明顯而且學(xué)生很容易理解，但事實(shí)上這一觀察點(diǎn)并不靠譜，因?yàn)橐蚁┖退穆然级际欠菢O性分子，根據(jù)“相似相溶原理”，乙烯也會(huì)溶解在四氯化碳中，氣體體積也會(huì)減小。為證實(shí)這一點(diǎn)，筆者查閱了相關(guān)資料[6]，但遺憾的是相關(guān)文獻(xiàn)中只說明乙烯易溶于有機(jī)溶劑，沒說明乙烯是否會(huì)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(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)： 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(shí)間內(nèi)也明顯癟了。這一實(shí)驗(yàn)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(yīng)前后容器體積的變化不宜用于區(qū)分乙烯與溴反應(yīng)是加成反應(yīng)還是取代反應(yīng)。

如果利用反應(yīng)后體系中是否存在HBr來區(qū)分是加成反應(yīng)還是取代反應(yīng)，可以在反應(yīng)后的溶液中加水，然后測(cè)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(yīng)該指出，不論選擇哪個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，必須保證乙烯過量以免過量Br2的干擾。

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

表1? 乙烯與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)及產(chǎn)物檢驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)觀察點(diǎn)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)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(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要注意實(shí)驗(yàn)方案是否科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否直觀明顯、操作是否簡(jiǎn)便易行、試劑是否純凈無干擾。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)方案和觀察點(diǎn)的確定、試劑的選擇都要建立在讓學(xué)生充分討論的基礎(chǔ)上，因?yàn)橛懻摰倪^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(xué)生在討論過程中對(duì)知識(shí)的理解就更深刻，對(duì)探究性學(xué)習(xí)的方法的掌握也更全面，也使科學(xué)探究這一化學(xué)核心素養(yǎng)落實(shí)得更充分。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（第6版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2015： 63.

[2]中華人民共和國(guó)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： 6.

[3]楊曉東. 以乙烯與溴加成反應(yīng)的驗(yàn)證為例談探究性學(xué)習(xí)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2012， （5）： 35～37.

[4]邢其毅等. 基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)（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(yīng)產(chǎn)物的可視化實(shí)驗(yàn)探究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （4）： 67～68.

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