对甲烷光氯取代反应的教学探索和实验创新

一般 4s~ 5s, 反应主要是爆炸式的置换反应:
直射日光
CH4 + 2Cl2
C+ 4HCl
明亮的散射 日光条件的诱导 期一般在 1min
~ 2min, 整个反应期可在 10min 左右完成; 暗的散
射光照条件下的诱导期较长, 反应期更长, 没有实
际的教学价值。
( 2) Cl2 、CH4 混合气中不可以含有空气 如果 Cl2 、CH4 混合气 中含有空 气, 空 气中的 O2 会跟甲烷产生的自由基( CH3#) 结合, 生成活动 性远低于 CH3#的自由基 CH3OO#:
» 到 1997 年, 由人教社化学室编著的全日制 高中化学( 实验本) 第二册 152 页, 对甲烷取代反 应提升为实验 6- 3, 并附图 1 所示, 内文呈述也是 明显地提升到了定量实验的水平: / 取一个 100mL 的大量筒, 用排饱 和食盐水的方 法先收集 20mL CH4 和 80mL Cl2 , 放 在光亮的地方( 注意: 不要放 在日光直射的地方, 以免发生爆炸) , 等待片刻, 观 察发生的现象。0
( 收稿日期: 2009-02-10)
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Educat ional Equipment And Experiment Vol. 25, No. 7, 2009
3 CH4 光氯取代反应实验的创新实践
CH4 和 Cl2 在暗处不发生反 应。理论上 CH4
的光氯取代反应过程可表示如下:
光
+ CH4
+ Cl2
Cl2 ¹ 2Cl# º CH3# » CH3 Cl+ Cl#
可见关键是要首先提供足够的 Cl#。然而按 传统实验方法, 是先将 CH4 与 Cl2 混合好, 且只能 在明亮的散射光 ( 或人工光 源) 照射 下产生 Cl#。 取代反应不理想, 往往是因为这种散射光不够强, 不能提供足够丰富的 Cl#。于是笔者曾经萌发了 一种想法: 能不能把收集的纯净的 Cl2 先放在明 亮的直射日光下照射一段时间( 5min~ 10min) , 待 有相当多的 Cl#之后, 充分利用 Cl#有短 暂的寿 命, 迅速拿回室内, 再通进定量体积的 CH4( Cl2 与 CH4 的体积比为 4B1) 。笔者按照这 一想法去实 验, 所得到的效果曾经使我兴奋不已。首先是反 应的诱导期很短, 只有 2min 左右, 其次是反应期 也短。我 用 一只 250mL 的 量 筒, 先 收 集 200mL Cl2 , 日光直射 10min 后, 再通 入 50mL CH4 与 Cl2 混合, 约 12min, 量筒内的水位上升到量筒体积的 90% 。更使我兴奋的是, 当把 Cl2 放 在明亮的散 射光下放置( 照射) 一段时间( 10min 左右) , 再拿 回教室通入 CH4 , 观察取代反应实验, 反应的诱导 期约是 5min, 反应期约是 15min。当反应完毕, 轻 轻摇动量筒, 可见聚积在量筒内液面上的浅黄绿 色( 溶有 Cl2) 的不溶性卤代烷烃油滴。由于氯代 烷密度比水大, 像绿豆、米粒大样的油滴沉在水槽 底部。CH4 的光氯取代反应实验过程见图 3。
实验园地
对甲烷光氯取代反应的教学探索和实验创新
t 刘怀乐
重庆巴蜀中学 400013
甲烷的重要化学性质之一就是它的光氯取代 反应。据我所知, 教师们对这个反应都有丰富的 理性认识, 从反应原理到实验过程都能够讲得一 清二楚, 可一到具体做此实验, 就会觉得心中无 数, 没有绝对成功的把握。有的甚至是脑子里一 片空白不敢下手, 最终又回到教师讲实验, 黑板上 画实验, 学生记实验的应试套路。笔者认为, 这除 了教师本身业务素质不高, 操作技能不精湛的原 因以外, 再就是这个实验本身有很高的难度还未 引起同行们的足够重视。即便是经验丰富的老教 师, 也未必都有足够的认识。
/ 加酶洗衣粉的使用条件和效果0实验主要有 两个目的, 一是通过加酶与不加酶洗衣粉对污汁 的去污效果的比较说明酶的催化效果, 二是通过 在不同温度对污汁的去污效果的比较说明酶的催 化效果与使用条件的关系。教材, 该实验的设 计采用的是/ 对照实验法0。对照实验根据实验目 的、原理和方法的不同, 可分为多种类型, 如: 空白 对照( 对照组不作任何因素的处理) 、条件对照( 给
对照组施以部分非实验研究的处理因素) 、自身对 照( 在同一研究对象的同一时间进行实验和对照, 或同一研究对象在实验前后进行对照) 、相互对照 ( 对照组不固定, 由几个实验组进 行相互对照) 。 加酶与不加酶的去污效果比较属于空白对照, 不 同温度下去污效果的比较可归属于相互对照。不 论哪一种对照方法, 关键是变量因子的严格控制 和适宜条件的有效选择。但中学实验设计中, 往 往存在/ 假对照0或/ 对照不全0 的问题, 因为许多 对照实验是多因素问题, 且每个因素存在不同的 水平, 所以设对照组时就需要考虑全面组合或挑 选最有代表性的组合。
1 甲烷的光氯取代反应实验
¹ 文革前的高中化学第三册 165 页, 实验仅 停留在文字叙述上: / 如果把盛着甲烷和氯气的密 闭玻璃筒或大广口瓶放在光亮的地方( 注意: 不要 放在日光直射的地方, 否则会发生爆炸) , 那么, 由 于甲烷跟氯气发生反应, 氯气的黄绿色会逐渐变 淡。0
º 文革后新编的高中化学( 甲种本) 第三册 48 页, 把甲烷的取代反应上升为演示实验( 实验 2- 3) : / 制备好一集气瓶纯净的甲烷和氯气的混合 气体, 用玻璃片把瓶口盖好, 放在光亮的地方( 注 意: 不要放在光线直射的地方, 否则会引起爆炸) 。 等待片刻, 观察瓶内气体颜色的变化。0
/ 加酶洗衣粉的使用条件和效果0实验的讨论
t 孔荣杰
邵万亮
浙江省宁海县柔石中学 浙江省宁海县教育局教研室 315600
摘 要 文章对/ 加酶洗衣粉的使用条件和效果0 实验设计中的问题进行分析, 并提出改进的方案。 关键词 高中生物 加酶洗衣粉 对照实验 问题 改进
浙江科学技术出版社出版的普通高中课程标 准生物实验教科书选修 15生物技术与实践6的实 验 5 是/ 加酶洗衣粉的使用条件和效果0实验, 该 实验采用加两种酶的奥妙洗衣粉及未加酶的洗衣 粉进行去污对照实验。我们在教学实践中发现, 该实验的结果并不理想, 仔细分析后发现该实验 设计存在一定的问题。本文就该实验存在的问题 展开讨论, 并就此提出一些建议。 1 原有实验存在的问题
/ 加酶洗衣粉的使用条件和效果0的实验恰恰 同时存在着以上两个问题, 要认识这一问题得先 从洗衣粉的化学成分进行分析。家用洗衣粉、餐 具洗涤剂与工业洗涤剂、纺织煮练剂的成分没有 什么本质的不同, 仅存在配方的侧重和配比的差
250mL) , 用排饱和食盐水的方法, 按 Cl2BCH4 的体
积比为 4B1 收集混合两种纯净( 不含空气) 气体0。 何况 教 材 上 说 / 100mL 的 大 量 筒0, 而 实 际 上 100mL 的量筒算不上是大量筒。
» 笔者注意到, 由人教社编著的高中化学第
二册教师教学用书 105 页: / 用 220V、250W 的高 压汞 灯 为光 源, 在 距 离试 管 ( CH4 、Cl2 混合 气)
10cm~ 15cm 处 进行 照射 做 甲烷 的 取代 反 应实 验0。笔者最近 新购得广 东佛山 生产 的 GYZ250 型自镇流萤光高压汞灯炮( 13 元P只) 。高压汞灯 光源的亮度很高, 我们按教参要求进行实验。
日光
Cl2 2Cl#- Q
日光
CH4 + Cl# CH3 # + HCl- Q 当混合气体中聚集的 CH3#足够多时, 反应的 诱导期结束进入生成氯代烷如 CH3Cl 的反应期:
日光
CH3 #+ Cl ) Cl CH3 Cl+ Cl#+ Q 生成 CH3Cl( 以及 CH2 Cl2 ) CCl4 ) 的反应期是 放热反应。瞬间, 在几秒钟之内量筒内气体因反 应热而膨胀, 量筒内 的水位会下降 2cm~ 3cm 不 等。之后则因反应气体消耗, 生成的 HCl 溶于水, 气压下降, 水位上升加剧。一 般在 10min 左右水 位可以 上升到 量筒容 积的 80% ~ 90% , 甚 至更
图3
4 教学思考
人教社出版的高中化学, 从 1997 年的试用本 到现在的必修加选修教材, 已经用了快 13 年了。 这期间尽管内容上有所调整, 篇幅上也有些变化, 但基本的篇章结构和内容都比较稳定。特别是甲 烷的光氯取代反应的实验, 从文字叙述到实验图 示连一个字都没有变动。但是我们觉得以下问题 仍然值得提出。
第一次, 混合气体距光源 10cm 照射, 1min 之 后发生了爆炸( 闷爆声) 。
第二次, 混合气体距光源 18cm 照射, 2min 之 后发生了爆炸( 闷爆声) 。
可见教 参提供的光 源( 220V、250W) 高压汞 灯和操作要求( 距离 10cm~ 15cm) , 还存在着不可 忽视的安全隐患。
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多。整 个反 应 的全 过程 可 在 15min 左 右完 成。 CH4 与 Cl2 的光氯取代反应过程如图 2 所示。
图2
由图 2 可见, 直射日光条件下的诱导期极短,
CH3 #+ O2 CH3 OO# 当有少量的 O2 时, 则会减 慢取代反 应的速 度, 使反应的诱导期大大延长; 当 O2 多时, 甚至会 使反应停止。鉴于此, 必须确保 CH4 和 Cl2 中不 含有空气。方法是: 在收集 CH4( 或 Cl2 ) 之前, 先 用一个比甲烷发生装置( 试管) 容积还要大的容器 ( 如大试管) , 在至少收集一管气体弃去之后再收 集 CH4 。 ( 3) 反应容器宜大不宜小 容器小了, 取代反应生成的油状取代物不明 显, 而太大则操作不方便。建议用 250mL 量筒为 宜。再有, 对于混合 气体的配备, 教材要 求先通 CH4 , 后通 Cl2 。我们认为应该先通 Cl2 , 后通 CH4 。 因为 CH4 密度小, 很轻, 后通 CH4 便于跟 Cl2 有个 自然混合的作用, 便于取代反应的发生。
º / 大约 3min 之后, 可以观察到量筒壁上出 现油状液 滴0。这 跟事 实 不太 相 符合。一 方面 / 3min0, 这很可能反应还处于诱导期, 只能观察到 量筒内有白雾, 即使是三五分钟之后的反应期, 生 成的多氯代甲烷附在量筒的内壁, 也仅仅是一层 稀薄的油膜, 根本不可能是油滴。只待反应的后 期( 10min 之后) 生成的多 氯代甲烷较多, 量筒内 的水位上升, 液面把量筒壁上的油膜富集起来, 才 能观察到油滴 ( 此时液面上的油滴因溶有 Cl2 呈 浅淡的黄绿色) 。
¹ 实验不必叙述得过分具体, 应该给教师留 一些自主 创新 的空 间。比 如, 没有 必 要写 明是 / 100mL 大 量筒0, / 先收 集 20mL CH40, / 后 收集 80mL Cl20。建议改叙成: / 用一只大量筒( 最好是
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对这一定量实验的要求, 一直沿用至今已有
图 1 甲烷的取代反应
13 年。可见, 甲烷的光氯取代反应实验在中学化 学教材中的地位和价值是在明显上升和提高的, 是教师在教学中不容回避的定量实验。
2 给 CH4 光氯取代反应几点注释
( 1) 注意, 反应起始有一段( 1min~ 2min) 诱导 期
按教材图示方法进行实验, 当 Cl2 、CH4 气体 混合的一开始, 量筒内就有白雾( HCl ) 出现, 表明 反应已经开始。但是反应进行得十分缓慢, 量筒 内的水位仅稍有上升, 时间因光照条件的不同, 一 般会在 1min~ 2min 的范围内波动。这是因为反 应开初生成 Cl# 、CH3#( 游离基) 的过程是一个吸 热反应, 是反应的诱导期。