探究现象背后成因，完善课堂演示实验

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探究现象背后成因，完善课堂演示实验

——浅谈两个课堂实验的操作细节和实验建议

张建波

（上海市位育中学，上海
200231）

摘要：课堂演示实验有助于学生理解化学知识，并在实验操作和观察中进一步培养学生的综合科学素养。笔者在准备高三教材[1]新增实验和文献[2]记载实验的过程中，发现有两个课堂实验在操作上需要有一定的注意或调整，经实验探究后，提出了相应可行的操作建议。
关键词：纸上层析  卤代烃消去 实验探究


1、 两个实验的背景介绍与问题说明
1.1 用径向纸上层析法分离并检验Fe3+、Cu2+
这个实验出现在上海高三化学拓展型课程（试用本）第206页，属课堂实验。教材所示实验步骤简述如下：
①如图，在滤纸中央点滴FeCl3和CuCl2混合       溶液，晾干后，再补滴一次。
②将丙酮和6mol/L盐酸按体积比9∶1配制成展开剂，取一定量展开剂注入培养皿中，然后将滤纸剪开的小条浸入展开剂中，待Fe3+、Cu2+在滤纸上展开。
③当展开达滤纸直径约2/3时，取下滤纸，观察现象。
④将滤纸放在盛有浓氨水的培养皿中，用氨水熏，观察现象，检出Cu2+。
⑤然后将硫氰化钾溶液用喷雾器喷在滤纸上，观察现象，检出Fe3+。
在实验准备过程中，笔者与学生一起严格按照教材所示的实验步骤进行操作，当展开达滤纸直径约2/3时，取下滤纸，可观察滤纸上呈现颜色相近的两圈环形色斑。用浓氨水熏时，能观察到内圈色斑迅速形成蓝色弧圈，根据教材提示，可认为Cu2+跟氨分子结合成绛蓝色的[Cu(NH3)4] 2+，使Cu2+显现出来。但再将KSCN溶液喷雾于滤纸上时，并未见红色出现，也就是说，按照这样的操作步骤，并不能将Fe3+显现出来。对此，笔者认为是由于Fe3+与SCN—的显色反应需在酸性条件下进行，而NH3的存在使Fe3+迅速水解为Fe(OH)3而破坏了硫氰合铁(Ⅲ)配合物所致。
1.2
卤代烃的消去反应
卤代烃是中学有机化学中的一类重要物质，它的两个典型性质——水解和消去，在知识层面上起到了连贯烃与烃的含氧衍生物的作用。目前教材上有卤代烃水解反应的实验介绍，但一直没有编入有关卤代烃消去反应的实验内容。笔者在《中学化学实验大全》（以下简称《大全》）中查得卤代烃消去反应的实验设计，转述如下：
①在洁净的试管里，加2mL蒸馏水，再滴入3～4滴 1，2—二氯乙烷，振荡。静置后滴加2～3滴硝酸银溶液，不产生白色沉淀。
②在另一支试管里放入几块小瓷片，加入2mL饱和的氢氧化钠乙醇溶液，再加入0.5mL1，2—二氯乙烷，振荡。试管配上带导管的单孔塞，固定在铁架台上，导管的另一端插入盛有酸性高锰酸钾溶液或溴水的试管中，装置如图所示。
③微热试管约2分钟，酸性高锰酸钾溶液或溴水褪色，说明有不饱和烃生成。
文中另附说明：
①在试管里放入小瓷片，为了防止混合液受热暴沸。
②本实验宜用沸点较高的卤代烃，除1，2—二氯乙烷外，还可以用溴乙烷，1—氯戊烷等，效果也很好。
我们知道，卤代烃在氢氧化钠醇溶液中是否发生了消去反应，关键在于确证是否有烯烃的生成。《大全》中的方案是将实验过程中产生的气体通入酸性高锰酸钾溶液或溴水中，观察溶液是否出现褪色现象。
笔者照此方案及相关说明，以溴乙烷为原料，按书中所配示意图，搭好装置进行试验，略加热后即有气泡从导管口逸出，加热反应3分钟左右，酸性高锰酸钾溶液逐渐褪色。改用溴水也可在相同反应时间内产生褪色现象，并在底部产生橙色油状液体。
但笔者仔细思考后，认为出现上述实验现象未必就是消去反应产物——乙烯所致。试想如果在加热时氢氧化钠醇溶液中的乙醇挥发蒸出，进入酸性高锰酸钾溶液中，也会导致其褪色；另外溴乙烷的沸点仅为38℃，如果加热时溴乙烷挥发逸出，进入溴水中，萃取溴后橙色油层沉降在试管底部，也完全是有可能的。因此笔者对《大全》中的做法产生疑问，并通过以下空白对照实验进行对比验证。
笔者分别单独加热氢氧化钠醇溶液和溴乙烷，并将各自产生的蒸汽导入相应的酸性高锰酸钾溶液和溴水中，均能产生与上文中提到的完全一致的现象。由此，笔者认为，若用《大全》所示装置进行卤代烃消去反应并验证产物，缺乏必要的科学严密性。

2、 操作建议或实验改进
2.1 关于径向纸上层析法检验Fe3+、Cu2+的操作建议
    既然在经过氨熏后，Fe3+无法与SCN—络合成血红色的配合物，于是笔者尝试将操作步骤调整为：






     从具体的实验过程来看，两种离子在层析分离后的检验中均能有明显的实验现象。首先喷洒KSCN溶液后，滤纸上出现明显的血红色，然后再将这张滤纸放在盛有浓氨水的培养皿中，用氨水熏，这时滤纸上立即呈现出蓝色。当然在氨熏的过程中，有一个现象比较特殊，就是原先的血红色也一并迅速被弥漫开的蓝色所替代，这个替代的过程和速度之快让笔者和一同实验的学生为之惊叹，印象深刻！然后笔者立即进行了对照实验，即直接用氨熏蘸有Fe3+溶液的滤纸，没有呈现蓝色，而是略显红褐色，所以上述实验中的氨熏过程对Cu2+的检验可以确认有效。
当然，由于直接用氨熏蘸有Fe3+溶液的滤纸，能产生略显红褐色的现象，笔者在与一些同行交流后认为，这个实验的操作也可简化为：Fe3+、Cu2+两种离子在层析分离后，只用氨熏就可以了，即可观察到内圈呈现绛蓝色环形色斑，外圈呈现红褐色环形色斑，也足以完成对Fe3+、Cu2+的检验。因此，教学中可按上述调整步骤进行操作，以获得预期的实验效果。
至于硫氰合铁(Ⅲ)在氨熏过程中被破坏后，究竟又会以怎样的物质形态存在，笔者结合氨熏后的色斑颜色和配合物的稳定常数综合分析后认为，氨熏后的Fe3+主要可能以[Fe(OH)(H2O)5]2+、[FeCl(H2O)5]2+或Fe(OH)3的形式存在，但均尚需进一步分析求证。
另外，笔者补充一个相关的实验结果。在笔者动员学生选用不同载体对Fe3+、Cu2+进行层析分离检验实验时，发现用粉笔为载体层析分离Fe3+、Cu2+后，用教材的原来步骤能先后得到绛蓝色和血红色的检验效果，建议作为学生兴趣拓展实验，完善学生的科学辩证思想，即在适当的条件下，可能与不可能是可以互相转变的，要关注实验条件，不可极端。
2.2
关于卤代烃消去反应的实验改进
通过空白对照实验可知，若能将消去反应中受热逸出的原料蒸汽与产物气体分离，然后再对乙烯进行性质验证是一条科学可行的思路。笔者据此设计了以下实验装置，具体操作时可在A试管中按体积比5∶4先后加入饱和的氢氧化钠乙醇溶液和溴乙烷，振荡后置水浴中加热至沸，也可用酒精灯直接加热A试管（可在A试管中加入碎瓷片防止溶液暴沸）。由于乙醇、溴乙烷与乙烯存在明显的沸点差，B试管置于冰水浴中可冷凝受热逸出的乙醇、溴乙烷蒸汽，并在低温下减少其再次挥发，从而实现原料蒸汽与产物气体的有效分离。图中C试管内可根据实验的具体需要，加入酸性高锰酸钾溶液或溴水。







反应过程中，可观察到有一定量的原料蒸气从A试管中逸出，在B试管中冷凝成无色液体。由于溴乙烷的沸点较低（38℃），原料受热挥发损耗，实验中乙烯的产量并不高，虽然没有了原料蒸气对乙烯检验的干扰，但在产物检验时仍存在实验效果不理想的情况。因此笔者建议使用沸点更高的卤代烃，以减少加热过程中的原料逸出，提高产率。但《大全》中提到的1，2—二氯乙烷（沸点83.5℃）属高毒类物质，而1—氯戊烷消去后得到的1—戊烯沸点仅为30℃，且能溶于乙醇，这不利于产物的分离检验，因此笔者又改用碘乙烷（沸点72.3℃）进行实验，在持续加热2～3分钟时间后，可观察到C试管中的有色溶液逐渐褪色。
改进后的实验，操作简便，现象明显。若能组织引导学生参与整个实验的分析改进过程，则还能在装置、流程设计上促进学生建立空白对照的实验思想，在原料选择上提高学生根据实验目的查阅文献、完善产率的能力，有利于科学精神的培养，是比较合适的课堂实验素材。

3、 总结与展望
上海二期课改新教材中的新增实验给了教师很大的发挥空间，也为学生提供了更多实验参与的机会，这对中学化学教育功能的提升奠定了重要的基础。教师在这样的氛围引导下，也会更有主动性进行文献实验的应用、改进和新实验的开发。教师在具体的实验教学过程中，若能将实验的准备、完善过程介绍给学生，或作为问题对学生进行思考引导，或许会有更好的教学效果。本文抛砖引玉，笔者愿与更多的老师一起作更深入的探讨交流。

参考文献：
[1]高级中学课本（化学拓展型课程）[M].上海：上海科学技术出版社，2008.
[2]刘正贤.中学化学实验大全[M].上海：上海教育出版社.

附：作者简介与联系方式
张建波，上海市位育中学高三化学备课组长
联系电话：15900904769
E—mail：zjambo77@gmail.com