控制变量法探究烷烃取代反应的实验条件

储开桂

2022年江苏省基础教育内涵项目“大模型教学：深度发展科学思维的高中理科实践研究”的阶段性成果之一。

摘要：  取代反应是典型的有机化学反应类型，烷烃取代反应实验效果的影响因素较多，通过控制变量法探究烷烃与氯气光照发生取代反应的优选条件，单一改变反应物、反应容器、光照条件等变量以获取烷烃取代反应的演示实验的较佳效果，能帮助学生更充分地理解取代反应的概念，更好地服务于化学课堂教学。

关键词： 控制变量法； 烷烃； 取代反应； 实验探究

文章编号： 10056629（2024）04008304

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的产生

现行普通高中化学教科书（人教版、苏教版）中都有关于甲烷光照取代反应的演示实验。很多教师在平时教学过程中进行该实验演示时会遇到困难。焦点问题在于该实验反应速率慢、实验现象不明显、气体制备麻烦等从而导致不少教师用视频实验代替演示实验，未能达成预期的教学效果，同时饱受同行诟病。知网搜索显示有4位同行对此实验的改进进行了尝试，如许秀娟［1］通过向U型管中注射预先收集好的甲烷和氯气，用节能灯作光源进行实验，其优点是提升了反应速率。缺点是需要做大量的前期准备、实验装置本身复杂且必须通过实物投影进行观察；郭琦荣［2］通过使用青霉素玻璃瓶（12mL）收集氯气、注射器收集甲烷，在不同光源照射下进行实验探究，其优点是将实验仪器简单化、实验微型化，并用浓氨水充分证明氯化氢的生成。其缺点是实验太微型化，不適合演示实验；车琳［3］通过对实验仪器的组装和改进放大实验现象，需要用到三颈烧瓶，多个辅助仪器（气球、注射器、青霉素玻璃瓶），优点是现制现用氯气，实验效果较佳，适合演示实验。缺点是仪器搭建费时费力，甲烷必须预先制备好等；江军等［4］通过自制针筒式气体反应器，通过传感器来测定反应过程中的气体压强、能量的变化来说明取代反应的发生，该实验的优点是通过气相反应避免了通常实验中水珠的存在对生成油状物现象观察的干扰，通过传感器获得数据进行定量化处理。缺点是甲烷和氯气都需要现制，且需要进行干燥处理，甲烷的制备需要花费较长的时间等。

通过对比教材及同行的研究可以发现，对甲烷取代实验的改进主要集中在：（1）实验仪器的放大和缩小，更多的是将反应容器缩小；（2）光源的改进如荧光灯、LED灯、手电筒、白炽灯、节能灯的使用；（3）产物观察与检验方法的改进；（4）甲烷或氯气的制备方法的选择等。尚未见有充分的对比实验和尝试对反应物的选择改变。

变量控制的方法是科学探究中常用的方法［5］，普通高中课程标准明确指出，在必修课程中学生能运用变量控制的方法初步探究反应的规律。本文分析烷烃取代反应的机理，结合两本教科书中的实验方案，通过控制变量法设计实验方案进行烷烃取代反应实验的探究，以寻找最佳的实验效果和途径。

两个版本教科书中实验方案的对比见表1。

通过对比发现，对于烷烃取代实验的研究中，存在反应物用什么物质、反应物体积的比例、光源的选择、反应容器的选择等多个变量，选择只改变其中的某一因素，控制其他因素不变，使多因素的问题变成几个单因素的问题，分别加以研究，最后再将几个单因素问题的研究结果加以综合。

2  实验研究及对比分析

2.1  室内灯光下氯气和甲烷不同体积比反应效果测试

针对人教版教材中使用试管存在气体体积用量太小、不便于控制气体体积比的缺点；苏教版中使用集气瓶不便于控制气体体积比、不利于观察反应后饱和食盐水倒吸现象的缺点，我们选择用50mL的量筒来收集两种不同比例的气体进行实验（见表2）。

从实验效果看，选择体积比4∶1，更适合课堂演示，并能有效证明发生了取代反应。虽然有不少教师指出受容器器壁上水珠的影响，实验容器中无法准确判断是否有油状物（有机物）生成，但实验研究表明，如果将实验后的饱和食盐水倒入指定容器，在水槽底部会有一薄层油状物，并能闻到类似于四氯化碳等有机物的特殊气味（该现象很容易被忽略）。

2.2  日光照射下氯气和甲烷不同体积比反应效果测试

基于烷烃取代反应是自由基反应，强光的照射应该可以加快反应速率，我们选择用350mL的矿泉水瓶分别收集了两种混合比例（1∶1、 4∶1）的气体在日光直射下进行实验，实验效果大大改善（见表3）。

从实验结果来看，在日光直射下，选择V（氯气）∶V（甲烷）=1∶1进行取代实验更适合演示，V（氯气）∶V（甲烷）=1∶4的反应不适合取代实验的演示，但可以作为兴趣实验介绍给学生。

考虑到甲烷的实验室制备过程稍显繁琐以及烷烃中不同类型的氢原子被取代的速率差异，我们尝试用液化石油气（可以直接从丁烷灯、丁烷小罐中释放）代替甲烷进行了取代反应的对比探究。

2.3  不同条件下液化石油气与氯气反应效果测试

不同条件下使用液化石油气与氯气反应实验现象见表4。

实验7

实验8

实验9V（氯气）∶V（液化石油气）=6∶1近日光直射反应1～2min，瓶内产生雾气、黄绿色逐渐变淡，瓶子不断变瘪（伴有咔咔声响）、瓶壁及瓶底清晰可见乳白色油状液滴；片刻后用注射器注入少量水，瓶子继续变瘪。

V（氯气）∶V（液化石油气）=8∶1近日光直射反应5min，瓶内产生雾气、黄绿色逐渐变淡，瓶子缓慢变瘪。瓶壁及瓶底清晰可见乳白色油状液滴；片刻后用注射器注入少量水，瓶子继续变瘪。

V（氯气）∶V（液化石油气）=6∶1日光直射瞬间瓶内充满黑色颗粒，并伴有明显的发光发热。

3  实验结论

通过控制变量，对比研究，可以得出以下结论。基于演示实验的要求，需要反应速率不能太慢、实验现象明显、实验操作简便等，建议对甲烷光照取代的实验做如下改进。

3.1  反应物的选择

烷烃与卤素的反应是自由基取代反应，反应的机理可以分为三步：（1）生成氯自由基：氯气在紫外光的作用下，发生光解反应，生成两个氯自由基Cl22Cl·;（2）氯自由基与烷烃发生取代反应：氯自由基与烷烃中的氢原子发生反应，生成氯化氢和一个烷基自由基Cl·+RHHCl+R·;（3）烷基自由基与氯气发生反应：生成卤代烃和氯自由基R·+Cl2RCl+Cl·，这样氯自由基就可以继续参与反应，形成氯代烷烃。从烷烃的C—H键的键能（或离解能）来看，键均裂后生成自由基，键能越大，断裂此键需要提供的能量越高。伯、仲、叔碳的C—H键的离解能［6］如表5所示。

可见，伯、仲、叔碳自由基的稳定性为：3°>2°>1°>·CH3。

尽管也有教师提出将无水醋酸钠、氢氧化钠和氧化钙按质量比为6∶3∶2［7］混合研磨后，迅速装填于大试管加热可以高效制备甲烷，但毕竟通过固体之间混合后加强热制备气体比较麻烦。同时从反应的活性角度看，选择碳原子较多的烷烃更易于发生取代反应。郭震在对卤代烃取代反应及实验的研究中也很重视该实验反应物的选择［8］，综上，对烷烃取代的反应物的选择建议是：（1）高锰酸钾固体与浓盐酸反应，即制即用氯气；（2）用液化石油气（主要成分丁烷）代替甲烷，为方便操作，可直接在市售257mL的丁烷罐的出气管上接上细胶管，即可实现烷烃气体制备的随开随用，随关随停。

3.2  反应仪器的选择

使用350mL矿泉水瓶作反应容器，放大实验现象，提升演示效果。适当提高反应物的用量使反应现象更明显，便于全班同学更清楚地观察到瓶内颜色的变化、听到瓶内压强减小时矿泉水瓶变瘪的“咔咔”声，乳白色油状物的不断生成、黄色油滴的体积逐渐变大都能给学生很好的直观体验，从而提升学生的探究欲望，促进学生深度思维的发展。矿泉水瓶是无色透明塑料制品，还便于实验结束后向其中注射紫色石蕊试液，观察溶液颜色变红，通过检验氯化氢的生成进一步证明取代反应的发生。

3.3  反应条件的选择

烷烃的自由基取代反应的条件一般是加热或光照，从实验的对比可以看出，如若选择用甲烷与氯气做反应物，需要更强烈一点的光源（如紫外线照射），如果选择用液化石油气与氯气做反应物，只要正常靠近窗户的自然光就足够保证反应快速进行。不管选择哪一种烷烃做反应物，适当提高氯气与烷烃的体积比，有利于实验现象的观察，甚至可以观察到白色乳状物或者黄色油滴产生。建议反应物的用量为V（氯气）∶V（甲烷）=4∶1； V（氯气）∶V（液化石油气）=6∶1。

4  结语

化学实验对全面发展学生的化学学科核心素养起到极为重要的作用。烷烃的光照取代反应是高中有机化学中非常典型的化学反应。实际教学过程中不要轻易放弃该演示实验和学生实验的机会，而应该克服困难，创造条件对实验进行改进和创新。

利用废弃矿泉水瓶作为反应容器，可节约使用材料成本。实验中观察到混合气体黄绿色变淡直至褪去、瓶内有雾状物及油状液滴生成的现象，能促使学生推测产物是什么，并促使学生从宏微结合的角度认识烷烃与氯气发生取代反应的过程，有利于学生形成科学探究思维，提升科学探究意识，促进宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等化学学科核心素养的发展。

参考文献：

［1］许秀娟. 对甲烷和氯气取代反应实验的创新［J］. 实验教学与仪器， 2016， （S2）： 56.

［2］郭琦荣. 甲烷和氯气取代反应实验的简易安全设计［J］. 中学化学教学参考， 2014， （11）： 57.

［3］车琳. 甲烷与氯气反应实验的创新设计［J］. 中学化学教学参考， 2019， （9）： 61.

［4］江军. 甲烷与氯气取代反应实验的创新设计［J］. 化学教育， 2021， （3）： 76～80.

［5］董俊， 王瑛， 吴俊明. 基于“变量控制”策略的初中化学实验探究教学［J］. 化学教学， 2022， （4）： 67.

［6］邢其毅. 基础有机化学［M］. 北京： 北京大学出版社， 2017： 124～125.

［7］徐春秀. 高师中学化学教学论中甲烷制备实验的教学改进研究［J］. 江西化工， 2011， （2）： 48～51.

［8］郭震. 对卤代烃取代反应及实验的再认识［J］. 化學教学， 2023， （5）： 68.