色谱分离实验的“变量控制法”教学案例

李川菊 何京 张艳华 王萍

摘要： 在变量控制法教学中融入人教版普通高中选择性必修3“色谱分离实验”的改进，在探究实验材料、提取方法、提取溶剂、溶剂用量等因素可能对色谱分离效果产生影响的实验中，使学生充分体验变量控制法在科学研究中的应用及价值。

关键词： 变量控制; 色谱分离; 实验条件优化; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2021）12-0065-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》的内容要求中提到“学会运用变量控制方法研究化学反应，了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用”[1]。2019年人教版高中化學必修第二册也将“变量控制”作为科学研究、化学学习中常用的一般方法呈现在方法导引栏目中[2]，然而在实际教学中，却很少对此方法加以重视并进行深入研究。本文通过对色谱分离实验的大胆探究，有效地补充了“变量控制法”教学案例，使学生充分体验变量控制法在科学研究中的应用及价值。钟辉生[3]曾提到变量控制意识是提升教师实验素养的四大意识之一，教师尽量设计单一变量对实验结果的影响，确保实验结论与证据间的逻辑关系;徐敏[4]将“变量控制法”的实验设计思想作为课堂教学的核心目标，通过设置实验获得定量证据验证了Fe3+浓度及溶液酸碱性对FeCl3水解的影响;李发顺[5]则在学习强电解质与弱电解质概念时，采用控制变量的方法进行实验设计，学习科学探究的一般方法，培养学生在实验操作与设计中合理控制变量进行探究活动的能力。由此可见，为了加强对“变量控制”这一重要科学方法的学习，形成学科方法加以应用，以实验为案例的教学研究是很好的策略之一。

2019版选择性必修3第一章中提到运用色谱法来分离提纯有机物： 在碳酸钙粉末上对植物色素溶液进行柱色谱分离时，呈现出一条绿色色带和两条黄色色带，分别为叶绿素、叶黄素和胡萝卜素[6]。但在实验时往往得不到好的效果，对此，不少学者对实验中某些变量进行了探究。董少鸣[7]筛选了菠菜、油菜、芹菜、菊花、天竺葵，分别采用冷、热法处理，发现煮沸法提取的油菜色素用滤纸作为固定相进行分离，给出了四条分离的色带，实验效果较好。曹宏梅[8]则筛选了韭菜、香菜、生菜、芹菜和空心菜，采用中性氧化铝作为固定相，混合液体（石油醚-丙酮）作为流动相进行实验，呈现出四条分离的色带。

为了能让学生体验科学研究中常用的变量控制法如何在实验中得以应用，教师可提供学习资料与文献，让学生了解该实验存在的不足，引导学生对资料研读分析，与学生共同探讨并总结出实验材料、提取方法、提取溶剂、溶剂用量等因素可能对色谱分离效果产生的影响。接着，教师再设计系列问题驱动学生思考： 如果要探讨植物实验材料、提取方法、提取溶剂、溶剂用量等诸多因素中最优化的条件，实验设计中应该如何避免多种因素的相互影响？提供学习资料如表1所示。据此依据“变量控制法”进行实验方案的设计。

1 实验设计

1.1 实验仪器

破壁机、超声波眼镜清洗机、水浴锅、吹风机、球形冷凝管、圆底烧瓶、温度计、导管、集气瓶、西林瓶、盖玻片、毛细管、粉笔

1.2 实验药品

新鲜菠菜叶、韭菜叶、玉簪叶、莴笋叶，石油醚、丙酮、乙酸乙酯

1.3 实验方案

为排除水分对实验的干扰[9]，将新鲜菠菜叶、韭菜叶、玉簪叶、莴笋叶清洗干净，小心去除茎秆放入烘箱，65℃下干燥12小时至重量恒定。

1.3.1 实验材料的筛选

分别称取1g干燥的菠菜叶、韭菜叶、玉簪叶、莴笋叶粉碎后装入西林瓶，分别加入4mL石油醚，放在超声波眼镜清洗机中超声提取10min，静置;毛细滴管吸取上层液体，在距离粉笔头约1cm处点样，吹风机吹干后，再放入盛有3mL石油醚且被石油醚蒸气饱和的集气瓶中展开。观察不同植物提取液展开后的效果，筛选合适的实验材料。

1.3.2 提取方法的筛选

分别称取1g上述步骤1.3.1中分离效果最好的植物3份，粉碎后装入相应容器，并加入4mL石油醚。分别采用超声[10]、回流和破壁机搅拌提取10min，静置后点样，吹干，在装有3mL石油醚的集气瓶中展开。观察提取分离的效果，筛选合适的提取方法。

1.3.3 单一提取溶剂的筛选

分别称取1g上述步骤1.3.1中分离效果最好的植物，粉碎后装入西林瓶中，分别加入4mL石油醚、丙酮和乙酸乙酯，采用实验1.3.2中最优的提取方法进行提取，静置，点样，在3mL对应提取溶剂中密闭展开。观察提取分离的效果，筛选合适的提取溶剂。

1.3.4 提取溶剂用量的筛选

分别称取1g上述步骤1.3.1中分离效果最好的植物，粉碎后装入西林瓶中，分别加入3mL、5mL、7mL、9mL、11mL 1.3.3中的最佳提取溶剂，采用实验1.3.2中最优的提取方法进行提取，静置，点样，在3mL 1.3.3中选出的最佳展开剂中密闭展开。观察提取分离的效果，筛选合适的提取溶剂用量。

2 实验结果及讨论

2.1 实验材料筛选结果与讨论

1g干燥的菠菜叶、韭菜叶、莴笋叶和玉簪叶石油醚提取分离的效果见表2。

由表2可以看出，干燥菠菜叶石油醚提取和展开后的色素显示三条色带，为中间的绿色色带和被绿色色带分割的两条黄色色带，色带间分离度差，不易明显区分;干燥韭菜叶石油醚提取后的色素展开后显示两条色带，分别是黄色色带和灰色色带，色带分离度较菠菜叶的分离度好;干燥莴笋叶石油醚提取后的色素展开后呈现四条分离的色带，从上到下依次是淡黄色色带、灰色色带、黄色色带和深黄色色带，色带清晰且有一定分离度;干燥玉簪叶石油醚提取和分离后则呈现出两条色带，分别是黄色和灰色色带。由此可以发现莴笋叶采用石油醚提取、石油醚分离具有较好的实验效果。因此采用莴笋叶作为该实验的实验材料。

2.2 提取方法筛选结果与讨论

1g干燥莴笋叶分别采用超声、回流、破壁机搅拌提取后的色素粉笔分离效果见表3。

由表3可以看出，干燥莴笋叶超声提取后的色素展开显示三条分离的色带，一条黄色色带、一条灰色色带和一条绿色色带，色带之间的分离度好，但提取出的色素组分较少。回流提取后的色素展开后显示三条色带，分别是黄色色带、灰色色带和绿色色带，色带分离度较差。破壁机搅拌提取粉笔分离后呈现四条色带，从上到下依次为黄色色带、灰色色带、深黄色色带和绿色色带，色带数量增多，且分离度较好。由此表明破壁机搅拌提取的效果最佳，这可能是因为破壁机搅拌更有利于破坏植物细胞壁，加速植物代谢组分的溶出，同时搅拌也有利于快速地达到溶出平衡，提高植物代谢组分的提取效率。

2.3 单一提取溶剂筛选结果与讨论

石油醚、丙酮和乙酸乙酯破壁机搅拌提取莴笋叶色素后粉笔分离效果见表4。

由表4可以看出石油醚提取后的色素粉笔分离后呈现四条色带，从上至下依次为黄色、灰色、深黄色和绿色，且各色带之间呈现较好的分离度。丙酮提取后呈现三条色带，绿色色带的量最大，但绿色色带基本没有分离开。而乙酸乙酯提取后的色素展开后看不出明显的色带分离。由此表明石油醚提取出的莴笋叶色素能很好地被粉笔分离。这可能是因为石油醚极性在这三种提取剂中最小[11]，能够有效地提取出植物中的小极性组分，有利于粉笔的分离，而丙酮和乙酸乙酯的极性较大，提取出的组分极性也较大，不利于粉笔的分离。

2.4 提取剂用量筛选结果与讨论

3mL、5mL、7mL、9mL、11mL石油醚破壁机搅拌提取后，粉笔分离的效果见表5。

由表5可以看出，莴笋叶石油醚破壁机搅拌提取后，粉笔分离的效果随着展开剂用量的增大，呈现分离色带先增多再减少的变化趋势。7mL石油醚破壁机提取分离的效果最佳，呈现出五条色带，从上到下分别为黄色色带、深灰色色带、灰色色带、绿色色带和深绿色色带，能很好地说明植物色素的复杂性，各色带之间也具有较好的分离度。

3 验证性实验

实验至此，教师可对学生发问，本实验是否到此结束？让学生意识到实验研究并未结束，应该还要通过实验的重现性来验证所得结果是否具有偶然性，以保证实验的科学和有效。因此教师可以继续辅导学生设计并进行如下重复实验： 1g干燥莴笋叶采用7mL石油醚破壁机搅拌提取，3mL石油醚密闭展开。呈现出了5条色带，从上到下分别为： 黄色→深灰色→灰色→绿色→深绿色。可以看出其粉笔分离的效果与上述步骤2.4中7mL石油醚提取分离的效果相当，由此表明筛选后的方法具有较好的重现性。

4 结语

就本案例而言，以“色素分离实验”的研究为基础素材，进行“变量控制法”的教学设计，能让学生充分体验“变量控制”在科学研究中的应用和价值，深入理解这一重要科学方法。并且通过建立实验证据与结论之间的关系，形成证据意识，发展学生证据推理及实验探究的化学学科核心素养。此外，本实验操作简单、过程科学、教学目标易于达成，能帮助学生在实践中理解植物色素提取和分离的原理，了解色谱法在有机物分离提纯中的应用。该案例可应用于一线教师的课堂教学或学生的第二课堂活动中。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]王晶， 毕华林. 普通高中教科书·化学（必修第二册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 45.

[3]钟辉生， 谢名军. 刍议提升教师实验素养的四种意识——以2019年赣州市实验创新设计竞赛活动为例[J]. 化学教学， 2019， （12）： 26～29.

[4]徐敏， 鄭晓红. “影响盐类水解的因素”实验设计及教学策略[J]. 化学教学， 2014， （10）： 41～43.

[5]李发顺. “强电解质与弱电解质”的教学与反思[J]. 化学教学， 2012， （12）： 36～37.

[6]王晶， 毕华林. 普通高中教科书·化学·选择性必修3[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 14～15.

[7]董少鸣， 籍洪明， 马鹏飞. 几种植物材料叶绿体色素提取和分离的比较[J]. 承德民族师专学报， 2002， （2）： 64.

[8]曹宏梅， 赖红伟， 董顺福， 韩丽琴， 陶然. “绿色植物中色素的提取”实验仪器和技术的改进[J]. 中国校外教育， 2014， （9）： 44.

[9]蔡瑜， 王兆卫， 樊雪妮， 霍明洋， 郗艳丽. 卤素水分测定仪法测定5种蔬菜水分含量[J]. 吉林医药学院学报， 2018， 39（4）： 246～249.

[10]刘湘， 汪秋安. 天然产物化学[M]. 北京： 化学工业出版社， 2014： 30.