乙酸丁酯制備裝置的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)

楊海艷

摘要： 結(jié)合已有的制備有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，師生共同完成“乙酸丁酯制備裝置的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)”。在設(shè)計(jì)方案、動(dòng)手實(shí)踐過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)過(guò)程中通過(guò)討論設(shè)計(jì)、合作實(shí)踐、質(zhì)疑改進(jìn)、再次實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維的價(jià)值和意義。在課本原有方案的基礎(chǔ)上通過(guò)巧妙加入吸水劑、加裝水分離器等設(shè)計(jì)，切實(shí)有效地提高了有機(jī)物的產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞： 乙酸丁酯; 制備裝置; 探究實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）12-0045-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)思維的重要基礎(chǔ)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維是化學(xué)思維的重要組成部分，是關(guān)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的、原理、過(guò)程（包括方法及步驟）、現(xiàn)象和結(jié)果的思維活動(dòng)[1]?；瘜W(xué)學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，因而在教學(xué)實(shí)際中要抓住實(shí)驗(yàn)這一主題開(kāi)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)單元教學(xué)，突出化學(xué)學(xué)科特色，教出學(xué)科味，增加學(xué)生的課堂參與度，關(guān)注并逐步提高學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維水平。下面介紹筆者在高三文理學(xué)院特色班的乙酸丁酯制備裝置的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以分組設(shè)計(jì)、合作實(shí)踐和探究改進(jìn)方案為主線，最終完成動(dòng)手實(shí)踐、反思改進(jìn)的全過(guò)程，以求拋磚引玉、共同分享的效果。

1? 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)背景分析

滬科版高三化學(xué)拓展型課程第九章第5節(jié)，主題為“化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的探究”，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)較全面地復(fù)習(xí)了高中化學(xué)的全部知識(shí)內(nèi)容與化學(xué)原理，具備了一定的綜合分析與知識(shí)運(yùn)用的能力;在了解了溴苯、硝基苯、乙酸乙酯的制備原理、裝置設(shè)計(jì)以及產(chǎn)物的分離提純等操作方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合乙酸丁酯制備的原理以及所用原料性狀的分析，已基本具備初步設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)方案的能力。

然而，由于許多有機(jī)反應(yīng)速率慢、耗時(shí)長(zhǎng)、副反應(yīng)多、產(chǎn)率低，并且不少有機(jī)物易揮發(fā)、易燃，有一定毒性，再加上受高中實(shí)驗(yàn)條件和課時(shí)數(shù)的限制，從而導(dǎo)致高中有機(jī)制備實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀往往是實(shí)驗(yàn)視頻多、教師演示多、題目操練多，學(xué)生真正動(dòng)手制備的機(jī)會(huì)很少。

本探究課題選在高三文理學(xué)院的特色班開(kāi)展，一方面是基于該班學(xué)生活潑好動(dòng)且思維活躍，另一方面是期望通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)激發(fā)學(xué)生更高的學(xué)習(xí)熱情，從而提高復(fù)習(xí)效率，增進(jìn)復(fù)習(xí)效果。

2? 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

采用階梯遞進(jìn)式的教學(xué)設(shè)計(jì)： 復(fù)習(xí)→歸納→設(shè)計(jì)→優(yōu)化→實(shí)踐→反思，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)從紙上談原理到動(dòng)手制得產(chǎn)品。學(xué)生通過(guò)理解和應(yīng)用酯化反應(yīng)與平衡移動(dòng)原理，在整個(gè)動(dòng)手動(dòng)腦過(guò)程中感受到興趣、質(zhì)疑、尋答的意義以及嚴(yán)謹(jǐn)、求真的科學(xué)精神。實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)是引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行制備方案的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和實(shí)踐過(guò)程;難點(diǎn)和思維提高點(diǎn)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，并且從量化的角度對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)。

3? 師生合作共同推進(jìn)的教學(xué)過(guò)程

3.1? 確定實(shí)驗(yàn)方法和初步方案

首先，教師向?qū)W生明確課題目標(biāo)——設(shè)計(jì)方

案制備乙酸丁酯。接著，引導(dǎo)學(xué)生回顧已學(xué)過(guò)的幾種液態(tài)有機(jī)物的制備方法，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行歸納，找出其共性和個(gè)性。學(xué)生概括出以下兩種制備方法： 一是“先制備，后提純”，如制備溴苯（見(jiàn)圖1）和硝基苯（見(jiàn)圖2）;二是“邊制備，邊蒸出產(chǎn)物”，如乙酸乙酯（見(jiàn)圖3）的制備。最后，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決新問(wèn)題——如何制備乙酸丁酯。

在對(duì)比有關(guān)物理常數(shù)（見(jiàn)表1）后，大多數(shù)學(xué)生都注意到乙酸丁酯具有較高的沸點(diǎn)，于是學(xué)生一致決定采用“先制備，后提純”的方法。

圖1? 制備溴苯

圖2? 制備硝基苯

圖3? 制備乙酸乙酯

表1? 有關(guān)物理常數(shù)

乙酸1-丁醇乙酸正丁酯水

分子式C2H4O2C4H10OC6H12O2H2O

分子量607411618

沸點(diǎn)（℃）118117.2126.3100

密度（g/mL）1.0490.810.881.0

共沸點(diǎn)（℃）/92.4（與38%水）//

3.2? 實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)與觀察主體的有機(jī)互動(dòng)

此時(shí)教師向?qū)W生展示高三化學(xué)拓展課程練習(xí)冊(cè)上的實(shí)驗(yàn)方案，就是踐行了該思路。并且

向?qū)W生現(xiàn)場(chǎng)演示制備過(guò)程，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4? 制備乙酸丁酯

在操作過(guò)程中，教師突出強(qiáng)調(diào)采用煤氣燈（酒精燈）加熱該有機(jī)反應(yīng)的安全性問(wèn)題，也提醒學(xué)生觀察玻璃導(dǎo)管的冷凝作用以及冷凝效果。并告知按此方法所得乙酸丁酯的產(chǎn)率一般約60%左右。

3.3? 在化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在互動(dòng)討論中學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并確定了以下解決問(wèn)題的方向和途徑： 加熱方式的改進(jìn)——無(wú)明火;冷凝方式的改進(jìn)——提高效率使得冷凝充分;制備思路或裝置需優(yōu)化——提高產(chǎn)率或原料轉(zhuǎn)化率。

經(jīng)過(guò)討論和對(duì)比，加熱方式采用電加熱代替煤氣燈（酒精燈），這樣可以大大提高有機(jī)實(shí)驗(yàn)的安全性?？紤]到受熱面積以及熱量利用率，學(xué)生果斷地舍棄了適合加熱燒杯、錐形瓶的電加熱盤(pán)，選擇了適合加熱燒瓶的恒溫電加熱套，并將反應(yīng)容器由試管改為圓底燒瓶。

至于冷凝方式，學(xué)生很容易聯(lián)想起在石油分餾和制備蒸餾水實(shí)驗(yàn)中采用的冷凝管。教師適時(shí)展示球形冷凝管和直形冷凝管，并讓兩名學(xué)生動(dòng)手連接進(jìn)、出水管，連接好后打開(kāi)水龍頭，體驗(yàn)到進(jìn)水、出水如何連接更科學(xué)，感受到其冷凝效果明顯優(yōu)于空氣冷凝?？紤]到冷凝效果，學(xué)生選擇了球形冷凝管。

然而面對(duì)原料轉(zhuǎn)化不充分這一突出問(wèn)題，學(xué)生展開(kāi)了熱烈的討論： 在投料相同的前提下，采取什么方法使平衡右移，從而提高轉(zhuǎn)化率或增大產(chǎn)率呢？此時(shí)平衡移動(dòng)原理被多次提及和應(yīng)用，學(xué)生提供了多種策略，甚至還分成了“兩派”（兩種方法）：

CH3COOH+C4H9OH濃H2SO4△

CH3COOC4H9+H2O

方法一： 增大濃硫酸用量——理由是濃硫酸可兼做吸水劑，從而使平衡右移。

方法二： 將水移除——比較沸點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，水的沸點(diǎn)最低，理論上可以被蒸出。

3.4? 在化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維指導(dǎo)下實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)實(shí)施不但可以強(qiáng)化對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的體驗(yàn)，還可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的疏漏，有利于進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方案、強(qiáng)化設(shè)計(jì)思維。上述改進(jìn)措施的動(dòng)手實(shí)踐以及如何應(yīng)對(duì)和解決出現(xiàn)的新問(wèn)題，所有這些，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維能力的提高推向高潮。

在安全規(guī)范操作的前提下，教師和學(xué)生小組一起嘗試增大濃硫酸的用量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過(guò)多的濃硫酸不但會(huì)帶來(lái)安全性方面的問(wèn)題，最主要會(huì)使有機(jī)物炭化，增加更多的副反應(yīng)，還會(huì)使最終產(chǎn)品帶有顏色，導(dǎo)致純度下降。故增大濃硫酸的用量這一做法得不償失。

安裝蒸餾裝置將水蒸出，發(fā)現(xiàn)接收液中除了水，還含有大量的有機(jī)物。再次查閱資料比較沸點(diǎn)發(fā)現(xiàn)這是“共沸現(xiàn)象”。于是問(wèn)題又來(lái)了——“如何保證將水蒸出的同時(shí)，體系中的有機(jī)物不損失呢？”。

3.5? 思維能力的升華——在困境中捕捉創(chuàng)新的火花

面對(duì)實(shí)驗(yàn)的不順和困境，組內(nèi)組間討論熱火朝天。教師及時(shí)聽(tīng)取和捕捉學(xué)生思維信號(hào)的關(guān)鍵詞，板書(shū)記錄： 其他吸水劑或直接加干燥劑;特制儀器幫助實(shí)現(xiàn)從有機(jī)制備反應(yīng)體系中蒸出水，并且通過(guò)“控制機(jī)關(guān)”，使共沸出來(lái)的有機(jī)物返回原裝置。

直接在體系中加入干燥劑吸水的方案在討論中被學(xué)生自己否決了，因?yàn)轶w系不斷在受熱，干燥劑受熱容易失去其吸收的水分。針對(duì)這一情況，又有突發(fā)奇想——能不能將干燥劑盛放在另一裝置中不被加熱，但可以吸收加熱揮發(fā)出來(lái)的水蒸氣。在學(xué)生的期待下，恒壓滴液漏斗適時(shí)登場(chǎng)，根據(jù)對(duì)其應(yīng)該發(fā)揮作用的期待，學(xué)生在恒壓滴液漏斗中加入了無(wú)水硫酸銅作為吸水劑，以便于通過(guò)變色情況觀察吸水過(guò)程，該設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的裝置如圖5所示。

解決共沸問(wèn)題，需要接收冷凝下來(lái)的液體的儀器很特殊，可以讓上層液面流回反應(yīng)裝置，就這樣在學(xué)生草圖的呼喚下，水分離器[2]（見(jiàn)圖6）適時(shí)登場(chǎng)。加裝水分離器，采用邊反應(yīng)邊蒸出水的制備思路，聲東擊西，促進(jìn)了酯化反應(yīng)的平衡正向移動(dòng)，使原料物盡其用。

圖5? 采用加入吸水劑的實(shí)驗(yàn)裝置

圖6? 加裝水分離器的制備裝置

然而學(xué)生又發(fā)問(wèn)，采用改進(jìn)裝置乙酸丁酯的產(chǎn)率一定提高了嗎？如何從量化的角度對(duì)不同方案進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)比？基于此，學(xué)生進(jìn)一步實(shí)踐改進(jìn)方案，有意設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，僅裝置作為變量，準(zhǔn)確量取相同投料量、設(shè)置相同反應(yīng)時(shí)間和相同后處理步驟，最終對(duì)比產(chǎn)率。

總結(jié)整個(gè)教學(xué)過(guò)程： 先是創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境，通過(guò)復(fù)習(xí)歸納→設(shè)計(jì)優(yōu)化→實(shí)踐反思→解決新問(wèn)題，在質(zhì)疑尋答過(guò)程中實(shí)現(xiàn)思維能力和實(shí)驗(yàn)綜合能力的提升。接著學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐辛苦得來(lái)的設(shè)計(jì)，課程重心突出了學(xué)生的體驗(yàn)感受和學(xué)科思維的形成。在體驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)提出進(jìn)一步的改進(jìn)方案，將所學(xué)原理應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決。

4? 量的概念——實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理

設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，僅裝置是變量，探究對(duì)比產(chǎn)率。表2是從量的角度進(jìn)行方案的對(duì)比評(píng)析。

5? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反思與評(píng)價(jià)

5.1? 增加實(shí)驗(yàn)中動(dòng)手實(shí)踐和動(dòng)腦思維活動(dòng)

在具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的探究活動(dòng)中，增加實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手實(shí)踐以及動(dòng)腦的思維活動(dòng)，以此提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維水平。學(xué)生在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中看到并體驗(yàn)到了有機(jī)制備的主要特征及過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)探究中形成和建立了有機(jī)實(shí)驗(yàn)單元的大概念。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上展現(xiàn)出的學(xué)習(xí)熱情、能力的提

表2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比實(shí)驗(yàn)原方案改進(jìn)方案Ⅰ改進(jìn)方案Ⅱ

采取裝置大試管（圖4）恒壓滴液漏斗（圖5）水分離器（圖6）

投料情況乙酸14mL（0.24mol）14mL（0.24mol）14mL（0.24mol）

1-丁醇18.4mL（0.20mol）18.4mL（0.20mol）18.4mL（0.20mol）

濃硫酸10滴10滴10滴

碎瓷片3粒3粒3粒

反應(yīng)時(shí)間回流時(shí)間10min10min10min

后處理

及產(chǎn)品

產(chǎn)率粗產(chǎn)品

乙酸丁酯*16.10g

（0.139mol）20.60g

（0.178mol）19.72g

（0.17mol）

分出水的量//3.1mL

乙酸丁酯產(chǎn)率69.0%88.8%85.0%

*該產(chǎn)物提純方式是用分液漏斗，經(jīng)過(guò)水洗、兩次碳酸鈉溶液洗滌、再次水洗，

最后分液，將上層液體稱量即為粗產(chǎn)物。

高以及素養(yǎng)的提升是紙筆考試所無(wú)法給予的。

5.2? 能力的提升與思維方式的培養(yǎng)

（1） 分析能力的提升： 分析原方案的問(wèn)題，提出改進(jìn)方法。

（2） 動(dòng)手能力的提升： 認(rèn)識(shí)新儀器，分組合作，了解其原理和使用方法。

（3） 思維方式的提升： 認(rèn)識(shí)到一種物質(zhì)的制備方案不是一蹴而就的，是逐步被完善的。恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)不僅能創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，更是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探究問(wèn)題、解決問(wèn)題的核心線索。

5.3? 永無(wú)止境的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)——實(shí)驗(yàn)的后續(xù)研究

本實(shí)驗(yàn)很明顯還存在以下問(wèn)題： 粗產(chǎn)品乙酸丁酯里還溶解有未反應(yīng)完全的原料或者副產(chǎn)物，需要進(jìn)一步提純;除了濃硫酸之外，在催化劑的改良方面是否有其他可行方案。于是在實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后留一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題——學(xué)生還有什么優(yōu)化方案或建議。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中看到有學(xué)生把課后查閱到的文獻(xiàn)資料提供出來(lái)，指出有一類固態(tài)磺酸樹(shù)脂可以做酯化反應(yīng)的催化劑[3]，據(jù)報(bào)道其與濃硫酸相比可以實(shí)現(xiàn)某些條件溫和、副反應(yīng)少、后處理方便——過(guò)濾即可去除催化劑、催化劑可以循環(huán)使用等制備實(shí)驗(yàn)。

6? 結(jié)語(yǔ)

該課題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中滲透了“變化觀念與平衡思想”，學(xué)生認(rèn)識(shí)到酯化反應(yīng)的特征，運(yùn)用化學(xué)原理和規(guī)律去分析影響化學(xué)變化的因素，說(shuō)明和預(yù)測(cè)實(shí)際的化學(xué)變化。體現(xiàn)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”，動(dòng)手、動(dòng)腦相結(jié)合，議議、做做相穿插，引導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、思考探究、動(dòng)手實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，在實(shí)踐中不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。強(qiáng)調(diào)理論指導(dǎo)實(shí)踐，在實(shí)踐中優(yōu)化方案，并突出“量”的觀念。課程最后引導(dǎo)學(xué)生建立更寬廣的視角——從實(shí)驗(yàn)室研究到化工生產(chǎn)。學(xué)生體會(huì)到化學(xué)工藝的微小改良對(duì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際帶來(lái)的巨大價(jià)值，并意識(shí)到化學(xué)工藝的改進(jìn)永無(wú)止境。在實(shí)踐中要有安全意識(shí)，落實(shí)貫徹“綠色化學(xué)”的理念，初步形成節(jié)約原料、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等觀念，樹(shù)立“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的意識(shí)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)艽龠M(jìn)學(xué)生手腦并用、全面發(fā)展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

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