乙酸丁酯制備裝置的探究實驗教學

楊海艷

摘要： 結合已有的制備有機物的實驗基礎，師生共同完成“乙酸丁酯制備裝置的探究實驗教學”。在設計方案、動手實踐過程中不斷發現問題、解決問題，在實驗課堂教學過程中通過討論設計、合作實踐、質疑改進、再次實驗等環節，充分體現化學實驗思維的價值和意義。在課本原有方案的基礎上通過巧妙加入吸水劑、加裝水分離器等設計，切實有效地提高了有機物的產率。

關鍵詞： 乙酸丁酯; 制備裝置; 探究實驗; 實驗教學

文章編號： 1005-6629（2019）12-0045-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

實驗是化學思維的重要基礎，化學實驗思維是化學思維的重要組成部分，是關于化學實驗的目的、原理、過程（包括方法及步驟）、現象和結果的思維活動[1]。化學學科以實驗為基礎，因而在教學實際中要抓住實驗這一主題開展化學實驗單元教學，突出化學學科特色，教出學科味，增加學生的課堂參與度，關注并逐步提高學生的化學實驗思維水平。下面介紹筆者在高三文理學院特色班的乙酸丁酯制備裝置的探究實驗教學中，以分組設計、合作實踐和探究改進方案為主線，最終完成動手實踐、反思改進的全過程，以求拋磚引玉、共同分享的效果。

1? 教學內容與實驗背景分析

滬科版高三化學拓展型課程第九章第5節，主題為“化學實驗方法的探究”，此時學生已經較全面地復習了高中化學的全部知識內容與化學原理，具備了一定的綜合分析與知識運用的能力;在了解了溴苯、硝基苯、乙酸乙酯的制備原理、裝置設計以及產物的分離提純等操作方法的基礎上，結合乙酸丁酯制備的原理以及所用原料性狀的分析，已基本具備初步設計該實驗方案的能力。

然而，由于許多有機反應速率慢、耗時長、副反應多、產率低，并且不少有機物易揮發、易燃，有一定毒性，再加上受高中實驗條件和課時數的限制，從而導致高中有機制備實驗的現狀往往是實驗視頻多、教師演示多、題目操練多，學生真正動手制備的機會很少。

本探究課題選在高三文理學院的特色班開展，一方面是基于該班學生活潑好動且思維活躍，另一方面是期望通過實驗教學激發學生更高的學習熱情，從而提高復習效率，增進復習效果。

2? 教學設計思路

采用階梯遞進式的教學設計： 復習→歸納→設計→優化→實踐→反思，引導學生動手實踐，實現從紙上談原理到動手制得產品。學生通過理解和應用酯化反應與平衡移動原理，在整個動手動腦過程中感受到興趣、質疑、尋答的意義以及嚴謹、求真的科學精神。實驗教學重點是引導啟發學生進行制備方案的設計、優化和實踐過程;難點和思維提高點是及時發現問題、解決問題，并且從量化的角度對不同方案進行對比和評價。

3? 師生合作共同推進的教學過程

3.1? 確定實驗方法和初步方案

首先，教師向學生明確課題目標——設計方

案制備乙酸丁酯。接著，引導學生回顧已學過的幾種液態有機物的制備方法，啟發學生進行歸納，找出其共性和個性。學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（見圖1）和硝基苯（見圖2）;二是“邊制備，邊蒸出產物”，如乙酸乙酯（見圖3）的制備。最后，啟發學生運用所學知識，解決新問題——如何制備乙酸丁酯。

在對比有關物理常數（見表1）后，大多數學生都注意到乙酸丁酯具有較高的沸點，于是學生一致決定采用“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? 有關物理常數

乙酸1-丁醇乙酸正丁酯水

分子式C2H4O2C4H10OC6H12O2H2O

分子量607411618

沸點（℃）118117.2126.3100

密度（g/mL）1.0490.810.881.0

共沸點（℃）/92.4（與38%水）//

3.2? 實驗主導與觀察主體的有機互動

此時教師向學生展示高三化學拓展課程練習冊上的實驗方案，就是踐行了該思路。并且

向學生現場演示制備過程，實驗裝置如圖4所示。

圖4? 制備乙酸丁酯

在操作過程中，教師突出強調采用煤氣燈（酒精燈）加熱該有機反應的安全性問題，也提醒學生觀察玻璃導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率一般約60%左右。

3.3? 在化學實驗思維指導下進行實驗方案的優化設計

在互動討論中學生發現問題，并確定了以下解決問題的方向和途徑： 加熱方式的改進——無明火;冷凝方式的改進——提高效率使得冷凝充分;制備思路或裝置需優化——提高產率或原料轉化率。

經過討論和對比，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實驗的安全性。考慮到受熱面積以及熱量利用率，學生果斷地舍棄了適合加熱燒杯、錐形瓶的電加熱盤，選擇了適合加熱燒瓶的恒溫電加熱套，并將反應容器由試管改為圓底燒瓶。

至于冷凝方式，學生很容易聯想起在石油分餾和制備蒸餾水實驗中采用的冷凝管。教師適時展示球形冷凝管和直形冷凝管，并讓兩名學生動手連接進、出水管，連接好后打開水龍頭，體驗到進水、出水如何連接更科學，感受到其冷凝效果明顯優于空氣冷凝。考慮到冷凝效果，學生選擇了球形冷凝管。

然而面對原料轉化不充分這一突出問題，學生展開了熱烈的討論： 在投料相同的前提下，采取什么方法使平衡右移，從而提高轉化率或增大產率呢？此時平衡移動原理被多次提及和應用，學生提供了多種策略，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——比較沸點發現，水的沸點最低，理論上可以被蒸出。

3.4? 在化學實驗思維指導下實施實驗方案

實驗實施不但可以強化對實驗設計的體驗，還可以發現設計中的疏漏，有利于進一步完善實驗方案、強化設計思維。上述改進措施的動手實踐以及如何應對和解決出現的新問題，所有這些，將化學實驗思維能力的提高推向高潮。

在安全規范操作的前提下，教師和學生小組一起嘗試增大濃硫酸的用量。結果發現，過多的濃硫酸不但會帶來安全性方面的問題，最主要會使有機物炭化，增加更多的副反應，還會使最終產品帶有顏色，導致純度下降。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，發現接收液中除了水，還含有大量的有機物。再次查閱資料比較沸點發現這是“共沸現象”。于是問題又來了——“如何保證將水蒸出的同時，體系中的有機物不損失呢？”。

3.5? 思維能力的升華——在困境中捕捉創新的火花

面對實驗的不順和困境，組內組間討論熱火朝天。教師及時聽取和捕捉學生思維信號的關鍵詞，板書記錄： 其他吸水劑或直接加干燥劑;特制儀器幫助實現從有機制備反應體系中蒸出水，并且通過“控制機關”，使共沸出來的有機物返回原裝置。

直接在體系中加入干燥劑吸水的方案在討論中被學生自己否決了，因為體系不斷在受熱，干燥劑受熱容易失去其吸收的水分。針對這一情況，又有突發奇想——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出來的水蒸氣。在學生的期待下，恒壓滴液漏斗適時登場，根據對其應該發揮作用的期待，學生在恒壓滴液漏斗中加入了無水硫酸銅作為吸水劑，以便于通過變色情況觀察吸水過程，該設計對應的裝置如圖5所示。

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

圖5? 采用加入吸水劑的實驗裝置

圖6? 加裝水分離器的制備裝置

然而學生又發問，采用改進裝置乙酸丁酯的產率一定提高了嗎？如何從量化的角度對不同方案進行嚴謹的對比？基于此，學生進一步實踐改進方案，有意設計對比實驗，僅裝置作為變量，準確量取相同投料量、設置相同反應時間和相同后處理步驟，最終對比產率。

總結整個教學過程： 先是創設真實問題情境，通過復習歸納→設計優化→實踐反思→解決新問題，在質疑尋答過程中實現思維能力和實驗綜合能力的提升。接著學生親自動手實踐辛苦得來的設計，課程重心突出了學生的體驗感受和學科思維的形成。在體驗過程中發現問題，及時提出進一步的改進方案，將所學原理應用于實際問題的解決。

4? 量的概念——實驗數據與處理

設計對比實驗，僅裝置是變量，探究對比產率。表2是從量的角度進行方案的對比評析。

5? 實驗教學效果反思與評價

5.1? 增加實驗中動手實踐和動腦思維活動

在具體實驗方案設計的探究活動中，增加實驗中的動手實踐以及動腦的思維活動，以此提高化學實驗思維水平。學生在此實驗過程中看到并體驗到了有機制備的主要特征及過程，在實驗探究中形成和建立了有機實驗單元的大概念。學生在實驗課堂上展現出的學習熱情、能力的提

表2? 實驗結果對比

對比實驗原方案改進方案Ⅰ改進方案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

反應時間回流時間10min10min10min

后處理

及產品

產率粗產品

乙酸丁酯*16.10g

（0.139mol）20.60g

（0.178mol）19.72g

（0.17mol）

分出水的量//3.1mL

乙酸丁酯產率69.0%88.8%85.0%

*該產物提純方式是用分液漏斗，經過水洗、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物。

高以及素養的提升是紙筆考試所無法給予的。

5.2? 能力的提升與思維方式的培養

（1） 分析能力的提升： 分析原方案的問題，提出改進方法。

（2） 動手能力的提升： 認識新儀器，分組合作，了解其原理和使用方法。

（3） 思維方式的提升： 認識到一種物質的制備方案不是一蹴而就的，是逐步被完善的。恰當的化學實驗創新改進不僅能創設問題情境，更是發現問題、探究問題、解決問題的核心線索。

5.3? 永無止境的方案優化設計——實驗的后續研究

本實驗很明顯還存在以下問題： 粗產品乙酸丁酯里還溶解有未反應完全的原料或者副產物，需要進一步提純;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。于是在實驗報告最后留一個開放性問題——學生還有什么優化方案或建議。在實驗報告中看到有學生把課后查閱到的文獻資料提供出來，指出有一類固態磺酸樹脂可以做酯化反應的催化劑[3]，據報道其與濃硫酸相比可以實現某些條件溫和、副反應少、后處理方便——過濾即可去除催化劑、催化劑可以循環使用等制備實驗。

6? 結語

該課題的實驗教學過程中滲透了“變化觀念與平衡思想”，學生認識到酯化反應的特征，運用化學原理和規律去分析影響化學變化的因素，說明和預測實際的化學變化。體現了“科學探究與創新意識”，動手、動腦相結合，議議、做做相穿插，引導學生團隊合作、思考探究、動手實踐，發現問題、解決問題，在實踐中不斷優化設計方案。強調理論指導實踐，在實踐中優化方案，并突出“量”的觀念。課程最后引導學生建立更寬廣的視角——從實驗室研究到化工生產。學生體會到化學工藝的微小改良對工業生產實際帶來的巨大價值，并意識到化學工藝的改進永無止境。在實踐中要有安全意識，落實貫徹“綠色化學”的理念，初步形成節約原料、節約能源、保護環境等觀念，樹立“科學態度與社會責任”的意識。科學實驗能促進學生手腦并用、全面發展，有利于培養學生的核心素養和關鍵能力。

參考文獻：

[1]李嵐. 中學化學中的實驗與思維[J]. 化學教學， 2019， （1）： 8～10.

[2]高翔等. 有機化學實驗[M]. 上海： 復旦大學出版社， 2014.

[3]顏劍波，蔣成君. Amberlyst-15催化合成三醋酸甘油酯工藝條件研究[J]. 浙江科技學院學報， 2010， 22（3）： 183～185.