甲苯使酸性高錳酸鉀溶液褪色實驗的改進

沈坤華

摘要： 針對教材中“甲苯使酸性高錳酸鉀溶液褪色”實驗現象不明顯的問題，通過分析其原因，進行了實驗改進。以18冠醚6作相轉移催化劑，使原本是兩相界面的氧化反應轉移到有機相中進行。采用控制單一變量的科學探究法，從改變反應溫度、氧化劑濃度及催化劑用量等方面，開展實驗探索，獲得適合課堂教學演示實驗的反應條件。此實驗改進成果應用于課堂教學，有利于培養學生的思維能力，發展學生的化學核心素養。

關鍵詞： 甲苯; 酸性高錳酸鉀溶液; 相轉移催化劑; 18冠醚6; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）1005603 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標識碼： B

1 問題的提出

現行蘇教版《有機化學基礎》（選修）“芳香烴”的教學中，為了研討苯同系物的化學性質，在“觀察與思考”欄目增加了甲苯、二甲苯被酸性高錳酸鉀溶液氧化的實驗[1]。順利完成這兩個實驗是苯環對其側鏈化學性質影響使側鏈變得更活潑的最有力的證據，從而進一步討論有機物基團間的相互影響，也是學習苯同系物的化學性質及其應用的基礎。然而，在常溫或水浴加熱（80℃）條件下，分別取3滴0.05moL·L-1、 0.02moL·L-1、 0.01moL·L-1、 0.005moL·L-1 4種不同濃度的酸性高錳酸鉀溶液，滴入各盛有2mL甲苯的4支試管中進行實驗，至少在5分鐘內看不到甲苯使高錳酸鉀溶液褪色的跡象。這說明，無論在常溫下還是加熱條件下，甲苯被酸性高錳酸鉀氧化的反應速率實在太慢，以致于在有限的時間內觀察不到酸性高錳酸鉀溶液褪色現象，因此有必要對教材上這一實驗進行改進。

甲苯與酸性高錳酸鉀溶液反應的化學方程式為：

我們知道，發生化學反應的先決條件是反應物的分子（或離子）直接碰撞，碰撞機會越多，反應可能會越快。酸性高錳酸鉀溶液與甲苯互不相溶，分屬于水相、有機相，具有強氧化性的MnO-4離子與有機分子（甲苯分子）碰撞機會少，況且MnO-4離子在水溶液中是水合離子，周圍被水分子包圍，與有機分子直接接觸更困難，導致兩者反應緩慢。增加氧化劑濃度或加熱可加快反應，但短時間也看不到實驗現象——紫色變淺或褪去，占用了較多課堂教學時間。

解決問題的關鍵是通過怎樣的方法增加MnO-4離子與有機分子直接接觸的機會？或通過怎樣的手段使KMnO4或MnO-4離子能“溶于”甲苯？從而使氧化反應在有機相（均相）中進行。

2 實驗原理

一種固體無機化合物或它的水溶液與另一溶于非極性溶劑的物質混在一起，因兩者分別處于互不相溶的兩相（固液兩相或液液兩相），難以發生化學反應。要使它們發生反應的新的辦法是應用相轉移催化作用，即在兩相體系中加入少量在有機相和水相中都能溶的試劑（稱相轉移催化劑），它可穿過兩相之間的界面把反應實體（如MnO-4）從水相轉移到有機相中，使它與底物（有機溶劑中的溶質或純有機溶劑）反應，并把反應中生成的另一種陰離子帶回水相中，而相轉移催化劑沒有損耗，只是重復地起“運送”陰離子的作用[2]。

本實驗所用的相轉移催化劑是18冠醚6，其分子結構如圖1所示。

18冠醚6分子結構的最大特點是分子內有大的空穴，空穴大小260～320pm，空穴的一邊均勻分布著負電荷密度大的6個氧原子，這種特殊的結構決定了它具有特殊的化學性質——很強的配合能力，如與鉀離子（直徑266pm）形成配合物的穩定常數lgK=6.1[3]。

在溶有18冠醚6的甲苯溶液中，滴入高錳酸鉀溶液，冠醚環上氧原子的孤對電子與K+離子配位，形成穩定配合物，形象地表示為“鉀離子落到分子中心的洞穴里”，并利用冠醚配離子對有機溶劑的親和性，使得鉀離子從水溶液轉移到有機溶劑，帶負電荷的MnO-4離子也隨之進入有機溶劑中，形成如圖2所示結構。

18冠醚6使高錳酸鉀間接地“溶于”甲苯，這時的MnO-4離子是完全裸露的自由的陰離子，沒有溶劑化的影響，因而氧化能力更強。MnO-4離子被甲苯還原后，由于正負電荷的抗衡作用，配合了K+離子的18冠醚6有機配離子往返“運送”水相中的MnO-4離子到有機相（甲苯）中，氧化反應繼續進行，而18冠醚6沒有損耗，最終高錳酸鉀溶液褪色。

3 實驗藥品與儀器

高錳酸鉀、18冠醚6、甲苯、二甲苯（以上4種藥品均為分析純試劑）、蒸餾水;溫度計、試管、燒杯、量筒、電子天平、藥匙、玻璃棒、膠頭滴管、熱水

4 實驗改進

4.1 實驗準備

先配制濃度為0.05moL·L-1的高錳酸鉀溶液50mL，再取部分配制好的該溶液用蒸餾水稀釋成0.02moL·L-1、 0.01moL·L-1、 0.005moL·L-1 3種不同濃度的高錳酸鉀溶液。

用量筒取30mL甲苯于50mL小燒杯中，加入0.9g 18冠醚6晶體，攪拌，使其充分溶解，得冠醚的甲苯溶液（A溶液）。再分別取30mL甲苯，用同樣方法配制含有1.8g和3.6g 18冠醚6的兩種甲苯溶液——B溶液和C溶液。

4.2 實驗過程與現象

4.2.1 實驗1

取4支試管，向其中分別加入2mL上述冠醚的甲苯溶液（A溶液），再分別滴加3滴上述4種濃度的高錳酸鉀溶液，振蕩，觀察現象。分別用B溶液、C溶液重復上述實驗操作，觀察現象（見表1）。

上述實驗溶液紫色褪去的同時，下層（水層）還出現棕色渾濁。

4.2.2 實驗2

50℃水浴加熱下，每次實驗取冠醚的甲苯溶液2mL，高錳酸鉀溶液3滴，現象記錄如表2所示。

上述實驗溶液紫色褪去的同時，下層（水層）還出現棕色渾濁。

4.2.3 實驗3

80℃水浴加熱，不同濃度冠醚的甲苯溶液與不同濃度高錳酸鉀溶液反應。實驗結果，0.005moL·L-1、 0.01moL·L-1、 0.02moL·L-1高錳酸鉀溶液半分鐘左右完全褪色，0.05moL·L-1高錳酸鉀溶液1分鐘左右完全褪色，溶液褪色的同時下層（水層）均出現棕色渾濁。

實驗說明：

（1） 在常溫或水浴加熱條件下，將適量18冠醚6晶體放入不同濃度的高錳酸鉀溶液中振搖，實驗發現溶液不褪色，說明18冠醚6與高錳酸鉀不發生反應。

（2） 高錳酸鉀溶液紫色褪去時，由于各人對略微褪色、較明顯褪色、明顯褪色、完全褪色的判斷標準可能不一致，在褪色時間判斷上可能有一定的偏差，但在相對比較上現象明顯不影響實驗結果。

（3） 醚官能團在強酸性且加熱環境下結構不穩定，為避免影響實驗效果，本實驗所用的高錳酸鉀溶液沒有加硫酸酸化。本實驗中棕色沉淀是高錳酸鉀的還原產物二氧化錳。

4.3 實驗結果

基于上述實驗探索，化學教材上的實驗可改為： 取一支試管，向其中加入1～2粒綠豆大小的18冠醚6晶體，再向試管中加入2mL甲苯，振蕩，使其全部溶解，得冠醚的甲苯溶液（冠醚濃度相當于上述實驗B溶液或C溶液濃度）。在所得溶液中滴加3滴高錳酸鉀溶液（中性），振蕩試管，觀察實驗現象。必要時把試管放入50℃以上的水浴中加熱，觀察實驗現象。高錳酸鉀溶液濃度應控制在0.02moL·L-1及以下的濃度為宜，實驗時間短，現象明顯。教師也可以根據教學實際需要，將實驗改成學生研究性學習項目： 控制實驗變量，研究單一條件（溫度、氧化劑濃度、催化劑用量）改變對反應速率的影響，從而探究影響化學反應速率的外部因素，尋找甲苯使高錳酸鉀溶液褪色的合適條件，培養學生科學探究能力。

5 課堂應用與反思

課堂教學中，可先按照教材上的實驗方案進行演示，并與二甲苯進行對比，甲苯反應不理想的實驗效果激發學生進一步探究的欲望。根據影響化學反應速率的因素，引導學生進行分析討論，認識影響化學反應的條件是復雜的，同時是可以控制的。在控制單一變量的科學探究中，獲得理想的化學實驗效果，不僅體現化學理論對化學實踐的指導作用，更可培養學生敢于質疑、勇于創新的思維品質和嚴謹求實的科學態度。

新版《普通高中化學課程標準》中“物質結構與性質”模塊增加了“超分子、聚集態”等教學內容[4]，豐富了中學教育所應認識的微粒種類，這是化學科學發展對中學教育提出的新要求，化學教師應積極探索化學新知識、新技術在日常教學中的應用。本實驗涉及超分子化學領域，18冠醚6是主體，鉀離子是客體，主客體通過配位鍵形成了超分子，18冠醚6在反應中起相轉移催化作用。由此可見，化學教師必須緊跟時代步伐，加強化學學科新知識的學習，積極改進并開發能體現化學學科特色、融入前沿學科知識的創新實驗，發展學生化學學科核心素養。

參考文獻：

[1]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·有機化學基礎（第四版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2014： 52.

[2]邢其毅， 徐瑞秋等. 基礎有機化學（第二版上冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993： 423～426.

[3][英]J. W. 斯蒂德， J. L. 阿特伍德著. 趙耀鵬， 孫震譯. 超分子化學[M]. 北京： 化學工業出版社， 2006： 81～82， 87.

[4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 43～44.