運用混濁度傳感器探究1溴丁烷和硝酸銀溶液的反應

佘平平　劉然

摘要： 利用數據采集器結合混濁度傳感器探究AgNO3溶液和1溴丁烷反應，討論銀離子、硝酸根離子、酸度、溶劑對1溴丁烷和AgNO3溶液反應的影響，推測可能的反應機理。實驗發現，硝酸根濃度、酸度對1溴丁烷和AgNO3溶液反應的速率幾乎無影響；銀離子濃度顯著影響1溴丁烷和AgNO3溶液反應的速率；溶劑對1溴丁烷的溶解性有影響進而影響1溴丁烷和AgNO3溶液的反應速率。從實驗結果看，銀離子幫助碳溴鍵斷裂是1溴丁烷和AgNO3溶液反應的主要動力，反應符合單分子親核取代歷程。

關鍵詞： 混濁度傳感器； 1溴丁烷； 硝酸銀； 反應機理； 實驗探究

文章編號： 10056629（2023）10007404 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的提出

鹵代烴在生產和生活中應用廣泛，其結構和性質的特點對于發展學生化學學科核心素養具有一定的教學價值，是中學有機化學基礎的主要內容之一。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中明確要求“認識鹵代烴的組成和結構特點、性質、轉化關系及其在生產、生活中的重要應用”［1］。2020年人教版選擇性必修3《有機化學基礎》教材中鹵代烴相關實驗的代表物從溴乙烷改成了1溴丁烷。

在教學過程中，筆者問學生如何證明1溴丁烷與水能否發生反應（水解）？演示實驗將1溴丁烷和AgNO3水溶液直接混合，幾分鐘后觀察到明顯的淺黃色沉淀。這個現象是否能說明1溴丁烷與水發生了反應？有的同學認為可以，有的同學認為不行。

有學者向溴乙烷中加入AgNO3溶液，觀察到明顯的淺黃色或乳白色沉淀。文獻解釋［2，3］：AgNO3可以加快溴乙烷水解反應的速率或促進水解平衡的正向移動。溴乙烷與水反應了嗎？AgNO3的作用是什么？文獻沒有提供實驗證據。

利用圖1所示數據采集器結合混濁度傳感器監測AgBr沉淀產生，從而探究二者反應的原因。引入數字化實驗，實時監測和記錄數據，避免錯過重要的過程性數據，便于微觀過程的外顯和可視化，提高教學效率［4］。

2 實驗內容

分別配制10mL 0.1mol/L硝酸銀水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.2mol/L硝酸鈉混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉混合水溶液、10mL 0.3mol/L硝酸銀水溶液，10mL 0.5mol/L硝酸銀水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸混合水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=2∶8）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=4∶6）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=6∶4）、10mL 0.1mol/L硝酸銀的乙醇溶液。

用量筒量取7mL 1溴丁烷加入與傳感器配套的比色瓶，再將10mL硝酸銀溶液加入比色瓶，蓋蓋后搖勻，迅速將比色瓶放入密閉檢測器，在室溫下，利用數據采集器結合混濁度傳感器記錄體系的混濁度隨時間變化的情況。對于混濁度變化很小的體系，連續30秒混濁度不變后讀數。對于有混濁度變化的體系，設定混濁度670NTU為觀測指標，混濁度達到670NTU時，停止檢測，記錄時間。

3 結果與討論

3.1 水和1溴丁烷的反應

硝酸銀水溶液的主要微粒有硝酸根離子、銀離子、水分子。首先探究水和1溴丁烷是否有明顯的反應。量取7mL 1溴丁烷加入細口瓶，再加入10mL水，蓋上瓶塞搖勻放置。48小時后，取出7mL上層清液加入傳感器配套比色瓶，再將10mL硝酸銀溶液加入比色瓶，蓋蓋后搖勻，無明顯現象，迅速將比色瓶放入密閉檢測器，測得混濁度為26.5NTU。用蒸餾水做對照實驗，取7mL蒸餾水加入傳感器配套比色瓶，再將10mL硝酸銀溶液加入比色瓶，蓋蓋后搖勻，迅速將比色瓶放入密閉檢測器，測得混濁度為10.4NTU。實驗結果表明，水和1溴丁烷室溫下混合48小時無明顯反應。

3.2 硝酸根濃度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器（TRBBTA）探究不同硝酸根濃度的AgNO3水溶液和1溴丁烷反應。控制硝酸銀濃度均為0.1mol/L，用硝酸鈉調節硝酸根的濃度，實驗采用10mL 0.1mol/L硝酸銀水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.2mol/L硝酸鈉混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉混合水溶液，即硝酸根濃度分別為0.1mol/L、 0.3mol/L和0.5mol/L。設定混濁度670NTU為觀測指標，觀察到達該混濁度需要的時間。

從圖2可以看出，硝酸根濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L時，體系的混濁度達到670NTU，需要的時間相差不大。不難看出，硝酸根濃度幾乎不影響AgNO3水溶液和1溴丁烷的反應。

3.3 銀離子濃度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器探究不同濃度AgNO3水溶液和1溴丁烷反應。上述圖2結果顯示硝酸根濃度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應幾乎無影響。而不同濃度的AgNO3水溶液和1溴丁烷的反應則體現了銀離子濃度對該反應的影響。銀離子濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L，設定混濁度670NTU為觀測指標，觀察到達該混濁度需要的時間，實驗結果見圖3。

從圖3可以看出，銀離子濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L時，反應的混濁度達到670NTU，需要的時間有明顯差異，銀離子濃度越大需要的時間越短。不難看出，銀離子幫助碳溴鍵斷裂促進溴離子的離去，是AgNO3水溶液和1溴丁烷反應的關鍵因素。

3.4 酸度對AgNO3水溶液和1溴丁烷反應的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器探究不同酸度的AgNO3水溶液和1溴丁烷反應。為了保證反應的程度一致，控制銀離子濃度為0.1mol/L，用硝酸鈉和硝酸調節硝酸根的濃度為0.5mol/L。即采用10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸混合水溶液來探究酸度差異對反應的影響。設定混濁度670NTU為觀測指標，觀察到達該混濁度需要的時間。

從圖4可以看出，酸度幾乎不影響混濁度達到670NTU需要的時間。說明酸性條件下，酸度幾乎不影響AgNO3水溶液和1溴丁烷的反應。即10mL 0.1mol/L硝酸銀和0.4mol/L硝酸鈉或0.4mol/L硝酸的混合水溶液中，銀離子的水解對銀離子斷裂碳溴鍵的能力幾乎無影響。

3.5 溶劑對AgNO3和1溴丁烷反應的影響

室溫（22℃）下，用混濁度傳感器探究不同溶劑的AgNO3溶液和1溴丁烷反應。實驗采用10mL 0.1mol/L硝酸銀水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=2∶8）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=4∶6）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=6∶4）、10mL 0.1mol/L硝酸銀的乙醇溶液探究溶劑對反應的影響。設定混濁度670NTU為觀測指標，觀察到達該混濁度需要的時間。

從圖5可以看出，不同溶劑的0.1mol/L AgNO3溶液，反應混濁度達到670NTU需要的時間相差很大。觀察發現7mL 1溴丁烷和10mL 0.1mol/L硝酸銀的乙醇溶液反應后沒有相界面。實驗結果表明：溶劑中乙醇含量增加使得1溴丁烷溶解度增大，使反應能更均相進行，溶劑化效應使碳鹵鍵減弱，在銀離子等幫助下更易離解，有利于反應。

4 實驗結論

正丁基溴屬伯鹵代烴，在含水乙醇等極性不大的溶劑中不容易離解成穩定性較小的碳正離子，一般情況下伯鹵代烷的取代反應按雙分子親核取代反應歷程進行。但實驗條件改變，反應的歷程也可能改變。

硝酸根濃度、酸度對1溴丁烷和AgNO3溶液反應的速率幾乎無影響，表明1溴丁烷和AgNO3溶液的反應不符合雙分子親核取代反應歷程。銀離子濃度顯著影響1溴丁烷和AgNO3溶液反應的速率。溶劑對1溴丁烷的溶解性有影響進而影響了1溴丁烷和AgNO3溶液的反應速率。

從實驗結果看，銀離子幫助碳溴鍵斷裂：R—X……Ag+→R++AgX↓，這是1溴丁烷和AgNO3溶液反應的主要動力，反應機理中這步反應是最慢的，它決定了整個反應的速率和性質。伯鹵代烷在銀、汞等離子存在下的取代反應轉變為單分子親核取代反應，推斷其反應機理如下：

5 教學啟示

5.1 深度思考實驗細節，提升學生科學探究的能力

將1溴丁烷和AgNO3水溶液直接混合，幾分鐘后觀察到有明顯的淺黃色沉淀出現。由于體系中有1溴丁烷、水、銀離子、硝酸根離子，體系微粒較多，該現象不能說明1溴丁烷與水發生了反應。如果想要探查1溴丁烷與水是否反應，應該把1溴丁烷與水混合，取上層清液加入硝酸銀溶液進行檢測。化學是以實驗為基礎的科學，實驗是最體現細節決定成敗的。學生在實驗中往往圖省事，想一些跳步的方法，殊不知細節中蘊含著大學問。教師可以在平時的教學中，多讓學生在真實的實驗過程中體會實驗細節對實驗結果的影響，在對實驗的評析、改進和深度思考中培養學生的批判精神和創新能力。這樣的過程能使學生在探究中更加關注對變量的控制，同時強化了學生獲取知識時的過程性體驗。引導學生應用微觀視角對實驗結果進行分析，逐一排查體系的微粒，分析關鍵原因，進一步培養學生的微粒觀。對實驗中某些小細節的深度思考和研討，可提升學生的科學探究能力。

5.2 傳統實驗與數字化實驗優化整合，拓展知識的深度和廣度

數字化實驗的研究和應用為學生的學習提供了豐富的信息來源和數據支持。引入數字化實驗，獲取宏觀圖像和實時數據，使探究微觀機理成為可能。過程中實時監測和記錄數據，避免錯過重要的過程性數據，便于微觀過程的外顯和可視化，提高教學效率。《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出：“普通高中的培養目標是進一步提升學生的綜合素質，著力發展核心素養”［5］。從這一目標出發，教學中可以借助數字化實驗補足更多的宏觀事實性材料，實現抽象原理的可視化，幫助學生更好地從微觀上深度理解所學的知識。教學中注重發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合［6］，可發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”等多個維度核心素養。傳統實驗與數字化實驗的優化整合，有利于學生拓展知識的深度和廣度，打破傳統教學的局限。

5.3 多角度抽象概括，深化學生對化學學科本質的認識

選擇性必修3有機化學基礎，從必修中的典型代表物上升到從化學鍵層面去看反應。化學鍵的斷開可能是由于離去基團的離去能力增強，也可能是由于進攻試劑的進攻能力增強。1溴丁烷和NaOH水溶液的反應是增強了進攻試劑的進攻能力；1溴丁烷和硝酸銀溶液的反應是增強了溴離子的離去能力。二者均對碳溴鍵的斷開起到了幫助作用。類比1溴丁烷和硝酸銀溶液的反應，乙醇在濃硫酸作用下發生取代反應生成乙醚，除濃硫酸吸水促進平衡移動外，氫離子也增強了氫氧根的離去能力。從平衡的角度看反應：Ag+與Br-相互吸引促進了1溴丁烷中碳溴鍵的斷開；H+降低了OH-濃度，促進了乙醇取代生成乙醚。正如2021年北京高考題中提出為什么“Ag和鹽酸不反應，而Ag和氫碘酸能反應”一樣。學生對多微粒體系中各個具體事件進行多角度的抽象概括有助于他們深化對化學學科本質的理解，從而發現其深層次的奧秘。

（致謝：感謝首都師范大學黃燕寧老師的指導。）

參考文獻：

［1］［5］［6］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.

［2］徐泓， 盛儉發， 陳兆先. 對鹵代烴實驗教學中兩個問題的辨析［J］. 化學教學， 2022，（3）： 90～93.

［3］張建波. 關于“鹵代烴中鹵原子檢驗”的實驗反思與教學設想［J］. 化學教學， 2009，（4）： 3.

［4］馬宏佳. 化學數字化實驗的理論和實踐［M］.北京： 人民教育出版社， 2016：118～134.

*中國化學會化學教育委員會“十四五”規劃2021年一般課題“基于化學學科核心素養的深度學習的教學實踐研究”（課題批準號：HJ20210012）、北京市新時代中小學名師發展（首都師范大學基地）階段性研究成果；北京市東城區優秀人才培養資助（2023dchrcpyzz23）。