高中化學三版教材有關乙烯的幾個問題探討

摘 要： 在比較高中化學三版教材以及廣泛借鑒專業書籍、學術論文的基礎上，提出乙烯制備實驗和石蠟油分解實驗的優化方案，建議根據不同的教學需求和現實條件靈活進行實驗教學；拓展介紹乙烯氧化反應和加成反應的相關知識；考慮到知識的準確性和學生的學情，建議對乙烯結構中的鍵角進行更正說明。

關鍵詞： 高中化學； 乙烯； 教材比較

文章編號： 10056629（2024）12009206

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

乙烯是高中階段初學有機化合物的代表物質，相關知識位于教材必修2及選擇性必修3。基于《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》要求編寫的人教版、魯科版和蘇教版高中化學教材是現行的三個主要版本教材，使用過程中教師往往相互參考借鑒以便改進教學。不同版本的教材中關于乙烯的幾個問題存在一定的模糊性，筆者嘗試逐一分析和探討，以期為一線教學提供啟示。

1 乙烯實驗室制備方法的優化與比較

乙烯的加成和氧化實驗是高中有機化學學習的重點之一，課堂實驗要求快捷、簡便、安全的乙烯制備方法。人教版和魯科版選擇性必修3給出的實驗室制備乙烯的方法基本一致：在圓底燒瓶中加入乙醇和濃硫酸（體積比約為1∶3）的混合液20mL，放入碎瓷片防止暴沸，迅速升溫至170℃，使乙醇發生消去反應得到乙烯［1，2］。但蘇教版選擇性必修3給出的方法則是將2g P2O5與4mL 95%的乙醇混合并加熱［3］。邢其毅等編寫的《基礎有機化學》中描述為：“將醇和酸（硫酸、磷酸等）一起加熱，可以使醇分子失去一分子水轉變為烯。這是實驗室制備烯常用的方法。［4］”以上均提到可以用乙醇與濃硫酸或P2O5（P2O5與水反應即生成磷酸）共熱的方法制備乙烯，本文基于教材所給實驗方案探討課堂上制備乙烯的可行性。

1.1 乙醇和濃硫酸共熱制乙烯的不足與優化

乙醇和濃硫酸都是實驗室常備藥品，原料易于獲取。實際操作該實驗時，由于乙烯僅在高于170℃時才會生成，因此整個過程升溫較慢，時長需10～20min，不適合課堂進行。此外，由于濃硫酸的強氧化性和脫水性，導致實驗過程中存在許多副反應。如乙醇會被濃硫酸炭化附著于瓶壁，難以清洗；加熱至140℃時會生成乙醚，炭化后的碳與濃硫酸反應生成SO2，乙醚和SO2存在環境污染問題；乙烯產率很低，氣流生成不穩，容易倒吸，存在安全隱患等。

許多學者針對這一實驗進行了改進研究。根據乙醇的分子間脫水以及分子內脫水機理（見圖1）［5］，在酸催化的作用下，羥基質子化，轉化為容易離去的基團水，同時形成碳正離子。較低溫度條件（140℃）下，另一個乙醇分子的氧原子進攻碳正離子，同時氫離子離去，發生親核取代生成乙醚；較高溫度條件（170℃）下，碳正離子的正電性增大了β碳原子與氫原子之間共價鍵的極性，較易失去一個質子，接著一對電子轉移到碳碳之間，中和正電荷發生消去反應生成乙烯。

那么，為什么高溫條件下更容易發生分子內脫水生成乙烯呢？在酸催化形成碳正離子的基礎上，親核取代斷裂O—H鍵、消去反應斷裂C—H鍵，O、 H間的電負性差值為1.4，C、 H間的電負性差值為0.4，O—H鍵的極性更大，較低溫度下即可斷裂生成乙醚。當溫度升高至170℃時，外界供給的能量已經能夠斷裂βC—H鍵，同時由于分子熱運動加劇，分子間距離變大，還有存在空間位阻等原因，使得分子內脫水生成乙烯比分子間脫水生成乙醚更容易發生［6］。

以上各步中，第二步生成碳正離子的速率最慢，是整個反應的決速步。有學者提出可使乙醇和濃硫酸提前混合并長時間靜置促使乙醇充分質子化脫去水分子，以縮短反應時間，然后再迅速升溫至170℃促使其發生分子內脫水生成乙烯。同時適當降低濃硫酸比例，以減少其帶來的炭化、氧化等副反應。實驗證明，取7.5mL乙醇和7.5mL濃硫酸1∶1混合并靜置超過12h，課堂實驗時，從開始加熱到檢驗乙烯性質完成（溴的四氯化碳溶液和酸性高錳酸鉀溶液退色）僅需6min左右，且炭化程度減小，不存在掛壁現象，乙烯產率增大，氣流穩定而充足，極大地提高了反應效率［7］。

1.2 乙醇和P2O5共熱制乙烯的不足與優化

P2O5具有強脫水性，將其與乙醇混合制乙烯，具有副反應少、反應速率快等優點。但由于P2O5具有強烈的腐蝕性和毒性，中學實驗室通常難以獲得。若將P2O5溶于乙醇，常溫下反應就立即發生，發出劇烈的“吱吱”聲響，放出大量的熱，體系溫度迅速升高至80℃以上［8］，乙醇迅速氣化（乙醇的沸點為78℃），試管中有大量白霧涌出。由于此時乙醇和P2O5反應主要生成磷酸酯，為無色液體，沸點較高［9，10］，因此產生的白霧主要是未反應的乙醇以及攜帶少量P2O5粉末，生成的乙烯很少，經堿液洗氣后很難使酸性高錳酸鉀溶液退色。陸燕海等人發現當溫度升高到150～160℃時，磷酸酯發生斷鍵，才能持續穩定地生成乙烯［11］。此外，若按教材所示用酒精燈直接加熱反應裝置，溫度較難控制，由于升溫較快會使反應液暴沸，伴隨乙醇大量氣化，氣體夾帶反應液可能會沖出試管，存在安全隱患。

另外，教材要求使用95%的乙醇進行實驗，這是因為此時P2O5會和少量溶劑水反應生成磷酸，氫離子的催化作用促使乙醇質子化繼而發生消去反應生成乙烯。同時，體系中的水又不能太多，否則過多的水將P2O5完全轉化為磷酸，無法使乙醇脫水成烯。實驗證實，只要保證乙醇的質量分數在90%以上，就能獲得很好的實驗效果［12］。

還有多位學者對教材實驗的裝置進行了改進。如由于原料一經混合反應就立即發生，會有大量乙醇氣化損失，因此可以通過分液漏斗添加乙醇，必要時還可以增加乙醇的冷凝回流裝置，以增大乙醇的利用率；通過硅油浴進行實驗，由于硅油黏度小易清潔，且燃點高，可使溫度平穩升高至200℃左右，能夠連續且平穩地產生乙烯，并使溴的四氯化碳溶液和酸性高錳酸鉀溶液退色，時間約3min，成功率很高［13］。

1.3 乙醇與濃硫酸或P2O5共熱制乙烯的方案比較

通過梳理乙醇與濃硫酸或P2O5共熱制乙烯的實驗方案，結合改進后的措施，兩種方案的優劣如表1所示，一線教師可根據實際需求和實驗室條件靈活進行實驗。

1.4 通過乙烯利與氫氧化鈉反應制乙烯

乙醇與濃硫酸或P2O5的共熱實驗均安排在后期選修階段乙醇的相關內容中，若在此之前課堂上要制取乙烯進行相關實驗時，還可以選擇更為簡便快捷的方式，即用40%的乙烯利水溶液和NaOH固體混合制取乙烯。

乙烯利，分子式為C2H6ClO3P，化學名稱為2氯乙基膦酸。生產生活中常用40%的乙烯利水溶液作為植物生長調節劑，催熟瓜果蔬菜。乙烯利在pH＜3的酸性溶液中比較穩定，在pH＞3的溶液中則分解釋放出乙烯［14］。因此，向40%的乙烯利水溶液中加入NaOH固體增大pH，常溫下即可快速制取乙烯，且幾乎不存在副反應，制備裝置簡單。反應的方程式為：

ClCH2CH2PO（OH）2+4NaOH

CH2CH2↑+Na3PO4+NaCl+3H2O

一般農業用乙烯利就可以滿足實驗要求，藥品獲取方便，網上即可自行購買，價格低廉且低毒友好。若要減慢反應速率，可將NaOH與水按照質量比為2∶1配成濃溶液，即可產生平穩的乙烯氣流［15］。

2 石蠟油分解實驗的優化及教材編排差異分析

現行三版教材必修2中，魯科版在“觀察·思考”欄目［16］、蘇教版在課后習題均設置了石蠟油分解實驗［17］。回溯上一版舊教材，人教版原先在“科學探究”欄目曾經設置這一實驗［18］，新教材刪去了［19］；魯科版原先并未安排此實驗［20］，新教材增加了；蘇教版新舊兩個版本則保持一致［21］。教材中石蠟油的分解實驗方案基本一致，即將浸透了石蠟油的礦渣棉放置于硬質玻璃管的底部，碎瓷片作為催化劑，通過給碎瓷片加強熱，石蠟油揮發的蒸氣通過熾熱的碎瓷片表面發生裂化及裂解，生成能使酸性高錳酸鉀溶液或溴的四氯化碳溶液退色的氣態烯烴。

很多教師在教學時存在疑問，為什么不將石蠟油分解實驗設置為“固體和液體加熱制取氣體”的典型裝置，而是要將硬質大試管橫置，分開放置反應物和催化劑呢？這是因為石蠟油的裂化溫度大約為500℃，裂解溫度大約為600℃，但石蠟油的沸點卻只有大約300℃［22］。倘若混合石蠟油和碎瓷片，體系溫度將維持在石蠟油的沸點附近，無法達到裂化或裂解成氣態烯烴所需的溫度。

按照教材方案進行實驗時存在一些不足。第一，實驗時間較長。教材中選用碎瓷片或素瓷片做催化劑（素瓷片是未上釉的瓷片），主要利用其中的Al2O3。Al2O3含量高的瓷片氣孔率低，反應物附著率低，催化效果一般；氣孔率高的瓷片Al2O3含量低，催化效果也一般［23］，導致實驗時間長達10min以上，不適用于課堂演示教學。第二，實驗產氣較少、現象不明顯，成功率較低。在用酒精燈加熱碎瓷片至裂化、裂解所需溫度的過程中，由于酒精燈升溫較慢，且反應前體系溫度就已經達到石蠟油的沸點，因此大量石蠟油會以蒸氣形式逸出，在經過碎瓷片時，還未達到反應溫度即已散失，導致產生烯烴的總量較小，實驗成功率低。

多位學者基于中學實際開展了改進研究。基于上述分析，教材方案的不足主要來源于兩個方面：一是催化劑效率較低，二是石蠟油蒸氣來不及反應即逸散損失。張思澳等將實驗方案改進為直接選取無水Al2O3作為催化劑，并將其提前加熱至裂化、裂解溫度，然后向其中逐滴滴加石蠟油并保持石蠟油不沒過催化劑（保證催化劑表面溫度），結果表明大約1min產生的氣體即可使酸性高錳酸鉀溶液或溴的四氯化碳溶液退色［24］。周夢茜等在此基礎上通過給酒精燈外加防風罩，以提高加熱效率，并將催化劑改為3g MnO2粉末進行實驗，結果顯示5s產生的氣體即可使酸性高錳酸鉀溶液退色［25］。但在選用MnO2進行實驗時，需要注意的是，MnO2因其氧化性助燃以及可能分解產生氧氣的特點，在與可燃的石蠟油共熱時存在爆炸風險，因此課堂實驗時應格外注意，盡量避免［26］。

除了實驗本身，還應關注新、舊以及不同版本的教材對于石蠟油分解實驗的處理。嘗試揣摩編者意圖，認為人教版刪去這一實驗，可能一方面由于課堂實施難度較大，另一方面由于其對學生學習乙烯性質的必要性不強，因此弱化處理。而新魯科版教材增加石蠟油分解實驗的目的主要在于通過酸性高錳酸鉀溶液和溴的四氯化碳溶液退色證明生成物具有與烷烴不同的性質，從而引出烯烴代表物（即乙烯）的學習。新舊兩版蘇教版教材將其設置為課后習題，且沒有給出實驗方案，因此并不要求課堂上進行相關實驗。實際教學中，一線教師可以根據自己的教學設計和現實條件靈活選擇石蠟油分解實驗是否實施以及如何實施，以促進學生的認知發展作為最終旨歸。

3 乙烯氧化反應和加成反應的知識拓展

3.1 乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應的產物

現行三版教材必修2在介紹乙烯與酸性高錳酸鉀溶液的反應時，均只提及乙烯被酸性高錳酸鉀溶液氧化，并未涉及具體生成物。人教版選擇性必修3在第三章第五節“有機合成”中列出了各類有機物與酸性高錳酸鉀溶液反應的方程式，見圖2［27］。魯科版選擇性必修3在“烯烴和炔烴及其性質”部分中也明確提到：“烯烴在酸性KMnO4溶液的作用下，分子中的不飽和鍵完全斷裂時生成羧酸、二氧化碳或酮。用酸性KMnO4溶液氧化碳碳雙鍵可以縮短碳鏈。［28］”

具體來講，當烯烴與酸性高錳酸鉀溶液反應時，若為冷的高錳酸鉀溶液，在中性或稀堿性條件下，烯烴會被氧化為鄰位二醇，自身被還原為MnO2。但用高錳酸鉀做氧化劑時，通常會在氧化性更強的酸性條件下，這時“CH2”會被氧化為CO2，“RCH”會被氧化為羧酸RCOOH，“R2C”會被氧化為酮R2CO，自身被還原為Mn2+。因此，乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應的產物即為CO2和Mn2+［29］。必修階段學生普遍關注反應產物，且乙烯作為學生剛剛學完各類無機物后新接觸的有機物，其與酸性高錳酸鉀溶液反應的方程式運用無機氧化還原原理完全可以理解，相關除雜習題中也屢屢涉及乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應氧化產物的問題，因此實際教學中教師在保證知識科學性和準確性，并不超越學生現有認知的基礎上可以對乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應的方程式進行適當補充，未來在學習選擇性必修3關于有機合成的相關內容時可將知識貫通處理，促進知識的系統化和結構化。

3.2 乙烯與溴在不同溶劑中加成反應的差異

三版教材在呈現乙烯與鹵素單質的加成反應時，均選取乙烯與溴的四氯化碳溶液的反應作為實例。關于烯烴和鹵素的加成反應，在室溫和惰性溶劑中，反應速率就已經很快，立即便能看到溶液退色，生成鄰二鹵代烴。不同鹵素的反應活性為F2＞Cl2＞Br2＞I2，其中F2與烯烴的反應過于激烈，易使碳鏈斷開；Cl2與烯烴的反應也很激烈，工業上常采用溶劑稀釋以及添加負催化劑的方法調控反應平穩進行；I2與烯烴為可逆反應，且平衡傾向于生成烯烴的一邊。因此，中學課堂演示加成反應實驗時選取Br2最為合適［30］。

一線教師在講解乙烯和溴的加成反應時，常常將溴水和溴的四氯化碳溶液混為一談。要厘清此問題，首先要清楚乙烯和Br2的加成機理（見圖3）。乙烯與Br2的反應屬于親電加成，Br2在乙烯π電子的誘導下發生極化，靠近π電子的一端呈正電性，遠離π電子的一端呈負電性。其中呈正電性的溴原子進攻乙烯碳碳雙鍵間的π電子形成π絡合物，轉化為環狀溴鎓離子，同時另一個呈負電性的溴原子以Br－的形式離去。接著，Br－從溴鎓離子三元環的反面與碳原子結合，促使三元環打開，進而生成1，2二溴乙烷［31］。這一過程中，四氯化碳作為溶劑起提供反應介質的作用，由于乙烯和Br2都是非極性分子，都易溶于非極性溶劑四氯化碳中，像這樣反應物處于同一相中能夠加快反應速率。

如果是乙烯與溴水反應，由于水是極性溶劑，更有利于極化Br2異裂為陰陽離子，促使反應進行。此外，體系中除Br－外還存在大量水分子，兩者均可以作為親核試劑進攻溴鎓正離子，得到1，2二溴乙烷和2溴乙醇的混合物，實驗中幾乎看不到油狀液滴生成且反應溶液的pH明顯下降，可知主要產物為2溴乙醇（同時生成HBr）。因此，一線教師在表述乙烯與溴在不同溶劑中的反應實質及產物時，切勿一概而論，出現科學性錯誤。

4 乙烯結構中的鍵角

人教版選擇性必修3在呈現乙烯結構時如圖4所示，其中鍵角∠HCH及∠HCC均標注為120°［32］。

對于含有重鍵的分子來說，π鍵電子對雖然不能決定分子的基本構型，但對鍵角有一定影響。由于電子云密度越大，排斥力越強，因此通常單鍵與單鍵之間的鍵角較小，單鍵與雙鍵、雙鍵與雙鍵之間的鍵角較大。乙烯分子中，由于重鍵的存在，負電荷更為集中，使鍵角∠HCH略小于120°。資料顯示，乙烯的鍵角∠HCH及∠HCC分別為121.6°和116.7°（見圖5），并指出“鍵角之間的這種差別是由于鍵的不等同性而引起的”［33］。

那么人教版教材關于乙烯鍵角的簡化標注是否合理呢？如表2所示，乙烯鍵角的偏差程度與NH3接近，而NH3鍵角的偏差是“物質結構與性質”模塊學習的重點。因此，乙烯鍵角角度偏差的絕對值及相對比例并非小到可以忽略。由于“有機化學基礎”模塊的學習位于“物質結構與性質”模塊之后，此時學生已經可以理解乙烯的鍵角相對于VSEPR模型出現偏差的原因。因此此處乙烯的鍵角不建議簡化標注，教師在課堂上也應給予更正。

5 結語

教材是課程的載體，是教師教學的直接依據，也是學生獲取信息的重要來源。教材的編寫具有權威性和普適性，一綱多本的教材編寫模式也為教材的創新性呈現提供了更大的空間。一線教師需在實際教學過程中，在熟讀本地區版本教材的基礎上，鼓勵借鑒不同版本、不同年代甚至不同國家的教材內容，從中體會教材變遷和組織的邏輯脈絡與價值功能，并對其進行優勢整合，以便更好地服務于教學。同時，在廣泛的教學實踐中，要秉持一種開放、好奇與懷疑的心態，善于發現、勇于質疑，用批判性的眼光去審視教材中的內容。通過開展實驗和調查，閱讀相關專業書籍、學術論文等多種渠道對教材內容進行不斷地驗證、補充和完善，充分挖掘教材的育人價值。

參考文獻：

［1］［27］［32］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學選擇性必修3·有機化學基礎［M］. 北京： 人民教育出版社， 2021： 61～62， 85， 34.

［2］［28］王磊主編. 普通高中教科書·化學選擇性必修3·有機化學基礎［M］. 濟南： 山東科學技術出版社， 2021： 52， 31.

［3］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學選擇性必修3·有機化學基礎［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2021： 81.

［4］［5］［33］邢其毅， 裴偉偉， 徐瑞秋， 裴堅. 基礎有機化學（第4版）［M］. 北京： 北京大學出版社， 2016： 291， 338.

［6］侯月芳. 乙醇在濃硫酸催化下， 溫度不同產物不同之因探析［J］. 天津職業院校聯合學報， 2014， 16（2）： 59～61.

［7］王宇鳳， 敬鰻力. 高中化學實驗的項目式教學——乙醇消去反應制備乙烯的實驗探究［J］. 化學教育（中英文）， 2021， 42（13）： 21～27.

［8］陳雨， 丁偉. P2O5催化乙醇脫水反應實驗改進［J］. 化學教學， 2015， （6）： 65～67.

［9］項斯芬， 嚴宣申， 曹庭禮等. 無機化學第四卷［M］. 北京： 科學出版社， 1995： 266.

［10］馬世昌. 化學物質辭典［M］. 西安： 陜西科學技術出版社， 2002： 911～913.

［11］［12］陸燕海， 王強. P2O5催化乙醇制乙烯實驗反應條件的探究［J］. 化學教學， 2010， （8）： 14～16.

［13］程素芳， 王慧. 五氧化二磷催化乙醇脫水反應制乙烯實驗的改進［J］. 化學教學， 2021， （10）： 68～70.

［14］黃勇良. 用乙烯利制備乙烯的方法［J］. 化學教學， 2012， （7）： 46～47.

［15］應春曉. 乙烯性質實驗的再改進［J］. 化學教學， 2019， （4）： 69～71.

［16］王磊主編. 普通高中教科書·化學必修2［M］. 濟南： 山東科學技術出版社， 2021： 92.

［17］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學必修2［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2021： 68.

［18］宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學必修2［M］. 北京： 人民教育出版社， 2004： 67.

［19］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學必修2［M］. 北京： 人民教育出版社， 2021： 67～68.

［20］王磊主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）［M］. 濟南： 山東科學技術出版社， 2004： 66～69.

［21］王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）［M］. 南京： 江蘇教育出版社， 2004： 68.

［22］［25］周夢茜， 景一丹， 肖小明. 石蠟油分解實驗改進——以人教版、魯科版和蘇教版為例［J］. 化學教與學， 2019， （1）： 85～86.

［23］梁弘文， 武衍杰， 馮求榮. 石蠟油分解制乙烯實驗改進［J］. 教育與裝備研究， 2020， 36（8）： 40～42.

［24］張思澳， 王繼璋. 石蠟油分解演示實驗改進［J］. 化學教學， 2016， （6）： 63～65.

［26］朱馬爾. 石蠟油催化裂化改進實驗中使用MnO2催化之風險［J］. 中學化學教學參考， 2023， （4）： 34～35.

［29］［30］尹冬冬. 有機化學上冊（2版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2010： 83～85.

［31］王彥廣等. 有機化學（ 4版）［M］.北京： 化學工業出版社， 2020： 95～97.