利用數(shù)字化實驗，發(fā)展高中生證據(jù)推理素養(yǎng)

王彥迪 黎秀梅 李志敏

摘要：采用乙醇傳感器測定乙酸乙酯水解過程中，液體上方乙醇濃度的變化以及產(chǎn)生乙醇的速率，分析不同條件對乙酸乙酯水解反應(yīng)的影響。實驗精準(zhǔn)地采集數(shù)據(jù)，且具有實時、可視化特點。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗；數(shù)字化實驗；證據(jù)推理

文章編號：1008-0546（2022）12x-0088-04

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.2x.022

一、研究背景

2019人教版選擇性必修3第三章第四節(jié)“羧酸羧酸衍生物”的探究活動中要求學(xué)生設(shè)計實驗，探究乙酸乙酯在中性、酸性和堿性溶液中的水解速率。[1]教材給予的提示是可以通過酯層消失的時間差異來判斷乙酸乙酯在不同條件下水解速率的差別。但此方案耗時較長，且有機層與水層均為無色，觀察實驗現(xiàn)象有一定困難。因此，本實驗設(shè)計了利用乙醇傳感器對水解產(chǎn)物乙醇進行定量測定，從而得出實驗結(jié)論。同時，本實驗是控制變量法教學(xué)的一個很好載體，通過乙酸乙酯水解條件的設(shè)計與探究，可以讓學(xué)生真實地體會到控制實驗條件是科學(xué)研究中的重要方法。

二、實驗設(shè)計和實施

1．實驗原理

利用乙醇傳感器測量乙酸乙酯水解時的乙醇蒸氣濃度曲線，通過比較曲線斜率，表征不同條件下乙酸乙酯水解的速率，解決定性實驗不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯栴}。[2]

乙酸乙酯與稀硫酸、氫氧化鈉的反應(yīng)機理如下：乙酸乙酯在中性條件下難水解，在堿性條件下水解比在酸性條件下快，而且是相對比較徹底的，在酸性條件下乙酸乙酯的水解是可逆的。

2．實驗試劑與儀器

實驗試劑：乙酸乙酯（分析純）、紫色石蕊溶液、蒸餾水、H2SO4溶液（濃度分別為：0.25 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、1.25 mol/L、1.75 mol/L）、NaOH溶液（濃度分別為：0.5 mol/L、1 mol/L、1.5 mol/L、2 mol/L、2.5 mol/L）、有機試劑專用洗滌劑。

實驗儀器：乙醇傳感器、數(shù)據(jù)采集器、平板電腦、泡沫固定板、10 mL注射器、橡膠塞、恒溫水浴鍋、鐵架臺、量筒、雙頸燒瓶、三頸燒瓶、燒杯。

3．實驗步驟

（1）定性實驗

分別取蒸餾水2 mL、0.25 mol/L H2S04溶液2 mL、0.5 mol/L NaOH溶液2 mL，加入自制反應(yīng)器中。向三支反應(yīng)器分別滴加2滴石蕊溶液。向三支反應(yīng)器各加乙酸乙酯2 mL，將反應(yīng)器放人75℃的恒溫水浴鍋加熱。20 min后，取出反應(yīng)器，冷卻，觀察酯層變化。

（2）定量實驗

用導(dǎo)管連接雙頸燒瓶和三頸燒瓶，塞緊膠塞，插入乙醇傳感器（已預(yù)熱10min），連接好裝置，檢驗裝置氣密性。在雙頸燒瓶中加入30 mL蒸餾水，再加入30 mL乙酸乙酯。把雙頸燒瓶放入75℃的恒溫水浴鍋中加熱。采集數(shù)據(jù)10min。取下雙頸燒瓶和三頸燒瓶．洗滌，確保雙頸燒瓶、三頸燒瓶及導(dǎo)管中無乙酸乙酯及乙醇?xì)埩簦鼡Q新的乙醇傳感器膠帶。在雙頸燒瓶中依次加入不同濃度的H2S04溶液、NaOH溶液和乙酸乙酯，重復(fù)上述操作，測量乙酸乙酯在不同濃度H2SO4溶液和不同濃度NaOH溶液下的水解時的乙醇蒸氣濃度一時間曲線。

三、實驗結(jié)果分析

1．定性實驗

定性實驗結(jié)果記錄如表1所示。

2．定量實驗

（1）乙酸乙酯在中性條件下的水解定量實驗

分析圖3曲線及數(shù)據(jù)得知：

10 min內(nèi)，乙醇濃度從0.010%緩慢上升至16.911%，說明乙酸乙酯在蒸餾水、75℃水浴加熱下，能夠水解產(chǎn)生乙醇，但水解比較緩慢。

CH3COOCH2CH3+H2O==CH3COOH+CH3CH20H

（2）乙酸乙酯在酸性條件下的水解定量實驗

分析圖4曲線及數(shù)據(jù)得知：

①在稀硫酸條件下乙醇濃度變化值均比在蒸餾水條件下的大。

②100 s-200 s內(nèi)，乙醇濃度上升較快，其他時間上升緩慢，且250 s后基本保持不變。

③0.5 mol/L和0.75 mol/L的H2SO4溶液條件下，曲線斜率較大，其次為1 mol/L和1.25 mol/L，最后是0.25 mol/L的H2SO4溶液。

由此可得知以下結(jié)論：

①酸性條件下乙酸乙酯水解程度較蒸餾水條件下的大，酸對乙酸乙酯水解反應(yīng)可以起到催化作用：

②乙醇濃度一時間曲線斜率較大，說明在這兩個條件下，乙酸乙酯的水解速率較快。

③曲線250 s后保持不變原因是乙酸乙酯在酸性條件下的水解反應(yīng)為可逆反應(yīng)，達到動態(tài)平衡。

（3）乙酸乙酯在堿性條件下的水解定量實驗

分析圖5曲線及數(shù)據(jù)得知：

①在NaOH條件下乙醇濃度變化值均比在蒸餾水條件下的大。

②開始時，曲線變化迅速，隨著時間增加，變化緩慢，最后保持不變。

③NaOH溶液濃度越大，曲線斜率越大，曲線越快保持不變。

由此可得知以下結(jié)論：

①堿對乙酸乙酯水解反應(yīng)起催化作用，且催化速率很快。

②曲線變緩原因是隨著反應(yīng)的進行，堿與乙酸發(fā)生了中和反應(yīng)，從而使堿的濃度減小。根據(jù)乙酸乙酯在堿性條件下水解的反應(yīng)機理可知，第一步為慢反應(yīng)，即決定速度步驟，與OH-濃度有關(guān)，所以發(fā)生中和反應(yīng)雖然能促進水解平衡向正向移動，但其促進作用要比堿濃度減小所引起堿的催化作用降低產(chǎn)生的影響小得多。

③曲線后期保持不變原因是該實驗中乙酸乙酯與氫氧化鈉均量取了30 mL，經(jīng)計算，乙酸乙酯約為0.3 mol，NaOH物質(zhì)的量最大為0.075 mol。因此，NaOH量不足，后期相當(dāng)于乙酸乙酯在水中水解。為此，進行了如下補充實驗：取7 mL乙酸乙酯與30 mL2.5 mol/L NaOH溶液（即等物質(zhì)的量）混合，在水浴75℃下加熱，采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)圖如圖6所示。

A-B段表明在250 s內(nèi)，2.5 mol/L NaOH溶液可使乙酸乙酯完全水解。B-C段表明7 mL乙酸乙酯已完全水解，故裝置內(nèi)無乙醇蒸氣產(chǎn)生，在冷水浴下，三頸燒瓶內(nèi)原有的少量乙醇蒸氣迅速冷凝，故濃度下降明顯。對比前11組實驗的曲線變化，可確定B-C段乙醇濃度下降明顯，受75℃下蒸發(fā)出來的水蒸氣影響不大。綜上所述，可證明乙酸乙酯在堿性條件下的水解是相對比較徹底的。

CH3COOCH2CH3+NaOH-△→CH3COONa+CH3CH20H

（4）乙酸乙酯在同濃度酸、堿條件下的水解定量對比實驗

分析圖7曲線及數(shù)據(jù)得知：堿性溶液水解速率最快，其次為酸性水解，中性最為緩慢。

3．實驗結(jié)論

乙酸乙酯的水解在中性、酸性和堿性溶液中：

（1）在堿性溶液中水解速率最快，其次為酸性條件下水解，中性條件下最為緩慢。

（2）酸催化時，酸的濃度不宜過小或過大。

（3）堿催化時，堿的濃度越大，水解速率越大。

四、實驗反思

能否利用其他傳感器，多角度衡量乙酸乙酯在不同酸堿環(huán)境中的水解速率？實驗初期，本小組計劃利用pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器依次對乙酸乙酯在不同環(huán)境的水解速率進行探究。[3]實踐過程發(fā)現(xiàn)，在酸性和中性條件下，乙酸乙酯水解10 min，pH變化不明顯，而電導(dǎo)率受干擾因素較多導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等。究其原因，本實驗條件采用75℃水浴加熱，此條件下，無法忽略溫度對水的電離的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不具有說服力。并且該實驗為有機相與無機相混合的實驗，也對溶液的pH和電導(dǎo)率測定造成較大影響。

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，有研究者使用色度傳感器探究酯的水解過程，[4]這是本小組后期可以繼續(xù)嘗試的方向，爭取從多角度同時測定酯的水解速率。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[s]．北京：人民教育出版社，2018．

[2]麥裕華，錢揚義，“中學(xué)化學(xué)手持技術(shù)數(shù)字化實驗案例”的多維分析[J]．化學(xué)教育，2020，41（19）：83-89.

[3]陳秋伶，錢揚義，麥裕華，等．利用手持技術(shù)數(shù)字化實驗促進學(xué)生原電池概念認(rèn)知[J]．化學(xué)教育，2020，41（01）：67- 73．

[4]唐增富．用乙醇傳感器感受酯的水解[J]。中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（23）：28-30