宏观+微观视角下结合NMR技术的酯化反应教学

郭 怡 李雅琳 郑卫新

（杭州师范大学 浙江杭州 311121）

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“课标”）中明确提出“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养，要求学生能从物质的性质、存在状态及反应现象等宏观表现探究、推演分子、原子层面的物质组成、结构、性质及变化规律等微观性质［1］。国家教材委员会专家委员会于2019 年审核通过最新版人民教育出版社（以下简称“人教版”）高中化学教材。与人教版教材（2004年）相比，新版教材对多处表述进行调整。以“乙酸乙酯的制备实验”为例（表1），新版教材将该知识点标题改为“酯化反应”，可以减小学生将该反应仅视为个别化合物的化学性质而忽略有机化合物结构、性质的系统性与内在联系规律性的认知偏差（序号1）；关于判定乙酸乙酯形成的表述从原有直接从感官获得的常识性认知“不溶于水”转而引导学生探寻物质“无色透明”“上层”等更具有学科特色的性质（序号2）；反应的化学方程式中，乙醇分子式的“O”与“H”之间短横去掉以突出醇类化合物特征官能团羟基“—OH”整体性及共性，从而引导学生从物质结构特征理解有机化学反应的基本规律。以上几点充分说明新版教材对“宏观辨识与微观探析”的学科素养课程目标的体现与强化。基于此，在实验教学中引导学生逐渐形成宏观+微观多元学习视角是该核心素养发展的重要前提。

表1 新旧版本教材内容变化的对比

受认知结构与客观条件局限，观察法是中学阶段学生在实验学习中的主要方法。学生通过多维度感官以看、听、嗅、触等方式获取化学反应过程中产生的色、形、声、沉淀和气泡形成等信息，在最近发展区内［2］运用已有认知推测反应微观本质。然而，这些宏观信息往往是化学反应中的伴随现象，学生需要在观察到的“宏观现象”与物质“微观反应实质”之间架起桥梁以掌握化学反应知识点［3］。以“酯化反应”为例，学生在进入这部分知识点之前已经学过可逆反应的概念及部分可逆无机反应，如“氮气与氢气生成氨气”，已初步掌握“可逆”这一概念基本特征。在实验教学中，学生通过观察法可以看到由于乙酸乙酯与水不互溶反应体系逐渐分为两相，通过扇闻嗅到异于原料乙醇、乙酸的气味。这些信息仅限于产物乙酸乙酯的非独有性宏观性质，学生无法获得关于可逆反应动态平衡的建立及维持过程内在规律的有效认知，从而无法将化学反应真正“内化”，也很难理解反应微观实质所关联的化学反应规律，导致学习存在客观性难度，影响知识理解、应用与迁移［4］。因此，在观察法基础上，若能将可逆反应的微观实质通过数据、图形等方式进行可视化，将有助于学生从宏观和微观相结合的多元视角把握物质特性和反应规律，从而达成在实验教学中培养学生学科核心素养的目标要求。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中“化学与社会发展”主题阐述了化学学科与社会新技术、生产生活、生态环境等方面的联系——“化学科学与技术的不断创新和发展是解决人类社会发展中遇到问题的有效途径”［1］。随着现代科学技术的发展，物质结构这一微观信息可以通过特征性数据、图像等可视化形式进行展示。基于此，结合核磁共振波谱数据和温度传感器开展“酯化反应”实验教学，以详实数据及图表将反应微观本质进行可视化，作为宏观素材引导学生在数据解析中理解和把握微观视角的可逆有机反应一般规律，基于宏观+微观多元视角开展化学实验教学，引导学生逐渐形成“宏观辨识与微观探析”学科核心素养。

二、实验教学方案与研究结果

“酯化反应”是高中化学中学生接触到的第一个有机可逆反应，要求学生掌握乙酸、乙醇作用生成乙酸乙酯是可逆反应过程，即两个反方向的反应在同一条件下可同时进行，反应不能进行到底，经过一定时间后达到动态平衡。学生应掌握和应用“化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到的或完成的最大程度”“任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定限度”“改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度”等化学反应速率与限度的知识［5～7］。为突破酯化反应实验现象的非独有性宏观性质（液体分层、气味等）的局限性，利用核磁共振氢谱技术和温度传感器对酯化反应的反应物和生成物比例变化及体系温度进行追踪以获得相关可视化数据、图形实验结果，通过数据分析对乙酸、乙醇两种物质等量、分别过量时的反应历程进行探究。

1.不同投料比例下对反应历程的探究

［实验1］乙醇、乙酸等量：在配置磁力搅拌的25 mL 圆底烧瓶中依次滴加4 mL乙酸和4 mL无水乙醇，混合均匀后在搅拌下以1 d/s滴加1 mL浓硫酸，加完后继续搅拌5 min，取样品1a；安装回流冷凝管，将圆底烧瓶置于油浴中加热回流。按表2中对应加热时长取样品1b-1e。

表2 不同投料比例下乙醇、乙酸、乙酸乙酯三者百分含量的对比

［实验2］乙醇过量：改变乙醇用量为6 mL，其余条件不变，重复实验1 步骤。按表2 中对应加热时长取样品2a-2e。

［实验3］乙酸过量：改变乙酸用量为6 mL，其余条件不变，重复实验1 步骤。按表2 中对应加热时长取样品3a-3e。

对样品1a-1e、2a-2e、3a-3e进行核磁共振氢谱检测（氘代氯仿为溶剂，四甲基硅烷为内标），对图谱中每种组分对应的吸收峰进行峰面积积分，比较不同反应进程下乙醇、乙酸、乙酸乙酯的比例（表2）。

由表2可知，乙醇、乙酸、浓硫酸混合均匀后至加热50分钟整个过程中，所有采集的样品中乙醇、乙酸及乙酸乙酯均同时存在，可以直观验证“反应不能进行到底”这一特征。实验2、3中乙酸乙酯含量均高于实验1，学生可以根据实验数据得出“分别提高各个原料的量均可以使平衡向右移动”的结论，为“改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度［3］”这一可逆反应的性质提供直观证据。学生通过数值比较可以发现实验2 中乙酸乙酯的比例要高于实验3，说明乙醇过量的条件下平衡向正反应方向移动的程度更大，这一结果是观察法所无法获得的，教师由此进行知识拓展教学，引导学生思考调控反应条件在工业生产中的应用及意义。核磁检测结果将抽象而无法观察到的反应本质通过数据实现可视化，学生可对量化结果进行宏观辨识，在实验数据支持下微观反应的本质利于学生开展微观探析，学生不仅在学习中拓宽视野，还能在理论学习中更好地联结化学学科知识与社会生产生活实际，利于化学学科思维形成。

值得注意的是，表2 中每个实验的第一个样品中均检测到乙酸乙酯，即在油浴加热前酯化反应已经发生（1a-3a）。比较不同加热时间后各实验中三种物质的比例发现，在加热10 min 时已经基本达到平衡，实验1、2、3 中的乙酸乙酯含量分别处于81%-84%（1b-1e）、83%-85%（2b-2e）和57%-60%（3b-3e）之间，由不同时段取样的物质比例的微小变化可以推测出，可逆反应的基本特点之一——“任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定限度”［7］。由此可知在不同的投料比例下，反应持续一定时间后体系中三种物质的比例在固定范围内达到平衡，仅存在细微变化，说明这是动态平衡，正、逆反应仍在不断进行。

2.温度对酯化反应的影响

在“酯化反应”演示实验中，根据教材“用酒精灯加热”是必不可少的环节。然而，从表2中实验结果可知，在乙醇与乙酸的混合物中加入浓硫酸搅拌均匀后，未开始加热体系中即有乙酸乙酯形成。因此，利用内置温度传感器记录反应体系实时温度以进一步探究反应过程中的温度变化及其对酯化反应的影响，建立温度与反应平衡之间的关系（实验4）。

［实验4］在100 mL三颈烧瓶中插入温度传感器，配置磁力搅拌，依次加入2.52 mL乙酸和2.59 mL无水乙醇，在搅拌下滴加0.5 mL浓硫酸，待温度不再上升，将装上回流冷凝管的三颈烧瓶置于95 ℃油浴中加热回流并用温度传感器跟踪反应温度变化（图1）。

图1 酯化反应过程中体系温度变化

从图1可知，未加入浓硫酸前，乙醇与乙酸混合物温度稳定在室温（4a→4b）。室温下搅拌均匀后（t=2 min）加入浓硫酸（4b），在400转/分钟转速搅拌下体系温度急剧上升（4b→4d）。持续搅拌4 min（4b→4d），过程中体系温度到达44.20 ℃峰值后开始缓慢下降（4d→4e），将反应瓶放入预热至95.00 ℃的油浴中（t=6 min，4e），体系温度持续升高后稳定在82.00 ℃（t=20 min，4f），结合表2的数据可知此时反应已达到动态平衡，体系中三种物质比例相对稳定，混合体系温度保持基本恒定。由于浓硫酸加入后放热使体系温度已达到酯化反应的阈值，因此在加入浓硫酸后未加热时已经检测到乙酸乙酯。

此外，通过传感器获得的温度曲线还为浓硫酸与反应物充分混合放热这一实验现象提供定量及可视化证据（4b→4d），曲线陡峭并且4c斜率较大说明这是一个急骤大量放热过程，不仅让学生形象地认识这一过程，还可据此开展实验安全教育，培养学科基本素养。

以上实验数据可用于实验教学与学生拓展学习，以加深学生对于可逆反应规律的理解，建立化学知识与社会生产生活之间的联系，引导学生形成宏观+微观多元学习视角，以上述实验结果为基础设计题目，诊断学生对于“酯化反应”及“化学平衡”概念的理解和应用（表3）。

表3 基于酯化反应实验教学的题目设计及评价目标

三、教学反思与启示

利用核磁共振氢谱技术和温度传感器开展实验教学，为学生学习“酯化反应”提供崭新的宏观+微观多元化视角。在酯化反应及与之相关的化学反应限度和影响因素的教学过程中，通过观察获得物质宏观特征，并设计实验1-4及基于实验结果设计的过程性评价，用可视化数据、图形反映化学反应微观实质。量化数据可弥补学生对于抽象的可逆反应过程实质认知途径及依据单一的缺陷，在帮助学生深度理解可逆反应原理及掌握一般规律的同时，拓展学生的学习空间与探究视野，引导学生从“宏观+微观”多元视角理解化学反应。

教师在教学时以发展化学学科核心素养为主旨，引入精密仪器，通过图像、数字化信息等形式对化学反应微观本质变化进行定量、可视化展示，实验数据可用于课堂教学以优化实验教学内容，构建发展化学学科核心素养的高中化学课程目标体系，为学生从多元视角学习提供机会。将实验数据用于实验教学的过程性评价，通过收集与分析学生在实验过程和课堂测验中的表现，了解学生在课堂学习中对酯化反应以及可逆反应中化学平衡的建立的理解程度，诊断学生“宏观辨识与微观探析”这一核心素养的发展情况，从而为教学改进提供依据。

四、总结

顺应科技发展趋势，在教学中有机融入科学社会发展中的新技术成果，既是对实验教学方法的多元化创新，又能在保证学生基础认知的前提下，引导他们建立“宏观+微观”多元视角思考和学习的化学学科思维，为构建学生科学认知教学目标的高质量达成提供新思路。新技术可激发学生学习兴趣，促进学生核心素养多元发展，不仅是基础教育顺应时代发展的必要途径，也是不断实现教学创新的突破口，具有可持续发展的优势。