运用混浊度传感器探究1溴丁烷和硝酸银溶液的反应

佘平平　刘然

摘要： 利用数据采集器结合混浊度传感器探究AgNO3溶液和1溴丁烷反应，讨论银离子、硝酸根离子、酸度、溶剂对1溴丁烷和AgNO3溶液反应的影响，推测可能的反应机理。实验发现，硝酸根浓度、酸度对1溴丁烷和AgNO3溶液反应的速率几乎无影响；银离子浓度显著影响1溴丁烷和AgNO3溶液反应的速率；溶剂对1溴丁烷的溶解性有影响进而影响1溴丁烷和AgNO3溶液的反应速率。从实验结果看，银离子帮助碳溴键断裂是1溴丁烷和AgNO3溶液反应的主要动力，反应符合单分子亲核取代历程。

关键词： 混浊度传感器； 1溴丁烷； 硝酸银； 反应机理； 实验探究

文章编号： 10056629（2023）10007404 中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题的提出

卤代烃在生产和生活中应用广泛，其结构和性质的特点对于发展学生化学学科核心素养具有一定的教学价值，是中学有机化学基础的主要内容之一。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中明確要求“认识卤代烃的组成和结构特点、性质、转化关系及其在生产、生活中的重要应用”［1］。2020年人教版选择性必修3《有机化学基础》教材中卤代烃相关实验的代表物从溴乙烷改成了1溴丁烷。

在教学过程中，笔者问学生如何证明1溴丁烷与水能否发生反应（水解）？演示实验将1溴丁烷和AgNO3水溶液直接混合，几分钟后观察到明显的浅黄色沉淀。这个现象是否能说明1溴丁烷与水发生了反应？有的同学认为可以，有的同学认为不行。

有学者向溴乙烷中加入AgNO3溶液，观察到明显的浅黄色或乳白色沉淀。文献解释［2，3］：AgNO3可以加快溴乙烷水解反应的速率或促进水解平衡的正向移动。溴乙烷与水反应了吗？AgNO3的作用是什么？文献没有提供实验证据。

利用图1所示数据采集器结合混浊度传感器监测AgBr沉淀产生，从而探究二者反应的原因。引入数字化实验，实时监测和记录数据，避免错过重要的过程性数据，便于微观过程的外显和可视化，提高教学效率［4］。

2 实验内容

分别配制10mL 0.1mol/L硝酸银水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸银和0.2mol/L硝酸钠混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸银和0.4mol/L硝酸钠混合水溶液、10mL 0.3mol/L硝酸银水溶液，10mL 0.5mol/L硝酸银水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸银和0.4mol/L硝酸混合水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸银溶液（乙醇/水=2∶8）、10mL 0.1mol/L硝酸银溶液（乙醇/水=4∶6）、10mL 0.1mol/L硝酸银溶液（乙醇/水=6∶4）、10mL 0.1mol/L硝酸银的乙醇溶液。

用量筒量取7mL 1溴丁烷加入与传感器配套的比色瓶，再将10mL硝酸银溶液加入比色瓶，盖盖后摇匀，迅速将比色瓶放入密闭检测器，在室温下，利用数据采集器结合混浊度传感器记录体系的混浊度随时间变化的情况。对于混浊度变化很小的体系，连续30秒混浊度不变后读数。对于有混浊度变化的体系，设定混浊度670NTU为观测指标，混浊度达到670NTU时，停止检测，记录时间。

3 结果与讨论

3.1 水和1溴丁烷的反应

硝酸银水溶液的主要微粒有硝酸根离子、银离子、水分子。首先探究水和1溴丁烷是否有明显的反应。量取7mL 1溴丁烷加入细口瓶，再加入10mL水，盖上瓶塞摇匀放置。48小时后，取出7mL上层清液加入传感器配套比色瓶，再将10mL硝酸银溶液加入比色瓶，盖盖后摇匀，无明显现象，迅速将比色瓶放入密闭检测器，测得混浊度为26.5NTU。用蒸馏水做对照实验，取7mL蒸馏水加入传感器配套比色瓶，再将10mL硝酸银溶液加入比色瓶，盖盖后摇匀，迅速将比色瓶放入密闭检测器，测得混浊度为10.4NTU。实验结果表明，水和1溴丁烷室温下混合48小时无明显反应。

3.2 硝酸根浓度对AgNO3水溶液和1溴丁烷反应的影响

室温（22℃）下，用混浊度传感器（TRBBTA）探究不同硝酸根浓度的AgNO3水溶液和1溴丁烷反应。控制硝酸银浓度均为0.1mol/L，用硝酸钠调节硝酸根的浓度，实验采用10mL 0.1mol/L硝酸银水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸银和0.2mol/L硝酸钠混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸银和0.4mol/L硝酸钠混合水溶液，即硝酸根浓度分别为0.1mol/L、 0.3mol/L和0.5mol/L。设定混浊度670NTU为观测指标，观察到达该混浊度需要的时间。

从图2可以看出，硝酸根浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L时，体系的混浊度达到670NTU，需要的时间相差不大。不难看出，硝酸根浓度几乎不影响AgNO3水溶液和1溴丁烷的反应。

3.3 银离子浓度对AgNO3水溶液和1溴丁烷反应的影响

室温（22℃）下，用混浊度传感器探究不同浓度AgNO3水溶液和1溴丁烷反应。上述图2结果显示硝酸根浓度对AgNO3水溶液和1溴丁烷反应几乎无影响。而不同浓度的AgNO3水溶液和1溴丁烷的反应则体现了银离子浓度对该反应的影响。银离子浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L，设定混浊度670NTU为观测指标，观察到达该混浊度需要的时间，实验结果见图3。

从图3可以看出，银离子浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L和0.5mol/L时，反应的混浊度达到670NTU，需要的时间有明显差异，银离子浓度越大需要的时间越短。不难看出，银离子帮助碳溴键断裂促进溴离子的离去，是AgNO3水溶液和1溴丁烷反应的关键因素。

3.4 酸度对AgNO3水溶液和1溴丁烷反应的影响

室温（22℃）下，用混浊度传感器探究不同酸度的AgNO3水溶液和1溴丁烷反应。为了保证反应的程度一致，控制银离子浓度为0.1mol/L，用硝酸钠和硝酸调节硝酸根的浓度为0.5mol/L。即采用10mL 0.1mol/L硝酸银和0.4mol/L硝酸钠混合水溶液，10mL 0.1mol/L硝酸银和0.4mol/L硝酸混合水溶液来探究酸度差异对反应的影响。设定混浊度670NTU为观测指标，观察到达该混浊度需要的时间。

从图4可以看出，酸度几乎不影响混浊度达到670NTU需要的时间。说明酸性条件下，酸度几乎不影响AgNO3水溶液和1溴丁烷的反应。即10mL 0.1mol/L硝酸银和0.4mol/L硝酸钠或0.4mol/L硝酸的混合水溶液中，银离子的水解对银离子断裂碳溴键的能力几乎无影响。

3.5 溶剂对AgNO3和1溴丁烷反应的影响

室温（22℃）下，用混浊度传感器探究不同溶剂的AgNO3溶液和1溴丁烷反应。实验采用10mL 0.1mol/L硝酸银水溶液、10mL 0.1mol/L硝酸银溶液（乙醇/水=2∶8）、10mL 0.1mol/L硝酸银溶液（乙醇/水=4∶6）、10mL 0.1mol/L硝酸銀溶液（乙醇/水=6∶4）、10mL 0.1mol/L硝酸银的乙醇溶液探究溶剂对反应的影响。设定混浊度670NTU为观测指标，观察到达该混浊度需要的时间。

从图5可以看出，不同溶剂的0.1mol/L AgNO3溶液，反应混浊度达到670NTU需要的时间相差很大。观察发现7mL 1溴丁烷和10mL 0.1mol/L硝酸银的乙醇溶液反应后没有相界面。实验结果表明：溶剂中乙醇含量增加使得1溴丁烷溶解度增大，使反应能更均相进行，溶剂化效应使碳卤键减弱，在银离子等帮助下更易离解，有利于反应。

4 实验结论

正丁基溴属伯卤代烃，在含水乙醇等极性不大的溶剂中不容易离解成稳定性较小的碳正离子，一般情况下伯卤代烷的取代反应按双分子亲核取代反应历程进行。但实验条件改变，反应的历程也可能改变。

硝酸根浓度、酸度对1溴丁烷和AgNO3溶液反应的速率几乎无影响，表明1溴丁烷和AgNO3溶液的反应不符合双分子亲核取代反应历程。银离子浓度显著影响1溴丁烷和AgNO3溶液反应的速率。溶剂对1溴丁烷的溶解性有影响进而影响了1溴丁烷和AgNO3溶液的反应速率。

从实验结果看，银离子帮助碳溴键断裂：R—X……Ag+→R++AgX↓，这是1溴丁烷和AgNO3溶液反应的主要动力，反应机理中这步反应是最慢的，它决定了整个反应的速率和性质。伯卤代烷在银、汞等离子存在下的取代反应转变为单分子亲核取代反应，推断其反应机理如下：

5 教学启示

5.1 深度思考实验细节，提升学生科学探究的能力

将1溴丁烷和AgNO3水溶液直接混合，几分钟后观察到有明显的浅黄色沉淀出现。由于体系中有1溴丁烷、水、银离子、硝酸根离子，体系微粒较多，该现象不能说明1溴丁烷与水发生了反应。如果想要探查1溴丁烷与水是否反应，应该把1溴丁烷与水混合，取上层清液加入硝酸银溶液进行检测。化学是以实验为基础的科学，实验是最体现细节决定成败的。学生在实验中往往图省事，想一些跳步的方法，殊不知细节中蕴含着大学问。教师可以在平时的教学中，多让学生在真实的实验过程中体会实验细节对实验结果的影响，在对实验的评析、改进和深度思考中培养学生的批判精神和创新能力。这样的过程能使学生在探究中更加关注对变量的控制，同时强化了学生获取知识时的过程性体验。引导学生应用微观视角对实验结果进行分析，逐一排查体系的微粒，分析关键原因，进一步培养学生的微粒观。对实验中某些小细节的深度思考和研讨，可提升学生的科学探究能力。

5.2 传统实验与数字化实验优化整合，拓展知识的深度和广度

数字化实验的研究和应用为学生的学习提供了丰富的信息来源和数据支持。引入数字化实验，获取宏观图像和实时数据，使探究微观机理成为可能。过程中实时监测和记录数据，避免错过重要的过程性数据，便于微观过程的外显和可视化，提高教学效率。《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确提出：“普通高中的培养目标是进一步提升学生的综合素质，着力发展核心素养”［5］。从这一目标出发，教学中可以借助数字化实验补足更多的宏观事实性材料，实现抽象原理的可视化，帮助学生更好地从微观上深度理解所学的知识。教学中注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合［6］，可发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等多个维度核心素养。传统实验与数字化实验的优化整合，有利于学生拓展知识的深度和广度，打破传统教学的局限。

5.3 多角度抽象概括，深化学生对化学学科本质的认识

选择性必修3有机化学基础，从必修中的典型代表物上升到从化学键层面去看反应。化学键的断开可能是由于离去基团的离去能力增强，也可能是由于进攻试剂的进攻能力增强。1溴丁烷和NaOH水溶液的反应是增强了进攻试剂的进攻能力；1溴丁烷和硝酸银溶液的反应是增强了溴离子的离去能力。二者均对碳溴键的断开起到了帮助作用。类比1溴丁烷和硝酸银溶液的反应，乙醇在浓硫酸作用下发生取代反应生成乙醚，除浓硫酸吸水促进平衡移动外，氢离子也增强了氢氧根的离去能力。从平衡的角度看反应：Ag+与Br-相互吸引促进了1溴丁烷中碳溴键的断开；H+降低了OH-浓度，促进了乙醇取代生成乙醚。正如2021年北京高考题中提出为什么“Ag和盐酸不反应，而Ag和氢碘酸能反应”一样。学生对多微粒体系中各个具体事件进行多角度的抽象概括有助于他们深化对化学学科本质的理解，从而发现其深层次的奥秘。

（致谢：感谢首都师范大学黄燕宁老师的指导。）

参考文献：

［1］［5］［6］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）［S］.北京： 人民教育出版社， 2018.

［2］徐泓， 盛俭发， 陈兆先. 对卤代烃实验教学中两个问题的辨析［J］. 化学教学， 2022，（3）： 90～93.

［3］张建波. 关于“卤代烃中卤原子检验”的实验反思与教学设想［J］. 化学教学， 2009，（4）： 3.

［4］马宏佳. 化学数字化实验的理论和实践［M］.北京： 人民教育出版社， 2016：118～134.

*中国化学会化学教育委员会“十四五”规划2021年一般课题“基于化学学科核心素养的深度学习的教学实践研究”（课题批准号：HJ20210012）、北京市新时代中小学名师发展（首都师范大学基地）阶段性研究成果；北京市东城区优秀人才培养资助（2023dchrcpyzz23）。