利用数字化实验,发展高中生证据推理素养——以乙醇传感器探究乙酸乙酯水解为例.pdf
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1、碱催化:H3COCH2CH3CO+OH-慢H3COCH2CH3CHOO-快四面体中间体负离子CH3CH2OH+CH3COO-Na+CH3COONa+CH3CH2OH乙酸乙酯在中性条件下难水解,在碱性条件下水解比在酸性条件下快,而且是相对比较彻底的,在酸性条件下乙酸乙酯的水解是可逆的。实验装置图如图1、图2所示。图1定性实验装置图一、研究背景2019人教版选择性必修3第三章第四节“羧酸 羧酸衍生物”的探究活动中要求学生设计实验,探究乙酸乙酯在中性、酸性和碱性溶液中的水解速率。1教材给予的提示是可以通过酯层消失的时间差异来判断乙酸乙酯在不同条件下水解速率的差别。但此方案耗时较长,且有机层与水层均为
2、无色,观察实验现象有一定困难。因此,本实验设计了利用乙醇传感器对水解产物乙醇进行定量测定,从而得出实验结论。同时,本实验是控制变量法教学的一个很好载体,通过乙酸乙酯水解条件的设计与探究,可以让学生真实地体会到控制实验条件是科学研究中的重要方法。二、实验设计和实施1.实验原理利用乙醇传感器测量乙酸乙酯水解时的乙醇蒸气浓度曲线,通过比较曲线斜率,表征不同条件下乙酸乙酯水解的速率,解决定性实验不够科学严谨的问题。2乙酸乙酯与稀硫酸、氢氧化钠的反应机理如下:利用数字化实验,发展高中生证据推理素养以乙醇传感器探究乙酸乙酯水解为例王彦迪黎秀梅李志敏(佛山市顺德区李兆基中学广东 佛山528300)摘要:采用
3、乙醇传感器测定乙酸乙酯水解过程中,液体上方乙醇浓度的变化以及产生乙醇的速率,分析不同条件对乙酸乙酯水解反应的影响。实验精准地采集数据,且具有实时、可视化特点。关键词:创新实验;数字化实验;证据推理文章编号:1008-0546(2022)12x-0088-04中图分类号:G632.41文献标识码:Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.2x.022H3COCH2CH3COH+快类鎓盐H3COCH2CH3CO+HH3COCH2CH3CO+HSO2-4H2O慢OCH2CH3CH+2OOH-HOCH2CH3CH3COHO+H-H+CH3COOH+CH3CH2OH酸催化:实
4、验教学研究 实验教学研究 88化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(http:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)2.实验试剂与仪器实验试剂:乙酸乙酯(分析纯)、紫色石蕊溶液、蒸馏水、H2SO4溶液(浓度分别为:0.25 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、1.25 mol/L、1.75 mol/L)、NaOH溶液(浓度分别为:0.5 mol/L、1 mol/L、1.5 mol/L、2 mol/L、2.5 mol/L)、有机试剂专用洗涤剂。实验仪器:乙醇传感器、数据采集器、平板电脑、泡沫固定板、10 mL注射器、橡胶塞、恒温水浴锅、铁架台、量筒、
5、双颈烧瓶、三颈烧瓶、烧杯。3.实验步骤(1)定性实验分别取蒸馏水2 mL、0.25 mol/L H2SO4溶液2 mL、0.5 mol/L NaOH溶液2 mL,加入自制反应器中。向三支反应器分别滴加2滴石蕊溶液。向三支反应器各加乙酸乙酯2 mL,将反应器放入75 的恒温水浴锅加热。20 min后,取出反应器,冷却,观察酯层变化。(2)定量实验用导管连接双颈烧瓶和三颈烧瓶,塞紧胶塞,插入乙醇传感器(已预热10min),连接好装置,检验装置气密性。在双颈烧瓶中加入30 mL蒸馏水,再加入30 mL乙酸乙酯。把双颈烧瓶放入75 的恒温水浴锅中加热。采集数据10min。取下双颈烧瓶和三颈烧瓶,洗涤,
6、确保双颈烧瓶、三颈烧瓶及导管中无乙酸乙酯及乙醇残留,更换新的乙醇传感器胶带。在双颈烧瓶中依次加入不同浓度的H2SO4溶液、NaOH溶液和乙酸乙酯,重复上述操作,测量乙酸乙酯在不同浓度H2SO4溶液和不同浓度NaOH溶液下的水解时的乙醇蒸气浓度时间曲线。三、实验结果分析1.定性实验定性实验结果记录如表1所示。实验现象实验前酯层和水层高度均为2 mL实验后(20 min后)中性、酸性:变化不明显。碱性:酯层高度下降。表1定性实验水解前后比对实验现象2.定量实验(1)乙酸乙酯在中性条件下的水解定量实验2001751501251007550250050 100 150 200 250 300 350
7、400 450 500 550 600时间(s)乙醇图3乙酸乙酯中性条件下水解生成乙醇浓度时间曲线图分析图3曲线及数据得知:10 min 内,乙醇浓度从 0.010%缓慢上升至16.911%,说明乙酸乙酯在蒸馏水、75 水浴加热下,能够水解产生乙醇,但水解比较缓慢。CH3COOCH2CH3+H2OCH3COOH+CH3CH2OH(2)乙酸乙酯在酸性条件下的水解定量实验分析图4曲线及数据得知:在稀硫酸条件下乙醇浓度变化值均比在蒸馏水条件下的大。100 s200 s内,乙醇浓度上升较快,其他时间上升缓慢,且250 s后基本保持不变。0.5 mol/L和0.75 mol/L的H2SO4溶液条件下,曲
8、线斜率较大,其次为 1 mol/L 和 1.25 mol/L,最后是0.25 mol/L的H2SO4溶液。由此可得知以下结论:图2定量实验装置图实验教学研究 实验教学研究 89化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(http:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)2001751501251007550250050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600时间(s)乙醇注:0.25 mol/L H2SO4、0.5 mol/L H2SO4、1 mol/L H2SO4、1.25 mol/L H2SO4、1.75 mol/L
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