宏觀+微觀視角下結合NMR技術的酯化反應教學

郭 怡 李雅琳 鄭衛新

（杭州師范大學 浙江杭州 311121）

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“課標”）中明確提出“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養，要求學生能從物質的性質、存在狀態及反應現象等宏觀表現探究、推演分子、原子層面的物質組成、結構、性質及變化規律等微觀性質［1］。國家教材委員會專家委員會于2019 年審核通過最新版人民教育出版社（以下簡稱“人教版”）高中化學教材。與人教版教材（2004年）相比，新版教材對多處表述進行調整。以“乙酸乙酯的制備實驗”為例（表1），新版教材將該知識點標題改為“酯化反應”，可以減小學生將該反應僅視為個別化合物的化學性質而忽略有機化合物結構、性質的系統性與內在聯系規律性的認知偏差（序號1）；關于判定乙酸乙酯形成的表述從原有直接從感官獲得的常識性認知“不溶于水”轉而引導學生探尋物質“無色透明”“上層”等更具有學科特色的性質（序號2）；反應的化學方程式中，乙醇分子式的“O”與“H”之間短橫去掉以突出醇類化合物特征官能團羥基“—OH”整體性及共性，從而引導學生從物質結構特征理解有機化學反應的基本規律。以上幾點充分說明新版教材對“宏觀辨識與微觀探析”的學科素養課程目標的體現與強化?；诖?，在實驗教學中引導學生逐漸形成宏觀+微觀多元學習視角是該核心素養發展的重要前提。

表1 新舊版本教材內容變化的對比

受認知結構與客觀條件局限，觀察法是中學階段學生在實驗學習中的主要方法。學生通過多維度感官以看、聽、嗅、觸等方式獲取化學反應過程中產生的色、形、聲、沉淀和氣泡形成等信息，在最近發展區內［2］運用已有認知推測反應微觀本質。然而，這些宏觀信息往往是化學反應中的伴隨現象，學生需要在觀察到的“宏觀現象”與物質“微觀反應實質”之間架起橋梁以掌握化學反應知識點［3］。以“酯化反應”為例，學生在進入這部分知識點之前已經學過可逆反應的概念及部分可逆無機反應，如“氮氣與氫氣生成氨氣”，已初步掌握“可逆”這一概念基本特征。在實驗教學中，學生通過觀察法可以看到由于乙酸乙酯與水不互溶反應體系逐漸分為兩相，通過扇聞嗅到異于原料乙醇、乙酸的氣味。這些信息僅限于產物乙酸乙酯的非獨有性宏觀性質，學生無法獲得關于可逆反應動態平衡的建立及維持過程內在規律的有效認知，從而無法將化學反應真正“內化”，也很難理解反應微觀實質所關聯的化學反應規律，導致學習存在客觀性難度，影響知識理解、應用與遷移［4］。因此，在觀察法基礎上，若能將可逆反應的微觀實質通過數據、圖形等方式進行可視化，將有助于學生從宏觀和微觀相結合的多元視角把握物質特性和反應規律，從而達成在實驗教學中培養學生學科核心素養的目標要求。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中“化學與社會發展”主題闡述了化學學科與社會新技術、生產生活、生態環境等方面的聯系——“化學科學與技術的不斷創新和發展是解決人類社會發展中遇到問題的有效途徑”［1］。隨著現代科學技術的發展，物質結構這一微觀信息可以通過特征性數據、圖像等可視化形式進行展示?；诖?，結合核磁共振波譜數據和溫度傳感器開展“酯化反應”實驗教學，以詳實數據及圖表將反應微觀本質進行可視化，作為宏觀素材引導學生在數據解析中理解和把握微觀視角的可逆有機反應一般規律，基于宏觀+微觀多元視角開展化學實驗教學，引導學生逐漸形成“宏觀辨識與微觀探析”學科核心素養。

二、實驗教學方案與研究結果

“酯化反應”是高中化學中學生接觸到的第一個有機可逆反應，要求學生掌握乙酸、乙醇作用生成乙酸乙酯是可逆反應過程，即兩個反方向的反應在同一條件下可同時進行，反應不能進行到底，經過一定時間后達到動態平衡。學生應掌握和應用“化學平衡狀態是可逆反應在一定條件下所能達到的或完成的最大程度”“任何可逆反應在給定條件下的進程都有一定限度”“改變反應條件可以在一定程度上改變一個化學反應的限度”等化學反應速率與限度的知識［5～7］。為突破酯化反應實驗現象的非獨有性宏觀性質（液體分層、氣味等）的局限性，利用核磁共振氫譜技術和溫度傳感器對酯化反應的反應物和生成物比例變化及體系溫度進行追蹤以獲得相關可視化數據、圖形實驗結果，通過數據分析對乙酸、乙醇兩種物質等量、分別過量時的反應歷程進行探究。

1.不同投料比例下對反應歷程的探究

［實驗1］乙醇、乙酸等量：在配置磁力攪拌的25 mL 圓底燒瓶中依次滴加4 mL乙酸和4 mL無水乙醇，混合均勻后在攪拌下以1 d/s滴加1 mL濃硫酸，加完后繼續攪拌5 min，取樣品1a；安裝回流冷凝管，將圓底燒瓶置于油浴中加熱回流。按表2中對應加熱時長取樣品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對比

［實驗2］乙醇過量：改變乙醇用量為6 mL，其余條件不變，重復實驗1 步驟。按表2 中對應加熱時長取樣品2a-2e。

［實驗3］乙酸過量：改變乙酸用量為6 mL，其余條件不變，重復實驗1 步驟。按表2 中對應加熱時長取樣品3a-3e。

對樣品1a-1e、2a-2e、3a-3e進行核磁共振氫譜檢測（氘代氯仿為溶劑，四甲基硅烷為內標），對圖譜中每種組分對應的吸收峰進行峰面積積分，比較不同反應進程下乙醇、乙酸、乙酸乙酯的比例（表2）。

由表2可知，乙醇、乙酸、濃硫酸混合均勻后至加熱50分鐘整個過程中，所有采集的樣品中乙醇、乙酸及乙酸乙酯均同時存在，可以直觀驗證“反應不能進行到底”這一特征。實驗2、3中乙酸乙酯含量均高于實驗1，學生可以根據實驗數據得出“分別提高各個原料的量均可以使平衡向右移動”的結論，為“改變反應條件可以在一定程度上改變一個化學反應的限度［3］”這一可逆反應的性質提供直觀證據。學生通過數值比較可以發現實驗2 中乙酸乙酯的比例要高于實驗3，說明乙醇過量的條件下平衡向正反應方向移動的程度更大，這一結果是觀察法所無法獲得的，教師由此進行知識拓展教學，引導學生思考調控反應條件在工業生產中的應用及意義。核磁檢測結果將抽象而無法觀察到的反應本質通過數據實現可視化，學生可對量化結果進行宏觀辨識，在實驗數據支持下微觀反應的本質利于學生開展微觀探析，學生不僅在學習中拓寬視野，還能在理論學習中更好地聯結化學學科知識與社會生產生活實際，利于化學學科思維形成。

值得注意的是，表2 中每個實驗的第一個樣品中均檢測到乙酸乙酯，即在油浴加熱前酯化反應已經發生（1a-3a）。比較不同加熱時間后各實驗中三種物質的比例發現，在加熱10 min 時已經基本達到平衡，實驗1、2、3 中的乙酸乙酯含量分別處于81%-84%（1b-1e）、83%-85%（2b-2e）和57%-60%（3b-3e）之間，由不同時段取樣的物質比例的微小變化可以推測出，可逆反應的基本特點之一——“任何可逆反應在給定條件下的進程都有一定限度”［7］。由此可知在不同的投料比例下，反應持續一定時間后體系中三種物質的比例在固定范圍內達到平衡，僅存在細微變化，說明這是動態平衡，正、逆反應仍在不斷進行。

2.溫度對酯化反應的影響

在“酯化反應”演示實驗中，根據教材“用酒精燈加熱”是必不可少的環節。然而，從表2中實驗結果可知，在乙醇與乙酸的混合物中加入濃硫酸攪拌均勻后，未開始加熱體系中即有乙酸乙酯形成。因此，利用內置溫度傳感器記錄反應體系實時溫度以進一步探究反應過程中的溫度變化及其對酯化反應的影響，建立溫度與反應平衡之間的關系（實驗4）。

［實驗4］在100 mL三頸燒瓶中插入溫度傳感器，配置磁力攪拌，依次加入2.52 mL乙酸和2.59 mL無水乙醇，在攪拌下滴加0.5 mL濃硫酸，待溫度不再上升，將裝上回流冷凝管的三頸燒瓶置于95 ℃油浴中加熱回流并用溫度傳感器跟蹤反應溫度變化（圖1）。

圖1 酯化反應過程中體系溫度變化

從圖1可知，未加入濃硫酸前，乙醇與乙酸混合物溫度穩定在室溫（4a→4b）。室溫下攪拌均勻后（t=2 min）加入濃硫酸（4b），在400轉/分鐘轉速攪拌下體系溫度急劇上升（4b→4d）。持續攪拌4 min（4b→4d），過程中體系溫度到達44.20 ℃峰值后開始緩慢下降（4d→4e），將反應瓶放入預熱至95.00 ℃的油浴中（t=6 min，4e），體系溫度持續升高后穩定在82.00 ℃（t=20 min，4f），結合表2的數據可知此時反應已達到動態平衡，體系中三種物質比例相對穩定，混合體系溫度保持基本恒定。由于濃硫酸加入后放熱使體系溫度已達到酯化反應的閾值，因此在加入濃硫酸后未加熱時已經檢測到乙酸乙酯。

此外，通過傳感器獲得的溫度曲線還為濃硫酸與反應物充分混合放熱這一實驗現象提供定量及可視化證據（4b→4d），曲線陡峭并且4c斜率較大說明這是一個急驟大量放熱過程，不僅讓學生形象地認識這一過程，還可據此開展實驗安全教育，培養學科基本素養。

以上實驗數據可用于實驗教學與學生拓展學習，以加深學生對于可逆反應規律的理解，建立化學知識與社會生產生活之間的聯系，引導學生形成宏觀+微觀多元學習視角，以上述實驗結果為基礎設計題目，診斷學生對于“酯化反應”及“化學平衡”概念的理解和應用（表3）。

表3 基于酯化反應實驗教學的題目設計及評價目標

三、教學反思與啟示

利用核磁共振氫譜技術和溫度傳感器開展實驗教學，為學生學習“酯化反應”提供嶄新的宏觀+微觀多元化視角。在酯化反應及與之相關的化學反應限度和影響因素的教學過程中，通過觀察獲得物質宏觀特征，并設計實驗1-4及基于實驗結果設計的過程性評價，用可視化數據、圖形反映化學反應微觀實質。量化數據可彌補學生對于抽象的可逆反應過程實質認知途徑及依據單一的缺陷，在幫助學生深度理解可逆反應原理及掌握一般規律的同時，拓展學生的學習空間與探究視野，引導學生從“宏觀+微觀”多元視角理解化學反應。

教師在教學時以發展化學學科核心素養為主旨，引入精密儀器，通過圖像、數字化信息等形式對化學反應微觀本質變化進行定量、可視化展示，實驗數據可用于課堂教學以優化實驗教學內容，構建發展化學學科核心素養的高中化學課程目標體系，為學生從多元視角學習提供機會。將實驗數據用于實驗教學的過程性評價，通過收集與分析學生在實驗過程和課堂測驗中的表現，了解學生在課堂學習中對酯化反應以及可逆反應中化學平衡的建立的理解程度，診斷學生“宏觀辨識與微觀探析”這一核心素養的發展情況，從而為教學改進提供依據。

四、總結

順應科技發展趨勢，在教學中有機融入科學社會發展中的新技術成果，既是對實驗教學方法的多元化創新，又能在保證學生基礎認知的前提下，引導他們建立“宏觀+微觀”多元視角思考和學習的化學學科思維，為構建學生科學認知教學目標的高質量達成提供新思路。新技術可激發學生學習興趣，促進學生核心素養多元發展，不僅是基礎教育順應時代發展的必要途徑，也是不斷實現教學創新的突破口，具有可持續發展的優勢。