如何准确解读教材中的经典实验资源_高锰酸钾论文

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一、问题的提出

苯是最简单又最重要的芳香烃,苯的稳定结构决定着它难于加成和氧化,而易于发生亲电取代反应,即苯具有典型的芳香性。苯一直是中学和大学基础有机化学教学的重要内容,在新课标和高考大纲(或考试手册)中也占有突出的地位,尤以苯的不饱和度为4,如此之大,却不能发生类似于不饱和烯烃和炔烃等的特征反应最为关键,是中学有机物“结构决定性质”教学的经典范例,也是高考的重点和热点内容。“苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色吗?”(以下简称该文),通过实验探究(实验均强调“酸性高锰酸钾溶液要稀”),得出“苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色,但褪色较慢”的结论。笔者认为该文的实验现象与结论间的因果关系需要斟酌,要客观分析和理解稀酸性高锰酸钾溶液褪色的原因,理性认识苯的结构稳定性。

二、实证探究

1.高锰酸钾溶液的配制

(1)高锰酸钾溶液(Ⅰ)的配制。

(2)高锰酸钾溶液(Ⅱ)的配制。

①准确称取实验用量的高锰酸钾(A.R.,上海埃彼化学试剂有限公司生产,通过ISO9001国际质量体系认证),溶于蒸馏水中。②将配制好的高锰酸钾溶液加热至微沸,并小火保持微沸状态30min,然后于暗处放置约5h,使溶液中可能存在的还原性物质完全氧化除去。③用微孔玻璃漏斗过滤除去可能析出的沉淀。将过滤后的高锰酸钾溶液(浓度约为0.030,约10.0mL),用蒸馏水稀释20倍,贮存于棕色试剂瓶中,存放于暗处。

2.实验探索

[实验1]取新配制的高锰酸钾溶液(Ⅰ)5.0mL,加2.0的稀硫酸约6~8滴;实验用苯均为分析纯(A.R.),试管①、②、③依次用中国天津巴斯夫化工有限公司生产、上海化学试剂有限公司生产(上海市教育技术装备部监制)、国药集团上海化学试剂有限公司生产的苯,第④支试管注入蒸馏水,作空白对照实验。试管①~③均塞上橡皮塞(以减少苯的挥发和毒害),同时用力振荡约1min后放在试管架上静置,并间时取下振荡,观察并记录溶液褪色的时间(见表1)。

实验现象与问题:现象说明不同厂家生产的苯(A.R.)在室温下,都能使高锰酸钾酸性溶液褪色,褪色耗时略有不同。特别值得指出的是,空白实验(以蒸馏水代替苯)也能使高锰酸钾酸性溶液褪色,并且褪色耗时很相近。

[实验2]苯(国药集团上海化学试剂有限公司产)、高锰酸钾溶液(Ⅱ)(用2.0硫酸酸化,用量同实验1)用量、稀释、操作(振荡,试管口塞上橡皮塞)和实验现象记录(见表2)。

实验现象与问题:实验2表明,用经预处理除杂质的高锰酸钾溶液进行实验,相同条件下褪色时间约为原来的2倍,高锰酸钾溶液越稀褪色时间越短。

[实验3]实验用高锰酸钾溶液(Ⅱ),苯的生产厂家同实验2,高锰酸钾溶液的酸化(用2.0的硫酸)、试剂用量、操作(振荡,试管口塞上橡皮塞)和实验现象记录(见表3)。

实验现象与问题:与实验1、2相比,实验3现象表明,当其他条件相同时,酸化高锰酸钾溶液所用硫酸的量越多,高锰酸钾溶液褪色所需的时间越短。

[实验4]取1支试管注入2.0mL国药集团上海化学试剂有限公司生产的苯,滴加3滴未酸化的高锰酸钾溶液(Ⅱ),试管口塞上橡皮塞,用力振荡后在通风橱内加热保持微沸3min后,放入72℃~76℃(略低于苯的沸点)水浴中继续加热,记录褪色时间。

实验现象与问题:微沸3min高锰酸钾溶液不褪色,热水浴中持续加热约18min后溶液变为粉红色,从振荡到加热,高锰酸钾溶液颜色褪到几乎无色共需28.2min。

三、苯与高锰酸钾溶液混合褪色原因探究

1.苯中含有微量有机杂质使高锰酸钾溶液褪色

苯的制取过程中会生成比苯还原性强的杂质(如微量甲苯、某些杂环化合物等),分离分馏时因挥发或形成低沸点恒沸溶液等原因而进入苯中,况且这些杂质是无法用蒸馏的方法进行再分离提纯的,它们易使酸性高锰酸钾溶液褪色。本文上述实验1和该文研究实验2、3,使用不同厂家生产的苯,相同条件下使高锰酸钾溶液褪色时间差异明显,甚至有成倍的时间差别(如该文实验3),正好说明了这一点。

2.高锰酸钾试剂本身的杂质使溶液褪色

通常的高锰酸钾往往含有微量杂质,如等,使配制的溶液不够稳定,高锰酸钾的强氧化能力能与许多还原性物质发生作用。实验2使用高锰酸钾溶液(Ⅱ),使褪色时间延长,与高锰酸钾溶液配制过程中的预处理、除杂可能有关联。

3.酸性介质和自身催化加速了高锰酸钾溶液褪色

4.光照加速了高锰酸钾溶液褪色

实验1~4所用试管皆是无色透明的,试管中进行的实验持续时间较长,无法避免光线的照射,光线的照射会加速高锰酸钾分解,这是高锰酸钾溶液不可久存,保存要用棕色试剂瓶并存放暗处,分析化学上用标定的高锰酸钾溶液滴定等实验中,要选用棕色滴定管的缘由。

5.空气中还原性物质使高锰酸钾溶液褪色

四、苯的特殊稳定性及其现代理论解释

1.苯的特殊稳定性

2.苯的稳定性现代理论解释

(1)共振论对苯的结构描述。共振论认为苯是两个经典结构的共振杂化体。共振杂化体的能量比极限结构的能量低得多,杂化体苯的正六边形结构及电子云的均匀分布是环电流产生的原因。氧化反应会破坏极限结构的共振,因此难以进行。

五、结语

综上所述,苯有特别高的稳定性,不能被高锰酸钾稀溶液氧化,“即使在高温下苯与高锰酸钾溶液等强氧化剂同煮也不会被氧化”,而使高锰酸钾溶液褪色,这是实施化学新课程有机结构与性质关系的经典实验论证教学资源。高锰酸钾溶液具有自动发生氧化还原反应而缓慢褪色的特性,且这种自动发生的氧化还原反应受酸度、自身催化剂的生成、有无微量还原性物质存在、光照、空气中还原性气体与灰尘的进入等多种因素影响。

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