对甲烷取代反应的实验探索，本文主要内容关键词为：甲烷论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高中化学第二册112页【实验5-2】甲烷的取代反应，是教师不可回避的课堂演示实验。但是对这个实验：
①有的教师回避了。将图示5-5的实验装置在课堂上展示，以讲代做，应付考试。
②不少教师也做了实验，但对收集CH[，4]和Cl[，2]的先后顺序，以及教材指示的把混合气体“放在光亮的地方”把握不好，致使实验现象（观察油滴、水位上升的速度、高度）很不明显，教学效果似乎不及以讲代做的好。
③教材明确指示“注意：不要放在日光直射的地方，以免引起爆炸”。从而把CH[，4]与Cl[，2]在日光直射条件下的爆炸实验视为禁区，没有谁敢去做爆炸实验。
笔者就甲烷取代（Cl[，2]）反应的实验作了一些探索，简概于下：
一、怎样确保实验的最佳效果
（1）这个实验的重要质量指标是要让学生观察到量筒内的水位迅速上升，量筒内壁、液面上有足够的油滴。为了有足够的反应混合气体，反应容器不宜用试管，最好选用250mL量筒。
（2）应当是先收集Cl[，2]后收集CH[，4]。由于CH[，4]较轻，这样收集CH[，4]会跟Cl[，2]有一个自然混合的作用。相反，如教材所述先收集CH[，4]，后收集Cl[，2]，两种气体不仅混合程度有限，而且会有相当一部分Cl[，2]不能与CH[，4]混合，处于反应“死角”状态。
反应混合气按教材所示CH[，4]与Cl[，2]的体积比1∶4是非常合适的。本实验可先用排饱和食盐水收集200mLCl[，2]再迅速收集50mLCH[，4]配成混合气备用。
（3）对“光亮地方”的把握有以下几点值得注意：
①我们曾经多次在有16盏（60W/盏）日光灯的教室光照条件下实验，10min之内。量筒内的水位仅上升1小格（5mL），直至下课因反应缓慢，水位也只升了3格（15mL）的高度，这种情况下当然就不会有油滴出现，实验效果不理想。
②把混合气放在教室外或窗台上，能见到天空的散射光照条件下实验，量筒内的水位可在10min～15min之内上升到水柱高度的80～90％（20格～22格）。
③用125W的高压水银荧光灯，灯距20cm～25cm照射混合气体，可以在10min之内达到②那样的效果。
水位上升的过程中，附着在是筒内壁的米白（米黄）色油沫会自行聚积在液面上，由于CH[，2]Cl[，2]、CHCl[，3]、CCl[，4]密度比水大，不时会有因溶有Cl[，2]的淡黄绿色的油珠下沉到水槽底部。
二、关于CH[，4]与Cl[，2]日光直射条件下的爆炸实验
CH[，4]与Cl[，2]在日光直射条件下的反应本不属于取代反应。
但是，为了强调CH[，4]与Cl[，2]发生取代反应的条件（暗处不行，直射日光不行），探讨CH[，4]与Cl[，4]在日光直射条件下的爆炸实验想必也是实验探索的一种收获。
1.关于CH[，4]与Cl[，2]反应的诱导期与反应期
大家知道，CH[，4]与Cl[，2]的取代反应属于自由基反应。
如果没有足够的自由基Cl·和CH[，3]·，取代反应的链就无法引发和转移。产生足够浓度自由基所需的时间，我们叫做取代反应的诱导期。
图1的横坐标表示CH[，4]与Cl[，2]反应的诱导期和反应期，纵坐标表示量筒内水位上升的体积概数，同时也可以粗略表示取代反应的速度。
图1 CH[，4]与Cl[，2]反应的诱导期与反应期（min）
曲线A，表示日光直射条件的爆炸式反应。反应的诱导期极短，一般在0.5min左右，之后爆炸，产生大量黑色炭粒，水位急速上升。
曲线B，表示户外散射日光或室内高压水银荧光灯照射，反应的诱导期只有几分钟，之后迅速进入取代反应期，适宜在课堂教学演示。
曲线C，表示在室内散射光或室内白炽灯、日光灯的普通照明条件下，反应的诱导期将很长，一般在数十分钟，适宜隔日观察实验结果。
读者注意，当诱导期结束进入反应期，由于反应放热，混合气体积略有膨胀，曲线有一个下折，瞬间（0.5min）又迅速向上回升。
2.CH[，4]与Cl[，2]的爆炸实验
对于爆炸，人们总有几分担心和畏惧，这是正常的心理反应，也是实验者慎之又慎的安全问题。对于科学探索，实验者要在安全问题上下绝对的功夫，确保爆炸实验的安全性。我们认为，只要能做到人、财、物的绝对安全，什么实验探索都可以做，这本身就是一种科学精神，何况CH[，4]与Cl[，2]光照爆炸实验远没有想象的那么可怕和难做。我们曾多次用250mL量筒收集200mL Cl[，2]与50mL CH[，4]的混合气体，像教材112页图5-5那样装置，用一条黑色毛巾把混合气体盖好，移放到明亮的阳光下，当揭开黑色毛巾后，大约要隔0.5min之后才起爆。爆声沉闷，完全没有像H[，2]—O[，2]混合气爆炸那种尖锐、刺耳的爆鸣声，笔者认为，如果没有亲自动手反复去认识CH[，4]与Cl[，2]的爆炸实验，而又一味散布和渲染CH[，4]与Cl[，2]爆炸的恐怖，那是很不应该的。
3.空气（O[，2]）对甲烷取代（爆炸）实验的影响
如果收集混合气体时Cl[，2]或CH[，4]中混有空气，无论是做取代反应实验.或是做日光直射混合气体的爆炸实验，都会大大影响实验效果。
实验：在两个250mL量筒中，分别先留出40mL空间的空气，然后用排饱和食盐水的方法收集160mL Cl[，2]，最后收集40mL CH[，4]（空气∶Cl[，2]∶CH[，4]∶=1∶4∶1）。将一个混合气体放在直射日光下照射，另一个放在明亮的散射日光下光照。这时你会发现，前者不会爆炸，后者的取代反应进行得十分缓慢（跟没有混空气的混合气比较）。
上述实验现象不是笔者的发现。下面引用邢其毅等著的《基础有机化学》（第二版）58页中的一段文字，可以对上述现象做出恰当的解释：“混合气体中如有氧（包括空气）或一些能捕捉自由基的杂质存在，可以与自由基结合，形成稳定的自由基，如O[，2]+CH[，2]·→CH[，3]OO·。CH[，3]OO·活泼性远不如CH[，3]·，几乎使反应停止，待O[，2]消耗完后，自由基的链反应立即开始，……”
有鉴于此，收集，CH[，4]与Cl[，2]的混合气体应确保CH[，4]和Cl[，2]中不要含有空气，才能确保取代反应和爆炸实验的成功。