甲烷与氯气取代反应实验的再改进
江苏省海门市海门中学（226100）张盛
1实验中的不足
经过实验逐一验证发现采用排水法收集氯气，内壁上是油珠还是水珠存在疑问，且在日常灯光下，现象在短时间内不能显现。这导致在教学中许多教师常以视频替代实验演示，缺少真实感，对学生建构取代反应的概念有较大的影响。
2装置的选择
能说明该取代反应已经发生的指标性现象是有氯化氢气体生成。根据氯化氢极易溶于水的性质设计成“喷泉实验”，以便达到良好的视觉效果。实验装置如图1所示。（铁架台等支持仪器及光源省略）。
3实验过程
3.1实验的准备
根据相关反应机理，经过实验对比确定了本实验的最佳实验条件。
3.1.1光源的选择
CH4与Cl2的反应属于自由基反应，1 mol Cl2分子断键成2 mol氯原子（氯自由基）要吸收242?7 kJ的能量，这个能量可以通过升温或光照供给。若使Cl2分子离解成氯自由基，可用波长为493 nm的光。波长越短，光子的能量越高，越是接近紫外区的光源，越有利于反应。
常见光源有太阳光、白炽灯、日光灯（荧光灯、低压汞灯、节能灯）、高压汞灯、LED灯、镁条燃烧等。研究发现，常用的日光灯、LED灯的光谱是不连续的，具有合适波长的蓝色光使Cl2分子离解成氯自由基的效率较低，实验效果不佳。白炽灯发出的光是全色光，但各种色光的成份比例是由发光物质（钨）以及温度决定的，存在一定的不确定性。镁条燃烧会使本实验发生严重的副反应，生成黑色的碳，影响实验效果。由于太阳光的不可控制性，因此高压汞灯是理想的选择。
高压汞灯的选择不仅与功率有关，还与灯和反应仪器的距离有关。最终经过比对，选用250 W高压汞灯，灯与反应仪器距离为5 cm，反应5 min左右，可以确保实验的效果。
3.1.2气体的比例
甲烷氯化如果要以其中一种产物为主，可利用控制反应物的物质的量之比来达到这一目的。
实验发现甲烷与氯气的物质的量之比为0?263∶1，最易形成喷泉。故选用甲烷与氯气的物质的量为1∶3到1∶4之间。
3.1.3气体的收集
用排饱和食盐水法收集气体，水滴可能会影响油滴的观察，故采用排空气法收集气体。而用排空气法收集气体时，氯气中易混入氧气，氧气又是该取代反应的抑制剂。所以，在收集氯气时，应该注意通足够长的时间，并注意导管口的位置，尽可能减少残余的氧气。
在实验时先收集250 ml氯气，然后利用注射器抽取出50 ml氯气，最后再充入50 ml甲烷。这样既减轻了实验的难度，又不影响实验现象。
3.2实验步骤及现象
（1）检查该装置的气密性，确保不漏气。
（2）用排空气法收满氯气后，用注射器抽取出50 ml氯气，再充入50 ml甲烷。充分混合后组装好实验装置。
（3）将250 W高压汞灯置于与反应仪器距离5 cm处，接通电源（若没有高压汞灯，可用太阳光替代）。
（4）打开左侧弹簧夹，可观察到水缓缓上升，水进入烧瓶内时，进水速度加快，形成喷泉。若先打开左侧弹簧夹，再用高压汞灯照射，则可观察到先有少量气泡从浸没于烧杯中的导管口冒出，随后水沿着导管缓缓上升，最后形成喷泉。
收稿日期：2014-04-29
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