打破思维定势 重塑认知模型
作者： 史盼
摘 要：乙酸乙酯的制备装置利用了化学平衡原理提高产率，是有机物制备和化学反应原理的有效融合。基于教材装置，利用具支试管、注射器等简单仪器改进实验装置，实现有机物回流，产率提高的目的。实验装置适用于不用沸点、密度酯的制备，能够有效地避免学生形成思维定势。实验仪器简单、易组装、操作性强，实验现象对比明显，学生易于观察思考。
关键词：高中化学；酯的制备；实验改进；乙酸乙酯
中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2023）20/23-0116-03
一、问题的提出
《普通高中化学课程标准（2020年版）》在必修2和有机化学基础两部分对学生必做实验“乙酸乙酯的制备”有明确的要求。学生必做实验由“乙酸乙酯的制备”变为“乙酸乙酯的制备与性质”，教学策略由“建立官能团与有机化合物分类的初步认识”变为“引导学生从反应物和生成物的官能团转化和断键成键的角度概括反应特征与规律”。苏教版教材必修2中的实验装置采用直接加热的方式，选择性必修3有机化学基础的实验装置改为水浴加热，并进一步探究了增大乙酸乙酯产率的方法，更侧重从乙酸、乙醇、乙酸乙酯性质角度对反应进行进一步认知。实验在选择性必修1化学反应原理的基础上，结合乙酸乙酯水解反应，增大可逆反应的产物产率的方法有：（1）小火（或水浴）加热，减少乙醇和乙酸的挥发，使乙酸乙酯挥发从体系中分离，平衡正移；（2）乙醇过量，促进平衡正移；（3）浓硫酸具有吸水性，吸收水分，促进平衡正移。可见，在选择性必修3教学过程中，要侧重学生实验方法和思维的提升。不同的酯能否用同一装置同一原理进行制备？此问题的提出与解决能够有效地避免学生形成思维定势，重塑认知模型，进而培养学生科学探究与创新意识的核心素养。本文旨在乙酸乙酯制备装置的基础上改进实验装置，以制备不同的酯。
二、已有实验改进的概述
（一）在乙酸乙酯制备基础上改进
现有文献大多数从加热方式、反应装置、收集装置改进以及增加冷凝装置等方面进行改进，这些方案仍旧围绕制备“乙酸乙酯”这一种物质，而对于情景类制备题型如高沸点、密度大于水的酯是不能用这些装置进行制备的。
（二）改用分子筛吸收水分
杨玉峰在发生装置安装玻璃丝及分子筛做吸水剂，促使水分离出体系，平衡正移，产率提高。鞠志宇等以硫酸氢钠为催化剂、变色硅胶为吸水剂、甲基紫为可视化试剂，实现了乙酸乙酯可视化制备。上述实验均是重新设计实验装置，实现了产物水分离出体系的目的。
三、问题的实验验证
（一）实验现象
依据教材实验装置，完成乙酸乙酯，乙酸正丁酯和乙酸苯甲酯的制备，实验现象如表１。乙酸乙酯的收集装置中水层高度基本不变，产物在上层；乙酸正丁酯的收集装置水和有机物层液面均升高；乙酸苯甲酯的收集装置中形成了乳浊液。综上分析可以看出同一类别的不同物质的制备不能用同一装置。
说明：1.装置中为了便于判断液面变化，用标签纸标记水层液面初始高度；2.乙酸乙酯制备按照苏教版教材用量进行的实验；乙酸正丁酯和乙酸苯甲酯因易被浓硫酸炭化，分别取了4～5滴浓硫酸做催化剂。
（二）问题分析
乙酸乙酯制备装置的设计主要依据原料和产物沸点和密度差异，即产物沸点低于原料和其他产物、密度低于原料，故可以控制温度使产物蒸发冷凝收集，而其他的酯不符合此条件，如表２所示。乙酸正丁酯的沸点略高于乙酸、正丁醇和水，密度小于水，所以产物和原料同时出现在收集装置中，水层和有机层液面同时升高，产率较低。乙酸苯甲酯的沸点略高于苯甲醇、高于乙酸和水，密度略大于水，所以少量有机物蒸出与水形成乳浊液，不能完全分离。
四、实验的改进
（一）高沸点低密度酯的制备改进
1.实验仪器和装置。以乙酸正丁酯为代表高沸点低密度的酯的制备改进装置如图1所示（固定装置省略），实验仪器有具支试管、长导管、注射器、酒精灯、铁架台。在教材实验装置的基础上改进，将试管改为具支试管，并在收集装置处增加冷凝回流装置和注射器。
2.实验步骤：如图1安装仪器，使发生装置低于收集装置；检查好气密性后，向发生装置中加入原料乙酸和正丁醇，滴入几滴浓硫酸；向收集装置中加入饱和碳酸钠溶液，使水层液面略低于支管口（1cm以上），注射器的长针头伸入液面以下；点燃酒精灯，开始实验。一段时间后，有机层和水层液面逐渐升高，有机层升高至支管口后回流至发生装置；当水层高度接近支管口时，注射器及时抽走水，防止水回流至发生装置；如此反复，有机物不断回流至发生装置，而水层最终进入到注射器中。待水层的液面高度不再发生变化，停止加热，将注射器中的少量水缓慢的推入，使有机层液体全部的流入至发生装置。将发生装置里的有机物通过干燥、蒸馏再进行分离，可得到乙酸正丁酯。
（二）高沸点高密度酯的制备改进
1.实验仪器和装置。以乙酸苯甲酯为代表高沸点高密度酯的制备改进装置如图2所示（固定装置省略），所用仪器有大试管、长导管、酒精灯、铁架台。因产物密度大于水不易分离，故直接增加冷凝回流装置，延长反应时间，增大产率。
2.实验步骤：如图2安装仪器，检查好气密性后，向发生装置中加入原料乙酸和苯甲醇，滴入几滴浓硫酸，点燃酒精灯，开始实验；一段时间后，冷凝管内不断有有机物回流至大试管中，反应2h后停止加热。待反应液冷却后按照如图3所示，提纯产物。
五、装置优点
乙酸乙酯属于酯类，因沸点低且密度小于水，在高中化学中乙酸乙酯的制备装置和操作巧妙地利用化学平衡原理提高产率，并在制备的过程中分离产物，在制备结束后通过分液等简单操作提纯产物。必修和选择性必修的两次实验教学可能会促使学生形成思维定势，泛化酯类的制备。而有机化合物制备的实验装置需根据物质性质的不同选择，装置1实现了有机物回流、水分离出体系的目的，装置2则通过增长反应时间增大产率，产物分离提纯更需重视。实验装置的改进有助于学生打破思维定势，重塑有机物制备思维模型（如表3），实验装置是在课本原有的基础上进行改进的，学生易于理解，实验仪器简单、易组装、操作性强，实验现象对比明显，学生易于观察思考。
参考文献：
［1］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：22+49.
［2］刘 敏，魏良怡.乙酸乙酯制备演示实验的再改进设计［J］.化学教学，2015，（12）：65～67.
［3］李晓明.实验教学中要进行观念的渗透——以“乙酸乙酯的制备”实验复习为例［J］.化学教育，2016，37（09）：52～55.
［4］杨玉峰.乙酸乙酯制备演示实验的新设计［J］.化学教学，2019，（03）：67～68+71.
［5］鞠志宇，赵书珍，孔灵钰等.乙酸乙酯的可视化制备［J］.大学化学，2022，37（05）：248～252.