摘要：在原有实验改进基础上对甲烷与氯气取代反应实验进行了更加深入的研究和改进，并取得了新的进展，使反应更快、更安全，且便于科学探究。同时研究发现，改变甲烷与氯气的体积比可影响取代反应的速率。
关键词：甲烷；取代反应；改进
文章编号：1005-6629(2011)01-0042-02
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
在高中化学新课标教材中都安排了甲烷与氯气的取代反应演示实验，但该实验存在光照条件不易控制、实验现象不明显、装置密封性较差、Cl2气易泄漏等不足，在教学实践中，笔者对该实验进行了深入的研究，针对上述不足，改进实验装置，优化实验条件，取得了较好的实验效果。
下面具体介绍实验的改进措施和方法。
1 实验装置的改进
1.1 实验装置(如图1所示)
1.2 实验步骤及现象
(1)按图1所示连接好实验装置，检查该装置的气密性，确保不漏气。
(2)打开弹簧夹，取下橡胶塞，向玻璃管内注入饱和食盐水至接近管的上口，塞紧橡胶塞，用手轻轻挤压盛有饱和食盐水的气球，至橡胶管内充满溶液为止，以排尽玻璃管内的空气，关闭弹簧夹。事先在玻璃管外壁套一红皮筋。
(3)将节能灯管平移至距玻璃管外壁2～3cm处，给灯管加一个U形金属护罩。
(4)将盛有CH4气体的注射器的针口(不带针头)与橡胶管连接好，打开弹簧夹，向玻璃管内缓缓注入15mL CH4气体，然后关闭弹簧夹。用同样的方法再向玻璃管内注入35mL Cl2气。调整红皮筋位置与玻璃管内液面处相平，以标记液面起始位置。
(5)接通电源，以节能灯管为光源照射充有混合气体的玻璃管，可观察到下列实验现象：
①玻璃管内壁逐渐变模糊，在管的内壁和液面出现油状液滴。
②管内液面逐渐上升。反应结束后，上升的液体体积所占混合气体体积的五分之四以上。
③混合气体黄绿色逐渐变浅直至消失。
另外，还可看到有少许白色晶体(实为NaCl晶体)从管内液面处析出并缓缓下沉。
(6)实验结束(管内液面不再上升)后，断开电源。用步骤(4)的方法向玻璃管内注入10mL浓氢氧化钠溶液，关闭弹簧夹，进行尾气处理。
1.3 改进优点
(1)反应速率快，实验用时短(耗时在2分钟之内)，实验现象明显，成功率高。
(2)实验材料廉价易得；实验装置更加简洁、紧凑，便于移动，易在普通中学推广。
(3)用气球代替水槽或U形管，除可减少饱和食盐水用量外，还有两大优点：一是使装置密封性更好，氯气不会泄露，更加环保；二是若反应条件控制不当，反应过于剧烈，气球良好的伸缩性，在一定程度上可以缓冲压强的骤变，不会导致玻璃管炸裂，而使氯气泄露，安全性大大提高。
(4)利用该装置可对诸多影响甲烷与氯气取代反应速率的因素进行科学探究。
2 新的研究结论
在研究影响CH4与Cl2取代反应速率的因素时发现：外界温度、灯管功率、玻璃管到灯管的距离等因素都会影响反应的速率。除此之外，还得到如下经验性结论：其他条件一定时，适当增大混合气体中Cl2的体积分数，反应速率会加快。
查阅大学教材可知：CH4与Cl2的取代反应是一种游离基(或自由基)取代反应，在光照条件下，首先是Cl2分子中Cl-Cl键发生均裂成为游离基(即活性氯原子)，游离基很活泼，与CH4分子发生有效碰撞时，从CH4分子中夺取H原子从而引发取代反应。结合高中所学化学反应速率理论，不难理解，混合气体中Cl2的体积分数增大，产生游离基的浓度增大，单位时间内发生有效碰撞的次数会增加，因此反应速率会加快。当然，CH4的浓度大小也会影响反应速率，但毕竟是游离基氯引发的取代反应，加之是较复杂(有机产物不止一种)的非定量反应，故其他条件一定时。反应速率在很大程度上受到Cl2体积分数大小的影响。
大量实验研究表明：实验时CH4与Cl2的体积比可控制在1：4～1：1。在寒冷的冬季因温度较低，反应速率较慢，建议CH4与Cl2的体积比控制在1：4。若反应速率还是较慢，可在气体混合前单独光照一会儿或预热一下Cl2(用浸热水的毛巾捂一会儿充有Cl2的注射器)，这样反应速率会大大提高，一般能满足课堂教学的需要。若在温度较高的夏季做实验，视外界温度可适当减小Cl2的体积分数直至CH4与Cl2的体积比为1：1，防止反应过于剧烈而发生爆炸。
3 几点说明
(1)给节能灯管加一个U形金属护罩，可避免光线刺伤实验观察者的眼睛，同时它还有聚光作用，能加快反应速率。U形金属护罩的做法：取一块光亮的不锈钢薄板，剪成一长方形(具体尺寸由灯管大小决定)，按灯管的外径轮廓弯成U形即可。
(2)为尽量使气体混合均匀，最好先向玻璃管内注密度较小的CH4，再注密度较大的Cl2。用红皮筋标记液面起始位置的目的是便于观察比较反应前后液面的变化情况。
(3)利用该装置还可做其他气态烷烃，如丁烷(气体打火机中的燃气)与Cl2取代反应实验，效果也非常好。
参考文献：
[1]刘英杰，甲烷与氯气取代反应实验装置的改进及反应条件的探究学教育，2009，30(9)：49～50.
[2]谷亨杰，吴泳，丁金昌，有机化学，北京：高等教育出版社，1990，26～30.