第 42 章 · 学生必做实验（二）· 结构、反应与有机

项目	内容
课标主题	必修 · 主题 1 化学科学与实验探究（学生必做实验）；主题 3 物质结构基础与化学反应规律；主题 4 简单的有机化合物及其应用
人教版（2019）	必修第一册 实验活动 3”同周期、同主族元素性质的递变”；必修第二册 实验活动 6”化学反应速率的影响因素”、实验活动 7”化学能转化成电能”、实验活动 8”搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点”、实验活动 9”乙醇、乙酸的主要性质”
考试地位	元素周期律、反应速率、原电池、有机物的结构与性质都是选择题和实验题的高频考点；这五个实验的现象、结论和方程式是答题的直接依据
前置知识	第 15 章元素周期律；第 22 章化学反应速率；第 20 章原电池；第 16、17 章化学键与分子结构；第 30、33、34 章有机物的结构与性质

这五个实验横跨结构、反应原理和有机三块，表面看互不相干，其实都在回答同一个问题：物质的性质由什么决定。元素的性质由原子结构（最外层电子）决定，反应速率由反应物本身和外界条件决定，原电池把自发的氧化还原反应变成电能，有机物的性质由官能团和碳骨架决定。做实验时把这些“决定关系”说清楚，比记住现象更重要。

42.1 实验一览

实验	测什么或探究什么	方法归类
42.2 同周期、同主族元素性质的递变	金属性和非金属性随原子序数的变化规律	定性探究；比较归纳
42.3 化学反应速率的影响因素	浓度、温度、催化剂、表面积对反应速率的影响	定性探究；控制变量
42.4 化学能转化成电能	原电池的构成条件、电极反应和电子流向	定性探究；电化学
42.5 搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点	碳的四价、四面体构型、同分异构现象	模型建构；空间想象
42.6 乙醇、乙酸的主要性质	乙醇与钠反应、催化氧化、酯化；乙酸的酸性和酯化	定性探究；官能团性质

42.2 同周期、同主族元素性质的递变

目的与原理

目的：通过钠、镁、铝与水或酸的反应，钾、钠与水反应的剧烈程度，以及氯、溴、碘之间的置换反应，验证元素性质的递变规律。

原理：

• 金属性看失电子的能力：与水或酸反应越剧烈、最高价氧化物对应水化物的碱性越强，金属性越强。
• 非金属性看得电子的能力：与氢气化合越容易、氢化物越稳定、最高价含氧酸的酸性越强、能把其他卤素从盐溶液中置换出来，非金属性越强。
• 同周期从左到右，金属性减弱、非金属性增强；同主族从上到下，金属性增强、非金属性减弱。

器材与装置

试管、烧杯、镊子、滤纸、小刀、酒精灯、砂纸；钠、钾、镁条、铝片、稀盐酸、酚酞溶液、氯水、溴水、$\ce{NaBr}$ 溶液、KI 溶液、淀粉溶液、$\ce{CCl4}$。

步骤

1. 钠与水：用镊子取一小块钠，用滤纸吸干煤油，放入盛水的烧杯中，滴入酚酞，观察：钠浮在水面、熔成小球、四处游动、发出嘶嘶声，溶液变红。
2. 钾与水：同样操作，观察钾与水反应比钠更剧烈，甚至燃烧、爆炸。
3. 镁、铝与盐酸：取打磨过、大小相近的镁条和铝片，分别加入同浓度、同体积的稀盐酸，比较产生气泡的剧烈程度：镁比铝剧烈。
4. 镁、铝与热水：取打磨过的镁条和铝片，分别放入热水中，观察：镁条表面产生气泡较快，铝片反应不明显；说明铝的金属性比镁弱。
5. 氯水与 $\ce{NaBr}$：向 $\ce{NaBr}$ 溶液中滴加氯水，溶液变橙黄色，说明生成了 $\ce{Br2}$：$\ce{Cl2 + 2NaBr = 2NaCl + Br2}$。
6. 氯水与 KI：向 KI 溶液中滴加氯水，再加淀粉溶液，变蓝，说明生成了 $\ce{I2}$：$\ce{Cl2 + 2KI = 2KCl + I2}$。
7. 溴水与 KI：向 KI 溶液中滴加溴水，再加淀粉溶液，变蓝：$\ce{Br2 + 2KI = 2KBr + I2}$。

数据处理

定性实验记录现象并比较：

实验	现象	结论
钠与水	浮、熔、游、响，溶液变红	钠很活泼，生成 $\ce{NaOH}$ 和 $\ce{H2}$
钾与水	比钠更剧烈，燃烧甚至爆炸	同主族从上到下金属性增强，$\ce{K > Na}$
镁、铝与盐酸	镁产生气泡比铝快	同周期从左到右金属性减弱，$\ce{Na > Mg > Al}$
氯水 + $\ce{NaBr}$	溶液变橙黄	$\ce{Cl2}$ 能置换 $\ce{Br2}$，非金属性 $\ce{Cl > Br}$
氯水 + KI	加淀粉变蓝	$\ce{Cl2}$ 能置换 $\ce{I2}$，非金属性 $\ce{Cl > I}$
溴水 + KI	加淀粉变蓝	$\ce{Br2}$ 能置换 $\ce{I2}$，非金属性 $\ce{Br > I}$

结论：金属性 $\ce{K > Na > Mg > Al}$；非金属性 $\ce{Cl > Br > I}$。

误差分析

定性实验的“误差”是现象不明显或结论不可靠：

• 钠、钾表面有煤油，不吸干会影响与水接触，反应现象不明显。
• 铝片表面有致密的氧化膜，不打磨就看不到与水的反应。
• 氯水放置久了会失效（$\ce{Cl2}$ 挥发、$\ce{HClO}$ 分解），置换现象不明显；要用新制氯水。
• 溴水浓度低时，置换生成的 $\ce{Br2}$ 颜色浅，要加 $\ce{CCl4}$ 萃取后观察有机层的橙红色。
• 比较镁、铝与盐酸的反应时，酸的浓度和体积、金属的表面积要相同，否则比较不公平。

注意事项

• 钠、钾保存在煤油中，用镊子取用，不能用手直接接触；剩余的钠、钾要放回原试剂瓶。
• 钾与水反应更剧烈，用量要少，实验时戴护目镜，保持距离。
• 氯水、溴水有腐蚀性和刺激性，取用时要小心，实验在通风处进行。
• 镁条、铝片先用砂纸打磨，除去氧化膜。
• 钠与水反应生成 $\ce{H2}$，点燃前要验纯；反应后的溶液显碱性，不能直接用手接触。
• 比较金属性时，要用“同浓度、同体积、同表面积”的条件，体现控制变量。

例题

例 1　（场景：由现象比较金属性）根据钠、镁、铝与水或酸反应的现象，比较三种金属的金属性强弱，并说明依据。

解：

判断依据：金属性看失电子能力，表现为与水或酸反应的剧烈程度。

• 钠与水剧烈反应，镁与冷水反应很慢、与热水较快，铝与热水几乎不反应（氧化膜除去后也很慢）。
• 与同浓度盐酸反应，镁比铝剧烈。
• 结论：金属性 $\ce{Na > Mg > Al}$，符合同周期从左到右金属性减弱的规律。

检验：三种金属都是第三周期，原子序数依次增大，结论与周期律一致。

三查：$\ce{2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 ^}$、$\ce{Mg + 2H2O} \xlongequal{\Delta} \ce{Mg(OH)2 + H2 ^}$ 原子、电荷守恒；都是氧化还原反应，电子守恒。

例 2　（场景：设计实验证明非金属性）设计实验证明非金属性 $\ce{Cl > Br > I}$，写出操作、现象和方程式。

解：

判断依据：非金属性强弱看置换能力：强的能把弱的从盐溶液中置换出来。

• 向 $\ce{NaBr}$ 溶液中滴加氯水，溶液变橙黄色：$\ce{Cl2 + 2NaBr = 2NaCl + Br2}$，说明 $\ce{Cl > Br}$。
• 向 KI 溶液中滴加溴水，加淀粉后变蓝：$\ce{Br2 + 2KI = 2KBr + I2}$，说明 $\ce{Br > I}$。
• 向 KI 溶液中滴加氯水，加淀粉后变蓝：$\ce{Cl2 + 2KI = 2KCl + I2}$，说明 $\ce{Cl > I}$。

检验：三次置换的方向一致，结论链完整；置换反应说明氧化性 $\ce{Cl2 > Br2 > I2}$，对应非金属性。

三查：三条方程式原子、电荷守恒；卤素单质被还原、卤离子被氧化，电子守恒。

例 3　（场景：解释实验现象）铝与同浓度盐酸反应比镁慢，但铝制品在空气中比镁制品耐腐蚀，两者矛盾吗？

解：

判断依据：反应速率看的是“实际参与反应的金属”，铝表面有致密的氧化膜。

• 不矛盾。铝的表面有一层致密的 $\ce{Al2O3}$ 薄膜，阻止内部金属与酸、空气接触，所以耐腐蚀。
• 与盐酸反应前用砂纸打磨，除去氧化膜，铝也能与酸反应，但仍是镁更剧烈，说明金属性 $\ce{Mg > Al}$。
• 氧化膜的耐腐蚀性是“表面现象”，金属性是“本质性质”，两者不冲突。

检验：打磨与不打磨的现象差别，正说明氧化膜的存在；比较金属性必须在除去氧化膜后进行。

易错点

• 错在哪：把钠、钾与水反应的现象记反。 为什么错：记忆性错误。钾比钠更活泼，反应更剧烈。 正确做法：同主族从上到下金属性增强，钾与水反应比钠剧烈，甚至燃烧、爆炸。
• 错在哪：用铝与盐酸反应比镁慢，直接得出“铝的金属性比镁弱”，但没有打磨铝片。 为什么错：理解性错误。氧化膜会减慢反应，比较前必须除去。 正确做法：先用砂纸打磨铝片，在相同条件下比较。
• 错在哪：只凭氯水能置换出溴，就认为不必再检验其他性质。 为什么错：证据不充分。置换反应说明氧化性 $\ce{Cl2 > Br2}$，也是非金属性 $\ce{Cl > Br}$ 的依据之一；完整的比较还要看氢化物稳定性、最高价含氧酸酸性等。 正确做法：置换反应是证据之一，结论要综合多条证据。

关联知识点

• 前置：第 15 章元素周期表与元素周期律。
• 前置：第 6 章钠及其化合物、第 9 章氯及其化合物。
• 前置：第 5 章氧化还原反应，置换反应的电子转移。
• 关联：第 17 章分子结构与性质，氢化物稳定性的解释。
• 常一起考：第 10 章硫及其化合物（$\ce{SO2}$ 与卤素单质的反应）。

42.3 化学反应速率的影响因素

目的与原理

目的：探究浓度、温度、催化剂、固体表面积对化学反应速率的影响，学会用控制变量法设计实验。

原理：反应速率由反应物本身的性质决定，外界条件可以改变速率。反应物浓度越大、温度越高、有合适的催化剂、固体表面积越大，单位时间内有效碰撞的次数越多，反应越快；有气体参加时，增大压强（缩小体积）也能加快反应。

器材与装置

试管、烧杯、量筒、温度计、秒表、水浴装置；$\ce{Na2S2O3}$ 溶液、稀硫酸、$\ce{H2O2}$ 溶液、$\ce{MnO2}$、锌粒、锌粉、稀盐酸。

步骤

1. 浓度：取两支试管，分别加入不同浓度、同体积的 $\ce{Na2S2O3}$ 溶液，再同时加入同体积、同浓度的稀硫酸，记录出现浑浊的时间。
2. 温度：取两支试管，各加入同浓度、同体积的 $\ce{Na2S2O3}$ 溶液；另取两支试管，各加入同浓度、同体积的稀硫酸。把 $\ce{Na2S2O3}$ 溶液和稀硫酸各取一支作为一组，一组放入冷水、另一组放入热水，恒温后同时混合，记录出现浑浊的时间。
3. 催化剂：取两支试管，各加同浓度、同体积的 $\ce{H2O2}$ 溶液，一支加入少量 $\ce{MnO2}$，比较产生气泡的速率。
4. 表面积：取两份质量相同的锌粒和锌粉，分别加入同浓度、同体积的稀盐酸，比较产生气泡的速率。

反应：$\ce{Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + SO2 ^ + S v + H2O}$。

数据处理

实验	改变的条件	出现浑浊或产生气泡的快慢	结论
不同浓度的 $\ce{Na2S2O3}$	浓度	浓度大的先浑浊	浓度越大，速率越快
不同温度的 $\ce{Na2S2O3}$	温度	温度高的先浑浊	温度越高，速率越快
$\ce{H2O2}$ 加与不加 $\ce{MnO2}$	催化剂	加的迅速产生大量气泡	催化剂加快反应
锌粒与锌粉	表面积	锌粉产生气泡快	表面积越大，速率越快

误差分析

• 温度不一致：比较浓度时，两组实验必须同温，否则温度成为第二个变量。
• 加入顺序不同：两种溶液要同时混合，否则计时起点不一致。
• 观察标准主观：用“出现浑浊的时间”判断快慢，浑浊程度的判断有主观性，可以统一用“看不清试管后面的字”作为终点。
• 秒表读数误差：反应很快时，读数误差占比大；可以适当降低浓度或温度。
• 催化剂用量不同：$\ce{MnO2}$ 的用量要相同，否则比较不公平。

注意事项

• 控制变量：每组实验只改变一个条件，其余条件（浓度、体积、温度、表面积）相同，并在记录中写明。
• 两种溶液混合时要同时倒入，并立即开始计时。
• 温度实验用水浴加热，保证两支试管温度稳定；不要用酒精灯直接加热试管。
• $\ce{H2O2}$ 溶液要新配，久置会分解，影响比较。
• $\ce{SO2}$ 有刺激性气味，实验在通风处进行，注意用量。
• 比较锌粒和锌粉时，质量要相同，酸的浓度和体积要相同。

例题

例 1　（场景：设计控制变量实验）设计实验探究浓度对 $\ce{Na2S2O3}$ 与稀硫酸反应速率的影响，写出操作和需要控制的条件。

解：

判断依据：只改变 $\ce{Na2S2O3}$ 的浓度，其余条件相同。

• 取两支试管，分别加入同体积、不同浓度的 $\ce{Na2S2O3}$ 溶液（如 $0.1\ \mathrm{mol/L}$ 和 $0.2\ \mathrm{mol/L}$）。
• 同时加入同体积、同浓度的稀硫酸，立即计时。
• 记录出现浑浊的时间，浓度大的先浑浊。
• 需要控制的条件：温度相同、酸的浓度和体积相同、混合方式相同、观察标准相同。

检验：只有浓度不同，其他条件一致，结论才能归因于浓度。

三查：$\ce{Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + SO2 ^ + S v + H2O}$ 原子守恒。

例 2　（场景：由数据得结论）某同学测得不同温度下 $\ce{Na2S2O3}$ 与稀硫酸反应出现浑浊的时间：$20\ ^\circ\mathrm{C}$ 为 $30\ \mathrm{s}$，$30\ ^\circ\mathrm{C}$ 为 $18\ \mathrm{s}$，$40\ ^\circ\mathrm{C}$ 为 $10\ \mathrm{s}$。能得出什么结论？

解：

判断依据：时间越短，反应越快；温度是唯一改变的条件。

• 温度升高，出现浑浊的时间缩短，反应速率加快。
• 从 $20\ ^\circ\mathrm{C}$ 到 $40\ ^\circ\mathrm{C}$，时间从 $30\ \mathrm{s}$ 缩短到 $10\ \mathrm{s}$，速率约变为原来的 $3$ 倍。
• 结论：其他条件相同时，升高温度能加快反应速率。

检验：三组数据只有温度不同，时间随温度升高而缩短，规律一致。

例 3　（场景：解释催化剂）在 $\ce{H2O2}$ 分解实验中，加入 $\ce{MnO2}$ 后产生气泡明显加快，反应前后 $\ce{MnO2}$ 的质量和性质不变。说明催化剂的作用。

解：

判断依据：催化剂改变反应速率，但反应前后本身的质量和化学性质不变。

• $\ce{MnO2}$ 降低了反应的活化能，使更多分子成为活化分子，反应加快（第 22 章）。
• $\ce{MnO2}$ 不改变反应的始态和终态，所以不改变反应的焓变，也不改变平衡常数。
• 反应前后 $\ce{MnO2}$ 的质量和化学性质不变，可以重复使用。

检验：催化剂只改变“走哪条路”，不改变“起点和终点”；速率变快，平衡位置不变。

三查：$\ce{2H2O2} \xlongequal{\ce{MnO2}} \ce{2H2O + O2 ^}$ 原子守恒；O 的化合价从 $-1$ 变为 $0$ 和 $-2$，电子守恒。

易错点

• 错在哪：比较浓度对速率的影响时，两组实验温度不同。 为什么错：理解性错误。温度也会改变速率，两个变量同时变，无法判断原因。 正确做法：控制温度相同，只改变浓度。
• 错在哪：认为催化剂能提高反应的平衡转化率。 为什么错：理解性错误。催化剂只加快反应速率，不改变平衡状态。 正确做法：催化剂缩短达到平衡的时间，不改变平衡转化率。
• 错在哪：用块状锌和锌粉比较表面积，但两份质量不同。 为什么错：规范性错误。质量不同，接触面积和物质的量都不同，比较不公平。 正确做法：取相同质量的锌粒和锌粉，其余条件相同。

关联知识点

• 前置：第 22 章化学反应速率，速率的影响因素和活化能。
• 前置：第 23 章化学平衡，催化剂不影响平衡。
• 关联：第 5 章氧化还原反应，$\ce{Na2S2O3}$ 与硫酸的反应。
• 关联：第 39 章气体的制备与实验装置（$\ce{SO2}$ 的尾气处理）。
• 常一起考：第 27 章盐类水解的影响因素（温度、浓度）。

42.4 化学能转化成电能

目的与原理

目的：组装原电池，观察电流的产生，理解化学能转化为电能的过程，掌握原电池的构成条件和电极反应。

原理：把自发的氧化还原反应拆成两个电极反应，让电子通过外电路流动，化学能转化为电能。

• 负极（锌）：$\ce{Zn - 2e- = Zn^2+}$，发生氧化反应。
• 正极（铜）：$\ce{2H+ + 2e- = H2 ^}$，发生还原反应。
• 总反应：$\ce{Zn + 2H+ = Zn^2+ + H2 ^}$。

器材与装置

烧杯、锌片、铜片、石墨棒、导线、电流计（或小灯泡）、砂纸；稀硫酸（或硫酸铜溶液）。

步骤

1. 用砂纸打磨锌片和铜片，除去表面的氧化膜。
2. 将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，用导线连接两电极，导线中间接电流计（或小灯泡）。
3. 观察电流计指针是否偏转（用小灯泡时看是否发光）、锌片和铜片表面的现象。
4. 将铜片换成石墨棒，重复实验，比较现象。
5. 把稀硫酸换成硫酸铜溶液，重复实验，观察铜片表面的变化。

数据处理

观察项目	现象	结论
电流计指针	发生偏转	有电流产生，化学能转化为电能
锌片	逐渐溶解	锌失电子，作负极：$\ce{Zn - 2e- = Zn^2+}$
铜片	表面有气泡	氢离子得电子，作正极：$\ce{2H+ + 2e- = H2 ^}$
电子流向	由锌经导线流向铜	电子从负极流向正极
溶液中离子	阳离子移向正极，阴离子移向负极	形成闭合回路

误差分析

定性实验的“误差”是现象不明显：

• 电极表面有氧化膜，接触不良，电流计偏转不明显；要用砂纸打磨。
• 导线连接松动、电流计接线柱接触不良，会造成电流时有时无。
• 电解质溶液浓度太低，反应慢，电流小。
• 锌片不纯（含杂质），会形成许多微小的原电池，锌片自身溶解加快，影响观察。
• 电流计量程选得太大，指针偏转不明显；要选合适的量程。

注意事项

• 原电池的构成条件：两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路、自发的氧化还原反应，四个条件缺一不可。
• 电子从负极经外电路流向正极，不能通过溶液；溶液中是离子定向移动。
• 负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
• 实验时不要把两电极直接接触，否则短路，没有电流通过外电路。
• 用稀硫酸时铜片表面产生 $\ce{H2}$；用硫酸铜溶液时，铜片表面析出铜，电极反应不同。
• 实验结束后拆开装置，废液回收。

例题

例 1　（场景：判断电极和电子流向）在锌、铜、稀硫酸组成的原电池中，指出正负极、电子流向和电极反应。

解：

判断依据：活泼性强的金属作负极，失电子；电子由负极经外电路流向正极。

• 负极：锌，$\ce{Zn - 2e- = Zn^2+}$（氧化反应）。
• 正极：铜，$\ce{2H+ + 2e- = H2 ^}$（还原反应）。
• 电子流向：由锌经导线流向铜；溶液中 $\ce{H+}$ 移向铜片。
• 总反应：$\ce{Zn + 2H+ = Zn^2+ + H2 ^}$。

检验：锌比铜活泼，作负极；电子从负极流出，正极得到电子；现象与电极反应一致。

三查：两个电极反应原子、电荷守恒；电子守恒（锌失 $2$ 个电子，两个 $\ce{H+}$ 得 $2$ 个电子）。

例 2　（场景：设计原电池）用 $\ce{Fe}$、石墨、$\ce{FeCl3}$ 溶液设计一个原电池，写出电极反应和总反应。

解：

判断依据：$\ce{Fe}$ 能失电子，$\ce{Fe^3+}$ 有氧化性，能氧化 $\ce{Fe}$；石墨是惰性电极，不与 $\ce{FeCl3}$ 反应。

• 负极：$\ce{Fe - 2e- = Fe^2+}$。
• 正极：$\ce{2Fe^3+ + 2e- = 2Fe^2+}$。
• 总反应：$\ce{Fe + 2Fe^3+ = 3Fe^2+}$。
• 电子由铁电极经导线流向石墨电极。

检验：$\ce{Fe^3+}$ 在正极得电子，铁在负极失电子；总反应是自发的氧化还原反应。正极不用铜：铜会与 $\ce{Fe^3+}$ 直接反应（第 20 章）。

三查：电极反应和总反应的原子、电荷守恒；电子守恒。

例 3　（场景：解释现象）锌片、铜片插入稀硫酸组成原电池，铜片表面产生气泡。铜不是不与稀硫酸反应吗？

解：

判断依据：铜片表面的气泡是 $\ce{H+}$ 在正极得电子生成的 $\ce{H2}$，不是铜与酸反应。

• 锌失电子，电子经导线流到铜片；溶液中的 $\ce{H+}$ 在铜片表面得到电子，生成 $\ce{H2}$。
• 铜本身不参与反应，只作导体和正极，所以铜片不溶解。
• 气泡的产生说明原电池把锌与酸的反应“分”到了两个电极上进行。

检验：如果铜与酸直接反应，铜片会溶解；实验中铜片质量不变，说明铜没有参与化学反应。

三查：$\ce{2H+ + 2e- = H2 ^}$ 电荷守恒；电子由锌提供，电子守恒。

易错点

• 错在哪：认为原电池中电子通过溶液从负极流向正极。 为什么错：理解性错误。电子只能在导线中流动，溶液中是离子定向移动。 正确做法：电子经外电路由负极流向正极，溶液中阳离子移向正极、阴离子移向负极。
• 错在哪：把正极当作“发生氧化反应的电极”。 为什么错：记忆性错误。负极发生氧化反应，正极发生还原反应。 正确做法：记“负极失电子被氧化，正极得电子被还原”。
• 错在哪：认为原电池的电极必须都是金属。 为什么错：理解性错误。石墨等导体也可以作电极。 正确做法：电极只要导电且活泼性不同即可，石墨是常用的惰性电极。

关联知识点

• 前置：第 20 章原电池与化学电源。
• 前置：第 5 章氧化还原反应，氧化反应和还原反应的拆分。
• 前置：第 21 章电解池，原电池与电解池的对比。
• 关联：第 41 章 41.3 铁的性质，$\ce{Fe^3+}$ 的氧化性。
• 常一起考：第 24 章化学反应的方向与调控。

42.5 搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点

目的与原理

目的：用球棍模型认识碳原子的四价、四面体构型和同分异构现象，理解有机物的空间结构。

原理：碳原子最外层有 4 个电子，能形成 4 个共价键。单键可以旋转，双键和三键不能自由旋转；碳原子的四个单键指向四面体的四个顶点，键角约 $109^\circ 28'$。

器材与装置

球棍模型套装（不同颜色的小球代表 C、H、O 等原子，短棍代表单键，长棍或弹簧代表双键、三键）、结构式卡片。

步骤

1. 甲烷：用 1 个碳球和 4 个氢球搭甲烷，观察四个键的空间分布，测量键角。
2. 乙烷：用 2 个碳球和 6 个氢球搭乙烷，沿碳碳单键旋转，观察两个甲基的相对位置变化。
3. 乙烯：用 2 个碳球和 4 个氢球搭乙烯，用两根短棍表示双键，观察六个原子是否共面、能否旋转。
4. 乙炔：用 2 个碳球和 2 个氢球搭乙炔，用三根短棍表示三键，观察四个原子是否共线。
5. 乙醇、乙酸：搭出 $\ce{CH3CH2OH}$ 和 $\ce{CH3COOH}$，指认羟基和羧基。
6. 同分异构：用 4 个碳球和 10 个氢球搭 $\ce{C4H10}$，尝试搭出正丁烷和异丁烷两种结构。

数据处理

分子	结构特点	观察结论
$\ce{CH4}$	正四面体，键角约 $109^\circ 28'$	四个键完全等同，二氯取代物只有一种
$\ce{C2H6}$	两个四面体通过碳碳单键相连	碳碳单键可以旋转
$\ce{C2H4}$	六个原子共面，双键不能旋转	双键两端连不同基团时才有顺反异构
$\ce{C2H2}$	四个原子共线	直线形分子
$\ce{C4H10}$	正丁烷和异丁烷两种骨架	分子式相同、结构不同，互为同分异构体

误差分析

模型是理想化的，与真实分子有差别：

• 模型的小球大小、键长比例是示意的，不代表真实的比例。
• 模型的键角是固定的，真实分子在振动，键角有微小变化。
• 双键用两根短棍表示，看不出 π 键的电子云形状；顺反异构的判断要以“能否旋转”为准。
• 同分异构体的模型搭建容易漏掉一种，要按“碳骨架”逐个尝试，不能凭感觉。

注意事项

• 小球颜色要统一代表同种原子，搭完后能直接读出分子式。
• 单键用一根短棍，双键用两根，三键用三根；不要用一根短棍加一根弹簧混搭。
• 搭建时先搭碳骨架，再加氢原子，最后检查每个碳是否满足四价。
• 甲烷的二氯取代物只有一种，说明甲烷是正四面体而不是平面正方形；这一点模型能直观看出。
• 同分异构体的判断标准是“分子式相同、结构不同”，不是“看起来不一样”。

例题

例 1　（场景：由模型判断同分异构体数目）用模型搭出 $\ce{CH2Cl2}$，有几种不同的结构？说明理由。

解：

判断依据：甲烷是正四面体结构，四个顶点完全等同。

• $\ce{CH2Cl2}$ 只有一种结构：两个氯原子在正四面体的任意两个顶点上，位置等价。
• 如果甲烷是平面正方形，$\ce{CH2Cl2}$ 会有两种（相邻和对角），实验证明只有一种，说明甲烷是正四面体。

检验：模型旋转后两种“看起来不同”的摆放可以重合，说明是同一种结构。

例 2　（场景：判断共面、共线）根据模型判断：乙烯分子中最多有几个原子共面？乙炔分子中几个原子共线？

解：

判断依据：双键两端的碳和相连的原子共面；三键两端的碳和相连的原子共线。

• 乙烯：$2$ 个碳和 $4$ 个氢共 $6$ 个原子共面，双键不能旋转，所以最多 $6$ 个原子共面。
• 乙炔：$2$ 个碳和 $2$ 个氢共 $4$ 个原子在同一直线上。
• 苯：$12$ 个原子共面（第 32 章）。

检验：模型上双键部分的原子在同一平面内，三键部分的原子在一条直线上。

例 3　（场景：搭建同分异构体）用模型搭出 $\ce{C4H10}$ 的所有同分异构体，写出结构简式。

解：

判断依据：先搭碳骨架，再加氢；碳骨架有直链和支链两种。

• 直链：$\ce{CH3CH2CH2CH3}$（正丁烷）。
• 支链：$\ce{CH3CH(CH3)CH3}$（异丁烷）。
• 共两种同分异构体。

检验：两种骨架的连接方式不同，不能重合；碳原子都满足四价。

易错点

• 错在哪：认为 $\ce{CH2Cl2}$ 有两种结构。 为什么错：理解性错误。把甲烷当成平面正方形，实际上它是正四面体。 正确做法：正四面体的四个顶点等价，$\ce{CH2Cl2}$ 只有一种。
• 错在哪：认为碳碳单键和双键都能自由旋转。 为什么错：理解性错误。双键不能自由旋转，所以有顺反异构。 正确做法：单键可旋转，双键、三键不能旋转。
• 错在哪：判断同分异构体时只看“画得不一样”。 为什么错：理解性错误。把分子旋转、翻转后能重合的，是同一种结构。 正确做法：按碳骨架系统列举，检查能否重合。

关联知识点

• 前置：第 16 章化学键，共价键的形成。
• 前置：第 17 章分子的空间结构与性质，杂化与键角。
• 前置：第 30 章有机化合物的结构表示，同分异构体。
• 关联：第 31 章烷烃的命名和同分异构体。
• 常一起考：第 32 章苯的结构与共面原子数。

42.6 乙醇、乙酸的主要性质

目的与原理

目的：验证乙醇与钠反应、乙醇的催化氧化、乙酸的酸性和酯化反应，理解羟基和羧基的性质。

原理：

• 乙醇与钠反应，羟基上的氢被置换：$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2ONa + H2 ^}$。
• 乙醇在铜催化下被氧化成乙醛：$\ce{2CH3CH2OH + O2 ->[\text{Cu}][\Delta] 2CH3CHO + 2H2O}$。
• 乙酸有酸性，能与碱、碳酸盐反应：$\ce{CH3COOH + NaOH -> CH3COONa + H2O}$、$\ce{2CH3COOH + Na2CO3 -> 2CH3COONa + CO2 ^ + H2O}$。
• 乙酸与乙醇在浓硫酸催化下酯化：$\ce{CH3COOH + CH3CH2OH <=>[\text{浓硫酸}][\Delta] CH3COOCH2CH3 + H2O}$。

器材与装置

试管、烧杯、酒精灯、导管、橡皮塞、镊子、铜丝；乙醇、金属钠、乙酸、石蕊溶液、$\ce{Na2CO3}$ 溶液、$\ce{NaOH}$ 溶液、浓硫酸、饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液。

步骤

1. 乙醇与钠：向盛有少量乙醇的试管中投入一小块钠，观察气泡，收集气体并检验：$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2ONa + H2 ^}$。
2. 乙醇的催化氧化：把铜丝在酒精灯上加热至变黑，迅速插入乙醇中，反复几次，闻气味：$\ce{2CH3CH2OH + O2 ->[\text{Cu}][\Delta] 2CH3CHO + 2H2O}$。
3. 乙酸的酸性：向乙酸溶液中滴加石蕊，变红；加入 $\ce{Na2CO3}$ 溶液，产生气泡。
4. 酯化反应：在试管中加乙醇、乙酸和少量浓硫酸，加热，将产生的蒸气通入饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液，观察上层油状液体。

数据处理

实验	现象	结论	方程式
乙醇与钠	缓慢放出气泡，钠沉在乙醇底部	乙醇羟基上的氢被置换	$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2ONa + H2 ^}$
乙醇催化氧化	铜丝由黑变红，有刺激性气味	乙醇被氧化成乙醛	$\ce{2CH3CH2OH + O2 ->[\text{Cu}][\Delta] 2CH3CHO + 2H2O}$
乙酸与石蕊	溶液变红	乙酸显酸性	—
乙酸与 $\ce{Na2CO3}$	产生气泡	乙酸酸性比碳酸强	$\ce{2CH3COOH + Na2CO3 -> 2CH3COONa + CO2 ^ + H2O}$
酯化反应	饱和 $\ce{Na2CO3}$ 液面上有油状液体，有香味	生成乙酸乙酯	$\ce{CH3COOH + CH3CH2OH <=>[\text{浓硫酸}][\Delta] CH3COOCH2CH3 + H2O}$

误差分析

定性实验的“误差”是现象不明显或产物不纯：

• 乙醇中含水，钠与水反应更剧烈，会干扰“乙醇与钠反应”的观察；要用无水乙醇。
• 钠的用量过多，反应剧烈，可能燃烧；用量要小。
• 铜丝加热温度不够，催化氧化现象不明显；要加热到铜丝变黑再插入乙醇。
• 酯化反应加热不均匀，乙酸乙酯产率低；要小火均匀加热，防止暴沸。
• 导管伸入饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液液面以下，会倒吸；导管口应在液面上方。
• 饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液的作用是中和乙酸、溶解乙醇、降低乙酸乙酯的溶解度，不能用 $\ce{NaOH}$（会使酯水解）。

注意事项

• 钠与水反应比与乙醇反应剧烈得多，可以用这个现象说明乙醇羟基上的氢不如水中的氢活泼。
• 铜丝在催化氧化中先变黑（生成 $\ce{CuO}$），插入乙醇后变红（$\ce{CuO}$ 被还原），铜是催化剂。
• 酯化反应加料顺序：先加乙醇，再加浓硫酸，最后加乙酸（或先乙醇后浓硫酸，冷却后加乙酸），防止液体飞溅。
• 浓硫酸的作用：催化剂和吸水剂。
• 加热时要加碎瓷片防暴沸；导管口不能伸入液面以下，防止倒吸。
• 乙酸乙酯不溶于水，密度比水小，在饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液上层。
• 实验后的废液要回收，不能直接倒入水槽。

例题

例 1　（场景：比较反应剧烈程度）钠分别与水、乙醇反应，哪个更剧烈？说明原因。

解：

判断依据：反应越剧烈，说明羟基上的氢越容易电离，对应分子的酸性越强。

• 钠与水反应非常剧烈，钠浮在水面、熔成小球、四处游动；钠与乙醇反应缓慢，钠沉在底部。
• 原因：水分子中 O—H 键的极性比乙醇分子中 O—H 键的极性强，水中的氢更活泼。
• 结论：乙醇羟基上的氢不如水中的氢活泼，乙醇的酸性比水弱。

检验：反应的剧烈程度与 O—H 键的极性一致；乙醇与钠反应生成乙醇钠和氢气，说明乙醇有酸性（极弱）。

三查：$\ce{2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 ^}$、$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2ONa + H2 ^}$ 原子、电荷守恒；电子守恒。

例 2　（场景：说明试剂作用）酯化反应中，浓硫酸和饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液各起什么作用？

解：

判断依据：从反应条件和产物的分离两方面回答。

• 浓硫酸：催化剂，加快反应速率；吸水剂，吸收生成的水，使平衡向生成酯的方向移动，提高产率。
• 饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液：中和挥发出来的乙酸，溶解挥发出来的乙醇，降低乙酸乙酯在水中的溶解度，便于分层和收集。
• 不能用 $\ce{NaOH}$ 代替 $\ce{Na2CO3}$：$\ce{NaOH}$ 碱性太强，会使乙酸乙酯水解。

检验：两种试剂的作用分别对应“反应”和“分离”，缺一不可。

三查：酯化反应是可逆反应，用可逆号；$\ce{CH3COOH + CH3CH2OH <=>[\text{浓硫酸}][\Delta] CH3COOCH2CH3 + H2O}$ 原子守恒。

例 3　（场景：判断酸性强弱）根据实验现象比较乙酸、碳酸的酸性强弱。

解：

判断依据：强酸能制弱酸，乙酸与碳酸钠反应放出 $\ce{CO2}$，说明乙酸比碳酸强。

• 向 $\ce{Na2CO3}$ 溶液中加入乙酸，产生气泡：$\ce{2CH3COOH + Na2CO3 -> 2CH3COONa + CO2 ^ + H2O}$。
• 说明乙酸的酸性比碳酸强；碳酸又比苯酚强（第 33 章）。
• 酸性顺序：$\ce{CH3COOH > H2CO3 > C6H5OH}$。

检验：反应能发生且放出 $\ce{CO2}$，说明乙酸把碳酸“赶”了出来，符合强酸制弱酸。

三查：方程式原子、电荷守恒；不是氧化还原反应。

易错点

• 错在哪：用含水乙醇与钠反应，认为气泡是乙醇与钠反应产生的。 为什么错：理解性错误。水也会与钠反应，气泡可能来自水。 正确做法：用无水乙醇，或先说明乙醇中的水已除去。
• 错在哪：酯化反应时把导管伸入饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液液面以下。 为什么错：规范性错误。会引起倒吸。 正确做法：导管口在液面上方。
• 错在哪：用 $\ce{NaOH}$ 溶液收集乙酸乙酯。 为什么错：理解性错误。$\ce{NaOH}$ 会使乙酸乙酯水解。 正确做法：用饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液。
• 错在哪：认为乙酸能使石蕊变红，所以乙酸是强酸。 为什么错：概念混淆。乙酸是弱酸，能使石蕊变红只说明显酸性。 正确做法：乙酸是弱酸，酸性比碳酸强、比盐酸弱。

关联知识点

• 前置：第 33 章卤代烃、醇与酚，乙醇的羟基。
• 前置：第 34 章醛、酮、羧酸与酯，乙酸的羧基和酯化。
• 前置：第 38 章分离提纯，分液和蒸馏。
• 关联：第 36 章生物大分子，酯和油脂。
• 常一起考：第 35 章有机合成，乙醇和乙酸的转化。

42.7 自测

1. 根据钠、镁、铝与水或酸反应的现象，比较三种金属的金属性。
2. 写出氯水与 $\ce{NaBr}$、氯水与 KI、溴水与 KI 反应的方程式。
3. 设计实验探究浓度对 $\ce{Na2S2O3}$ 与稀硫酸反应速率的影响，说明要控制的条件。
4. 影响化学反应速率的外因有哪些？各举一个实验现象。
5. 在锌、铜、稀硫酸原电池中，指出正负极、电子流向和电极反应。
6. 原电池的构成条件是什么？
7. 甲烷的二氯取代物有几种？说明甲烷的空间构型。
8. 乙烯分子中最多有几个原子共面？乙炔分子中几个原子共线？
9. 写出乙醇与钠、乙醇催化氧化、乙酸与碳酸钠、酯化反应的方程式。
10. 酯化反应中浓硫酸和饱和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液各起什么作用？为什么不能用 $\ce{NaOH}$ 代替？

答案：1. 金属性 $\ce{Na > Mg > Al}$，依据是与水或酸反应的剧烈程度。 2. $\ce{Cl2 + 2NaBr = 2NaCl + Br2}$；$\ce{Cl2 + 2KI = 2KCl + I2}$；$\ce{Br2 + 2KI = 2KBr + I2}$。 3. 同体积、不同浓度的 $\ce{Na2S2O3}$ 与同体积、同浓度的稀硫酸同时混合，温度相同，记录出现浑浊的时间。 4. 浓度、压强、温度、催化剂、表面积；现象见课本实验表（本实验未涉及压强）。 5. 负极锌：$\ce{Zn - 2e- = Zn^2+}$；正极铜：$\ce{2H+ + 2e- = H2 ^}$；电子由锌经导线流向铜。 6. 两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路、自发的氧化还原反应。 7. 一种；正四面体。 8. 乙烯 $6$ 个原子共面；乙炔 $4$ 个原子共线。 9. $\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2ONa + H2 ^}$；$\ce{2CH3CH2OH + O2 ->[\text{Cu}][\Delta] 2CH3CHO + 2H2O}$；$\ce{2CH3COOH + Na2CO3 -> 2CH3COONa + CO2 ^ + H2O}$；$\ce{CH3COOH + CH3CH2OH <=>[\text{浓硫酸}][\Delta] CH3COOCH2CH3 + H2O}$。 10. 浓硫酸作催化剂和吸水剂；饱和 $\ce{Na2CO3}$ 中和乙酸、溶解乙醇、降低酯的溶解度；$\ce{NaOH}$ 会使酯水解。

42.8 深入阅读

• 国家中小学智慧教育平台：人教版高中化学电子教材和实验视频，元素周期律、反应速率、原电池和乙醇乙酸的性质都有演示。
• 人民教育出版社 · 高中化学：教材目录和教师用书，核对五个实验活动的原文要求和操作步骤。
• PhET 互动仿真 · 分子极性：拖动原子看分子的极性和空间构型，配合球棍模型理解碳的四面体结构。
• 维基百科 · 活化能：活化能、催化剂和反应速率的关系，配图和能量曲线可以对照第 22 章。