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例1下列有机反应中,不属于取代反应的是()。
A.CH3+Cl2光照
CH2Cl+HCl
B.2CH3CH2OH+2Na
2CH3CH2ONa+H2
C.CH3CH2CH2CH2OH +HBr
CH3CH2CH2CH2Br+H2O
D.C2H5OH+HOC2H5浓硫酸140℃
C2H5OC2H5+H2O
解析根据取代反应的概念可知,反应A、C、D均属于取代反应;而反应B不属于取代反应(属于置换反应)。
故答案为B。
知识点拨①取代反应的特点是“交换成分,有上有下”。
②常见的取代反应有:烷烃、苯及其同系物、酚等的卤代反应,苯及其同系物、酚等的硝化反应与磺化反应,酯化反应,醇与氢卤酸(HX)的反应,醇分子间脱水生成醚的反应,有机物的水解反应。
③取代反应与置换反应的主要区别:一是取代反应的反应物和生成物不一定有单质,而置换反应的反应物和生成物一定有单质;二是取代反应一般进行不完全、速率慢,而置换反应一般能进行完全、速率快;三是取代反应无电子得失,而置换反应有电子得失。
二、加成反应
例2下列有机反应中,不属于加成反应的是()。
A.CH3CH=CH2+HCl催化剂
CH3CHClCH3
B.CH2=CHCH2CH3+H2O催化剂CH3CHOHCH2CH3
C.CH2=CHCH3+2Cl2光照CH2=CHCHCl2+2HCl
D.CH2=CHCH2CHO+2H2催化剂CH3CH2CH2CH2OH
解析根据加成反应的概念可知,反应A、B、D均属于加成反应;而反应C不属于加成反应(属于取代反应)。
故答案为C。
知识点拨①加成反应的特点是“合二为一,只上不下”。
②常见的加成反应有:不饱和烃及其衍生物与H2、卤素(X2)或卤化氢(HX)的加成反应,不饱和烃与水的加成反应,芳香烃、醛、酮、葡萄糖、果糖等与H2的加成反应。
③能发生加成反应的有机物一般含有碳碳双键、碳碳三键、碳氧双键等不饱和键。
④取代反应与加成反应的主要区别是:取代反应反应前后分子数目一般不变,而加成反应反应后分子数目一般减少。
三、酯化反应
例3下列有机反应中,不属于酯化反应的是()。
A.CH3CH2CH2OH+HCl
CH3CH2CH2Cl+H2O
B.CH3CH2COOH+HOCH2CH2CH3
CH3CH2COOCH2CH2CH3+H2O
C.CH3CH2OH+HO―SO3H(浓)浓硫酸CH3CH2O―SO3H+H2O
D.\[C6H7O2(OH)3\]n(纤维素)+3nHO―NO2(浓)浓硫酸\[C6H7O2(ONO2)3\]n+3nH2O
解析根据酯化反应的概念可知,反应B、C、D均属于酯化反应;而反应A不属于酯化反应(因HCl是非含氧酸,且生成物CH3CH2CH2Cl属于卤代烃、而不属于酯)。
故答案为A。
知识点拨①酯化反应概念中的酸指有机酸(羧酸)或无机含氧酸(如H2SO4、HNO3等);醇不仅指醇类,而且包括含醇羟基的有机物(如葡萄糖、纤维素等)。
②酯化反应属于取代反应。
③羧酸与醇发生酯化反应的原理:一般是羧酸分子里羧基上的羟基跟醇分子里羟基上的氢原子结合成水(即脱水方式为“酸脱羟基醇脱氢”),其余部分互相结合成酯。无机含氧酸与醇发生酯化反应的原理:一般是无机含氧酸分子里羟基上的氢原子跟醇分子里的羟基结合成水(即脱水方式为“醇脱羟基酸脱氢”),其余部分互相结合成酯。
④常见的酯化反应:无机含氧酸与醇或糖等的酯化反应,羧酸与醇或糖等的酯化反应,羟基羧酸分子内或分子间的酯化反应。其中,二元羧酸与二元醇或羟基羧酸发生酯化反应时,可以生成链状酯、环状酯或高聚酯。
四、消去反应
例4下列有机反应中,不属于消去反应的是()。
A.CH3CH2CH2CH2OH浓硫酸CH3CH2CH=CH2+H2O
B.CH2CH2CH2Cl+NaOH
乙醇
CH2CHCH2+NaCl+H2O
C.BrCH2CH2CH2CH2Br+2NaOH
乙醇CH2=CHCH=CH2+2NaBr+2H2O
D.2CH3CH2CHOHCH3+O2
催化剂
2CH3CH2COCH3+2H2O
解析根据消去反应的概念可知,反应A、B、C均属于消去反应,而反应D不属于消去反应(根据氧化反应的概念可知,反应D属于氧化反应)。
选D。
知识点拨①消去反应的特点是“一分为二,只下不上”。
②常见的消去反应有:卤代烃与强碱的醇溶液共热的反应,醇分子内的脱水反应。
③与连有卤素原子或羟基碳原子的邻位碳原子上有氢原子的卤代烃或醇,才能够发生消去反应。
④由于苯环是稳定结构,卤素原子直接与苯环相连的卤代烃(如Br)或酚(如OH),既使与连有卤素原子或羟基碳原子的邻位碳原子上有氢原子,也不能发生消去反应。
五、氧化反应与还原反应
例5下列既不属于氧化反应,又不属于还原反应的是()。
A.2C6H6+15O2乙醇12CO2+6H2O
B.2CH3CH2CH2CHO+O2
催化剂
2CH3CH2CH2COOH
C.CH3COOH+HOCH2CH2CH3浓硫酸
CH3COOCH2CH2CH3+H2O
D.CH2=CHCHO+2H2催化剂
CH3CH2CH2OH
解析根据氧化反应的概念可知,反应A、B属于氧化反应;根据还原反应的概念可知,反应D属于还原反应;而反应C既不属于氧化反应,又不属于还原反应(属于酯化反应或取代反应)。答案为C。
知识点拨①氧化反应的特点是“得氧”或“失氢”;还原反应的特点是“得氢”或“失氧”。
②常见的氧化反应有:有机物的燃烧反应、有机物(不饱和烃及其衍生物、与苯环相连的碳原子上有氢原子的苯的同系物、醇、醛等)与酸性KMnO4溶液的反应、苯酚与空气中的氧气的反应、醛及含有醛基的有机物与银氨溶液或新制Cu(OH)2的反应、醇或醛的催化氧化或被强氧化剂氧化的反应。
③常见的还原反应有:有机物与氢气的加成反应。
④连有羟基的碳原子上含有氢原子的醇才能发生催化氧化反应;含有碳碳不饱和键的有机物、芳香烃、醛、酮、单糖等能够发生还原反应。
六、水解反应
例6下列有机反应中,不属于水解反应的是()。
A.在一定条件下,乙烯与水反应生成乙醇
B.在一定条件下,丙酸乙酯与水反应生成丙酸和乙醇
C.在一定条件下,蔗糖与水反应生成葡萄糖和果糖
D.在加热条件下,2-溴丙烷与NaOH的水溶液反应制2-丙醇
解析根据水解反应的概念可知,反应B、C、D均属于水解反应;而反应A不属于水解反应(属于加成反应)。
故答案为A。
知识点拨①有机物的水解反应属于取代反应。
②能发生水解反应的有机物主要有:卤代烃、酯、油脂、双糖、多糖、肽和蛋白质等。
③卤代烃发生水解反应的条件是与强碱(NaOH或KOH)的水溶液共热,卤代烃水解可生成醇(或酚);酯在酸性条件下水解生成相应的酸和醇,酯在碱性条件下水解生成相应酸的盐和醇;油脂在酸性条件下水解生成相应的高级脂肪酸和甘油,油脂在碱性条件下水解生成相应的高级脂肪酸盐和甘油;麦芽糖水解生成葡萄糖,蔗糖水解生成葡萄糖和果糖;淀粉和纤维素水解的最终产物为葡萄糖;肽和蛋白质水解的最终产物为氨基酸。
④油脂在碱性条件下的水解反应称为皂化反应。
⑤单糖(如葡萄糖、果糖)不能发生水解反应。
七、加聚反应和缩聚反应
例7下列有机反应中,属于缩聚反应的是()。
A.由甲基丙烯酸甲酯合成聚甲基丙烯酸甲酯的反应
B.由3-羟基丙酸合成聚3-羟基丙酸的反应
C.由1,3-丁二烯合成聚1,3-丁二烯的反应
D.由HOOC(CH2)4COOH和H2N(CH2)6NH2合成高聚物的反应
解析根据加聚反应的概念可知,反应A、C都是由不饱和的单体通过加成的方式生成高聚物的反应,则反应A、C都属于加聚反应;根据缩聚反应的概念可知,反应B、D在生成高聚物的同时都有小分子生成(反应B生成的小分子物质是水,反应D生成的小分子物质是氨),则反应B、D都属于缩聚反应。
故答案为B、D。
知识点拨①加聚反应的特点是“加成聚合,只上不下”;缩聚反应的特点是“缩合聚合,有上有下”。
关键词:化学学科;化学教育;化学反应原理;学科观念;培养
观念是行为的先导,若没有形成正确的学科观念,该学科就难以指导人们的行为及生活。中学化学教学能够使学生终身受益的就是影响他们世界观、人生观和价值观的化学思想观念。大多数高中生毕业后不太可能从事与化学相关的事业,他们只需要对待这个物质世界的正确态度、观念和方法。化学教学的重心应从过分注重事实性知识转变为事实性知识和观念两者并重,这已是时代的需求。本文以苏教版选修教材《化学反应原理》为载体,突出“观念建构为本”的教学理念,结合笔者的化学新课程实践,就培养学生的学科基本观念作一探讨,力求把新课程理念转化为具体的运作。
一、学科观念在《化学反应原理》中的组织和呈现
1.学科知识类观念的集中体现。
化学反应原理是人类在研究大量化学反应本质的基础上,总结得到的关于化学反应的一般规律,《化学反应原理》中设置了“化学反应与能量”“化学反应速率和化学平衡”“溶液中的离子平衡”三大主题,这种大章大节式的编排体系,清晰地形成了一个利于学生接受的知识网络,突显学科内涵、学科知识体系的逻辑性和系统性,学科知识类观念在各主题中得到集中体现,且呈螺旋上升的趋势。教材通过介绍能量变化的基本原理、化学平衡基本理论、离子反应基本规律,使学生能适应从宏观与微观、定性与定量、快慢与限度、本质与现象、积极应用与负面影响、能量转化等方面认识化学反应。这样的编排体系无疑对教师的教学设计方式和意识的转变产生巨大的推动作用,教师应该理解这样一种编排意图,不断概括提炼出“具有持久价值和迁移价值的化学观念”,并落实到课堂教学中。
2.学科价值类观念的分散渗透。
作为理论性较强的选修课程,《化学反应原理》没有像必修模块那样,开设相对独立的主题学习学科价值,但是挖掘教材,处处都有渗透科学精神的好素材。苏教版教材非常重视理论与生产生活相结合,是目前被审查通过的教材版本中最贴近实际的一个,STS 教育渗透较深。教材关注核心观念的建构过程,改变原来过分强调事实性知识的内在逻辑结构,课程内容的选择在化学分析方法的定量化和实验手段的现代化方面,同以往的化学课程相比,大大地向前迈进了一步。如专题2“化学反应速率和化学平衡”就通过一系列定量实验活动来强化“实验观”,使学生深刻认识到实验是研究化学的方法之一,条件的控制是实验研究的灵魂。教材用大量的图片和语言的描述展示了化学在工农业生产、科学前沿、日常生活中的广泛运用,使学生通过化学的学习更加了解周围的世界和自己的生活,增进对化学学习的兴趣和对化学学科的创造性与实用性的赞赏,不断提升“化学价值观”。
《化学反应原理》是为学习理科的学生所设计的,学习该模块,不仅能完善中学化学基本概念和原理的知识体系,而且能使这些对化学感兴趣的学生了解化学反应原理在生产、生活和科学研究中的应用,认识化学在不断丰富社会物质财富,提高人类生活质量,推动社会发展过程所起到的作用,树立研究化学的志向。《化学反应原理》所蕴含的学科观念是丰富的、多元的,教师只要选择出最适宜渗透的观念进行教学设计,一定能在有效地帮助学生掌握相关化学基本概念和原理的同时,强烈感受并建立相应的观念。
二、促进观念建构的教学策略
1.单元整体教学设计。
观念建构为本的教学不能立足在一小节、一课时上,而应就相关内容进行整体的单元设计,通过一个相对连续的阶段来建构观念。教师对教材本身要有整体的把握,在此基础上选择一个统领课程单元的观念,以此为核心进行单元整体教学设计,并根据学生的知识经验和心理发展水平,将贯穿于教学单元的化学观念随教学进度分解为不同的层次,然后结合每节课的教学内容逐一建构。这样既保证了每一教学单元有一个整体的、宏观的化学观念作为起导向作用的单元目标,每一节课又有不同层次的、具体的、易操作的基本理解作为起执行作用的课时目标,使化学观念的培养贯穿于教学的每一个环节。
苏教版《化学反应原理》采用“专题―单元”式结构,共设 3 个专题 10个单元,内容基本按照课程标准的3个主题顺序安排。课程主题是课程内容的“脉络”,学科观念是课程内容的“浓缩和提炼”。审视各课程单元,观念的连续性可以清晰地识别出来。由于观念的整合作用,能很好地把原来孤立和零散的知识联系起来,形成一个有意义的整体。教师对整个单元知识体系做深入的思考与统筹的安排,并以对学生观念层面的理解为目标来统整相关的问题及活动程序。以专题3“溶液中的离子平衡”为例,围绕化学平衡常数,建立了水的离子积常数、电离平衡常数、沉淀溶解平衡常数等概念;利用化学平衡移动规律分析了外界条件对水及弱电解质的电离平衡、盐的水解平衡、沉淀溶解平衡的影响。这种从单一到复杂的内容体系,联系紧密、层层深入,除了能使学生获得一些具体的知识外,更重要的是引导学生综合运用微粒观、平衡观、定量观系统地分析问题,一步步揭示溶液中离子平衡的实质。
2.创设以观念建构为核心的多样化活动。
学科观念的形成是在活动中发生、在交流合作中激荡、在反思实践中生成的。以观念建构为核心的多样化活动,不仅是促进知识向深层次观念发展的主要途径,也使学生有机会实践复杂的行为表现。活动的方式是多样化的,可以是观察思考、交流讨论、或是实验探究结合数据处理分析,也可以是课后的调查类活动。教师要及时把握实际教学中的活动方式,观察学生对化学课堂教学的适应性和认同度,观察学生在活动中的表现来推测其观念的建构情况,根据学生的反馈及时调整。
例如实验活动是过程方法教学的重点,教师可设置“认识盐溶液的酸碱性”“探究影响盐类水解的因素”“中和滴定法测定未知溶液的浓度”等实验活动,通过设计并实施这些实验活动,学生不仅获取了知识,还学会了很多具体的实验方法,如实验数据的测定、实验条件的控制、实验观察、实验记录、实验数据的表格化和线图化处理等,提升了学生对于实验作为一种科学研究方法的认识。教材为化学反应原理的研究提供了大量数据信息,如反应方向的判断、化学平衡常数都是结合数据分析呈现;设置了定量研究实验,如化学反应速率的测定,浓度、温度对化学平衡的影响等。这些探究活动不仅仅是培养学生的实验能力,更是学生个体理解、感受事实及其概念形成过程的质的转变。
3.结合学生已有经验进行情境设计。
情境教学所选择的材料信息应以一定的化学知识点为依托,可以是日常生活常识,或是与社会事件相关内容,或是一段化学小史。主要目的是引起学生观念上的冲突并能促使学生主动进入分析问题和解决问题的活动中,让学生在应用观念的情境中认识观念的功能和价值。教师要根据学生的原有知识水平和观念水平设计情境,分析学生原有观念与将要建构的新观念间的关系,让学生主动地、富有个性地学习,使学习效果最大化。
《化学反应原理》通过对纷繁复杂的化学现象背后的共同规律、普遍原理的认识让学生认识到不同化学现象后面的统一性,教学的结果是学生无论作为未来社会的普通公民还是化学专业人员,在思考化学与技术、自然、社会关系的问题时都能够自觉地根据化学基本原理乃至由此抽象出的哲学原则做出理智的决策,而不是简单重复别人的东西。
【参考文献】
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关键词: 过氧化物酶;辣根过氧化物酶;酶反应动力学
中图分类号:Q554+.6 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)17-0310-02
0 引言
POD广泛存在于自然界中,是动植物代谢中一种重要的生物酶[1],其中应用最为广泛的为辣根过氧化物酶(HRP)。POD可以应用于工业生产和物质的分析检测等领域,同时POD有很强的氧化特性,在很多领域中可以替代目前的化学氧化剂[2-4]。人们研究了很多植物中的POD,结果发现其对植物的种子萌发及抗氧化有很大的促进作用,而且过氧化物酶与很多植物果实深加工中的褐变反应直接相关[5-7],因此POD的研究得到了越来越多的关注。
酶反应的动力学研究中,主要考虑的是两个参数,即最大反应速率Vmax和米氏常数Km。活性中间络合物学说(intermediate complex hypothesis)认为酶反应都要通过酶(E)与底物(S)结合形成酶-底物络合物(ES),然后酶再催化底物转化为产物(P),同时释放出酶参加下一轮的反应,基于该理论,在稳态系统中,可以推导出米式方程:
Km反映了酶与底物之间的结合能力,Km越小,酶与底物的亲和力越大,反之酶与底物亲和力越小。同时Km是衡量反应速度与底物浓度间关系的尺度,因此常可通过Km来确定在酶催化反应中应该使用的底物浓度。因此在酶的研究中,Km是非常重要的一项指标。
分光光度法[8-9]因为反应体系简单,反应物易于检测,设备简单易于普及,是目前国内外测定过氧化物酶酶活性应用最普遍的方法。本文基于分光光度法,利用图1所示反应式:测定了商品HRP及土豆中POD的活性,分别计算了两者的酶反应动力学数据。
由公式2可知,ΔA/Δt与酶活性浓度成正比,因此可通过测定催化反应体系的ΔA/Δt用于研究和测定HRP 活性。其中,ΔA为酶催化反应线性区域内的吸光度变化;Δt为线性区域的时间间隔,min;ε为测定对象的摩尔吸收系数,μmol-1·cm-1;L为比色池的光程,cm;V为反应体系总体积,mL;v为加入样品的体积,mL。
1 仪器与试药
实验仪器及实验试剂:分光光度计;电子天平;pH计;HRP(≥250Umg-1,R.Z=3,中科院上海生化所东风生物技术公司);H2O2(KMnO4法标定其浓度为9.88mol L-1) ;邻苯二胺(OPDA,成都市科龙化工试剂厂);其他试剂有:柠檬酸钠;柠檬酸;玻璃微珠。试剂均为分析试剂。实验用水均为超纯水。
2 分析方法
2.1 HRP活性测定 配制pH5.5、浓度为0.1mol L-1的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液,使用缓冲液配制一定浓度的OPDA,HRP和H2O2溶液,首先将0.9mL OPDA溶液与0.2mL的HRP溶液加入到比色皿中,充分混匀,以此为标准,调节吸光度A为0值,设计测定波长为423nm。随后加入0.9mL H2O2溶液并混合均匀,总体积为2mL。开始计时,每间隔0.5min记录一次吸光度数值,连续记录至数值不再变化为止。随后以反应时间为横坐标,吸光度为纵坐标作图,得到吸光度随时间变化数值如图2所示,以图中所示ΔA/Δt为基础计算酶活性。
2.2 土豆中POD活性测定 一定量的土豆样品首先使用超纯水冲洗干净,放置与研钵中,加入质量为样品质量分数10%的玻璃微珠及柠檬酸盐缓冲液5ml研磨,直至将样品研磨至糊状,转入离心管中,并用柠檬酸盐缓冲液冲洗研钵数次。使用柠檬酸盐缓冲液将总体积定容为20ml,置于离心机中,1500rpm,离心15min。取上清液为样品中POD粗提液用于测定,下层残渣丢弃。
使用土豆提取液替代HRP溶液,利用HRP活性测定的方法测定其中POD活性。
2.3 实验条件优选 反应过程中,对酶活性测定有影响的因素包括:OPDA浓度;H2O2浓度;缓冲液pH;缓冲液浓度。因此首先对这四个条件进行优选,优选得到最佳的反应条件:OPDA与H2O2浓度分别为1.2mmol L-1和0.35mmol L-1,缓冲液浓度为0.1mol L-1,缓冲液pH为5.5。
后续关于酶反应动力学的实验均在最优条件下完成。
2.4 商品HRP酶动力学计算 分别对HRP的氧化底物H2O2和还原底物OPDA 作Lineweaver-Bvurk双倒数曲线,图3所示为以H2O2为底物的L-B双倒数图。
3 结果与讨论
商品HRP与土豆中粗提纯的POD相比,商品HRP的Km更高,表明商品HRP底物间结合欠紧密。同时,可以依据测定得到的HRP的Km,计算在不同实验中所使用的底物浓度,利于后续的实验操作。确定底物浓度与最大反应速度的条件下,可以尽量的减少HRP的使用量,节省宝贵的酶试剂,节约实验成本。
POD广泛存在于动植物中,它的研究在生物抗氧化与衰老等方面有很好的应用前景[10-13]。酶动力学研究可以用于表示酶与底物间结合的紧密度等,是一项非常有用的数据,同时酶的动力学研究可以用于酶催化反应机理的研究,因此POD的动力学研究在POD的使用及酶催化反应机理研究中占有很重要的地位,值得深入探讨。
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