PBL案例 ｜ 甲醛的危害與去除
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本文在對 “甲醛的危害與去除”的分析、討論與實驗過程中加深對電負性概念的理解，同時嘗試利用電負性分析與預測物質的化學性質，體會電負性概念的使用價值。
電負性及其變化規律是物質結構與性質模塊中重要的教學內容。在目前的教學中，往往僅把它作為一個呈現周期性變化的參數來進行介紹，其功能價值僅體現在初步判斷一種元素是金屬元素還是非金屬元素、比較元素的活潑性、判斷化合物中元素的化合價以及化學鍵類型等，將元素的電負性作為一個有效的工具來分析復雜的反應過程的功能價值在教學中卻鮮有體現。
鑒于這樣的問題，普通高中教科書（山東科學技術出版社）在選擇性必修３《有機化學基礎》中就主張借助電負性分析化學鍵的極性，根據正負電荷的分布，來分析和預測化學鍵斷裂之后分子片段重組形成的產物。在修訂后的選擇性必修２《物質結構與性質》教材中，也把電負性作為一個非常重要的分析問題的工具。
為了承載電負性分析復雜有機反應過程的功能，選取“甲醛的危害與去除”作為載體，幫助學生體會到“依據元素的電負性分析化學鍵的極性、分子中電荷的分布，進而分析與預測有機化合物的某些性質”的重要的分析問題的模型和思路。同時也作為“物質結構與性質”與“有機化學基礎”這兩個選擇性必修模塊交叉關聯的教學案例。
2.甲醛危害健康的機制
甲醛是最簡單的醛類物質，醛羰基氧原子的高電負性使得羰基碳成為一個活潑的親電位點。氮元素的電負性大于碳元素，在有機分子中常常呈現負電性。因此含氮有機物往往是重要的親核試劑，比如胺類化合物。同時甲醛分子較小，使它能很容易地與許多大分子化合物（包括DNA、蛋白質）中的親核位點結合。這也是甲醛產生生物毒性的重要的原因。體外實驗表明，腺嘌呤（Ａ）、鳥嘌呤（Ｇ）和胞嘧啶（Ｃ）的環外氨基、鳥嘌呤的環內亞氨基，以及蛋白質氨基酸殘基中的氨基、胍基、吲哚等含氮結構（圖１）和肽鏈中游離的氨基能夠在沒有酶催化的條件下與甲醛反應形成加合物或交聯物。
通過質譜手段進行分析，可以證明甲醛與氨基酸的反應能夠得到羥甲基加合物或者Schiff堿縮合物，在多肽和蛋白質中還可能與氮位點進一步形成亞甲基橋鏈接的交聯物（圖２）。
生物體內，甲醛可以導致ＤＮＡ－ＤＮＡ交聯（ＤＤＣ）、ＤＮＡ蛋白質交聯（ＤＰＣ）的形成（圖３），進一步引起基因斷裂、突變。
3.甲醛含量檢測的方法和化學原理
測定甲醛含量的方法包括光譜法、色譜法、電化學法、傳感器法等，大多數都是基于醛羰基的加成反應?！?br />酚試劑分光光度法具有靈敏度高、抗干擾強的特點，適合微量甲醛的測定，因而被廣泛應用在室內空氣甲醛含量的測定中。酚試劑（ＭＢＴＨ），即３甲基２苯基噻唑啉酮腙鹽酸鹽水合物，能夠敏感地捕捉醛，形成嗪類物質，嗪在酸性溶液中能夠與鐵離子反應生成藍綠色物質（圖４）。
通過與標準溶液比色，或者通過紫外可見分光光度儀在630ｎｍ處所測得的吸光度與標準曲線比對，就能夠快速地測定甲醛的含量。
4.甲醛污染治理的方法
加強通風是治理室內空氣污染的有效方法之一，但是甲醛的擴散稀釋受到戶外空氣質量、通風時間和強度等諸多限制。因此，在室內甲醛污染的治理上還通常采用各種物理、生物、化學的方法等。物理方法通常采用活性炭、分子篩或者硅膠等具有吸附作用的物質對游離的甲醛進行吸附。其吸附容量通常有限，而且并沒有從根本上消除甲醛污染。生物方法則多采用功能性植物吸收甲醛、酶生物氧化的方法?；瘜W方法通常利用甲醛的氧化還原性、親電性與凈化材料發生反應來減少游離甲醛的含量。
具有代表性的化學類甲醛凈化材料或者甲醛捕獲劑有以下幾種類別：
（１）強氧化劑，如臭氧、次氯酸等。
（２）親核試劑，如氨、胺類及其衍生物（三聚氰胺、乙二胺）、酚類（苯酚）、醇類（聚乙烯醇）等。
（３）光催化劑，如磷鉬酸／二氧化鈦、納米二氧化錳、納米銀等，它們往往可以通過光激發產生氧化性極強的價帶空穴，進而在常溫條件下實現對甲醛的催化氧化，使之成為H２O，CO２等無害物質。甲醛污染治理的思路見圖５。
5.項目內容選取與功能定位
甲醛危害健康的機制、甲醛的檢測及利用親電性去除甲醛等問題看似非常復雜，中學生進行學習的難度很大，但是如果從復雜的分子結構及反應過程中抓住發生反應的關鍵部位（見圖２、３），利用“通過元素電負性分析、預測物質性質”的模型（借助這一分析模型對各反應的分析及教學處理詳見本文教學實錄部分）對相應的變化進行分析，這些問題就變得能夠被學生理解。因此上述學科本體分析支持了“基于元素的電負性判斷物質性質”分析思路的可行性，為設計以“甲醛的危害與去除”為研究對象的項目式學習的課程提供了相應的教學素材，為教師進行教學提供了相應的拓展資源。
基于這樣內容設計的項目教學，突出了電負性在分析反應時的功能價值。電負性這個工具的使用，可以增加學生認識有機反應的角度，降低學生認識復雜的有機反應的難度。同時也加強了高中化學不同模塊之間的聯系。教學中還要引導學生認識到電負性這個工具使用的局限性，進而全面理解電負性這一概念。
2.通過利用電負性這一工具分析和預測物質的性質，學生認識借助電負性分析化學鍵的極性、分子中電荷分布的方法，體會借助電負性認識與預測有機化合物某些性質的思路，培養證據推理與模型認知的化學學科核心素養。
3.通過了解甲醛的性質、對人體健康的危害以及去除甲醛的方法，學生激發并維持學習興趣，感受化學學習對生活的影響，培養科學態度與社會責任的化學學科核心素養。
4.通過利用“微型實驗”完成密閉空間甲醛含量的快速檢測實驗，設計甲醛的吸收方案并進行實驗來檢測吸收效果，激發好奇心和求知欲，培養實驗探究的能力，發展科學探究與創新意識的化學學科核心素養。
項目學習過程包括３個核心環節：
（１）甲醛危害健康的原因是什么？
（２）檢測環境中甲醛的原理是什么？
（３）環境中甲醛超標，如何去除甲醛？該項目拆解的問題線索是該項目問題解決的自然需求，同時可以體現出學生認識發展的進階：建立電負性模型→應用電負性模型解釋反應過程→應用電負性模型預測反應產物。項目學習流程見表１。
【課前學生活動布置】學生２人一組，在選擇的場所進行甲醛含量的檢測，一人負責操作“甲醛自測盒”（市售，江蘇南林炭業科技有限公司），一人負責拍攝小視頻。在檢測之前，先閱讀使用說明，并且按照說明來進行檢測。在視頻錄制時，需要說明地點和甲醛含量檢測的結果。
【課上學生匯報活動】在某賓館的房間里、某醫院的樓梯口、剛買的鞋柜里、裝修材料店、雜貨鋪、剛裝修完的房間中分別進行甲醛含量的檢測，將檢測后溶液顏色與標準比色卡對比，發現甲醛含量均在標準值以下，從而得出甲醛含量均未超標的結論。
［教師］大家非常好地完成了課前的實驗，對身邊的很多場所中的甲醛含量進行了檢驗，很幸運，這幾個場所中甲醛含量都沒有超標。但是我們都知道，甲醛是一種有毒物質，若環境中的甲醛含量超標就會對人體造成傷害，那么今天我們就圍繞著“甲醛的危害與去除”來討論一些問題，你們可以提出哪些值得研究的問題呢？
［學生］（１）甲醛危害健康的原因是什么？（２）如何檢驗甲醛是否超標？甲醛自測盒檢測甲醛的原理是什么？（３）若環境中甲醛超標，該如何去除甲醛？
［教師］討論前大家就已經明確了任務，相信這對大家的學習會非常有幫助！我們知道，甲醛是最簡單的醛類物質，在分子中含有醛羰基，構成羰基的碳原子和氧原子具有不同的電負性，使其成為反應的活性位點，那么今天我們就利用這一結構特點，利用電負性這一工具來分析與預測甲醛的性質，完成“甲醛的危害與去除”的學習任務。
2.建構利用電負性分析有機反應的模型
［教師］甲醛與蛋白質的反應可以用圖６表示，請尋找發生反應的部位，對比反應前后基團的變化，借助電負性判斷化學鍵中電荷的分布，你能發現這些反應有什么規律并畫出反應的示意圖嗎？（不參與反應的部分用Ｒ基表示）
［學生］甲醛分子中的碳氧雙鍵為極性鍵，由于氧元素的電負性大于碳元素的電負性，因此雙鍵的碳原子帶部分正電荷、氧原子帶部分負電荷；蛋白質分子中的Ｎ—Ｈ也是極性鍵，氮原子的電負性大于氫原子的電負性，氮原子帶部分負電荷，氫原子帶部分正電荷。這些電荷分布不均勻的極性鍵在發生化學反應時容易發生斷裂，發生“加成反應”。在反應過程中遵循“正找負，負找正”的原則，帶部分正電荷的碳原子與帶部分負電荷的氮原子結合，帶部分負電荷的氧原子與帶部分正電荷的氫原子結合。反應示意圖如圖７所示。
［教師］請根據電負性的大小用符號（δ－／δ＋）標出斷鍵處原子所帶的電荷分布情況，并梳理上述分析問題的思路與方法。
［學生］通過對比反應前后有機物的結構，找到官能團的變化，找到反應中斷裂的化學鍵與形成的化學鍵。然后依據電負性的大小分析斷裂的化學鍵中兩端原子的電荷分布，根據“正找負，負找正”的原則完成分子片段的重組。
［教師］蛋白質與甲醛作用的另一個反應部位是怎樣發生反應的呢？
［學生］甲醛上的碳氧雙鍵與一個氨基發生加成反應之后，生成物中的碳氧鍵電荷分布仍然不均勻，會與另一個氨基繼續發生取代反應而脫水，在反應的過程中繼續遵循“正找負，負找正”的原則。
［教師］在預測與分析有機物可能發生的反應時，可以依據元素電負性的差異找到可能發生斷裂的極性共價鍵，再判斷極性共價鍵中兩端原子的電荷分布情況，進而完成分子片段重組，形成新的化學鍵。
3.利用電負性分析問題的模型解釋反應原理
［教師］在課前的活動中，同學們沒有測出甲醛超標的情況，原因是環境中甲醛含量都符合標準，還是“甲醛自測盒”并不能檢測出甲醛含量呢？下面請同學們利用“甲醛自測盒”中的試劑完成微型實驗，探究“甲醛自測盒”能否測出甲醛是否超標？
［學生］完成實驗（圖９）
打開試劑盒，取出鋁箔袋中的白色粉末（ＭＢＴＨ），將其全部放入圓白盒內，用蒸餾水將其溶解得到溶液Ａ，取少量溶液Ａ滴在塑料小孔內。再?。钡危常罚ァ矗埃サ募兹┤芤?，將其滴在塑料點滴板的另一個鄰近的小孔內，迅速將塑料點滴板放入自封袋中密封好，等候１ｍｉｎ。１ｍｉｎ后取出點滴板，用膠頭滴管取棕色瓶中的試劑（Fe3+），滴入已滴有Ａ溶液的小孔內，再將點滴板放入密封袋中，觀察并記錄實驗現象。觀察到試劑變為藍色，與標準比色卡比較之后顯示微環境中的甲醛含量已經超標，證明ＭＢＴＨ是可以對環境中的甲醛進行檢驗的。
學生實驗說明：利用檢測試劑對環境中的甲醛進行檢測需要較長的時間，為了在課上較快地完成實驗并使實驗效果較為明顯，本節課加大了甲醛溶液的濃度（市售甲醛溶液約３７％～４０％），使檢測時間縮短為２ｍｉｎ，且顯色明顯，便于學生進行觀察。與此同時，甲醛溶液是一種具有較強揮發性的液體，且揮發出來的甲醛具有一定的毒性，因此本節課采用密閉環境下的微型實驗進行處理，體現綠色化學的思想。
［教師］“甲醛自測盒”中白色粉末的有效成分是ＭＢＴＨ（３甲基２苯基噻唑啉酮腙鹽酸鹽水合物，結構如圖10所示），可以對環境中的甲醛進行檢測。請同學們利用建立的利用電負性分析有機反應的思維模型大膽預測一下ＭＢＴＨ和甲醛反應的產物，在黑板上展示小組討論的成果（不參與反應的原子團用Ｒ基來表示）。
［學生］在黑板上展示（圖11）
［教師］大多數同學都寫了第一種產物。請你說說產物２是如何形成的。
［學生］形成產物１后，羥基和直接相連的碳原子電負性相差比較大，導致羥基中氧原子帶部分負電荷，碳原子帶部分正電荷。相鄰氮原子中的氫原子帶部分正電荷，依據“正找負，負找正”的原則，氫原子和羥基結合，分子內脫水，形成碳氮雙鍵（圖12）。
［教師］根據上述分析思路我們無法判斷產物是哪種，這說明我們利用電負性模型來進行預測，可能預測到多種產物，但不能明確判斷是其中的哪一種，這也是電負性模型存在的局限性?！凹兹┳詼y盒”反應原理如圖（圖13）所示，可以生成產物２。
4.利用電負性分析問題的模型預測反應
［教師］我們可以采取怎樣的方法去除空氣中的甲醛來減少其對人體的傷害呢？
［學生］加強通風；利用活性炭等多孔材料進行吸附；利用化學試劑去除甲醛。
［教師］請設計并完成利用化學試劑吸收甲醛的實驗。討論內容包括：選擇怎樣的吸收試劑、選擇該試劑的依據、實驗方案及實驗過程中觀察的現象、得到的結論。
［學生］我們設計的實驗方案見表２。
［教師］在利用氨水進行實驗的過程中，加入甲醛溶液后，滴有酚酞的氨水褪色的原因一定是甲醛和氨發生反應嗎？還有其他可能的原因嗎？請設計實驗加以證明。
［學生］還可能是甲醛和酚酞發生反應。實驗設計：向褪色的溶液中加入氨水，觀察顏色變化。若溶液變紅，則說明溶液褪色的原因是氨和甲醛發生了反應；若溶液不再變紅，則說明溶液褪色的原因是酚酞和甲醛發生了反應，或者氨水和酚酞都與甲醛發生了反應。實驗結果表明，加入氨水之后溶液又變為紅色，則證明褪色的原因是氨和甲醛發生了反應。
［教師］哪個小組還有其他的實驗方案？
［學生］設計的實驗方案見表３。
［教師］氨水和酸性高錳酸鉀溶液對空氣中的甲醛都具有較好的吸收效果。日常生活中，我們真的可以用氨水或者酸性高錳酸鉀溶液來吸收甲醛嗎？
［學生］不能，打開氨水的試劑瓶，氨氣揮發，味道刺鼻，并且氨氣有毒。用棕色試劑瓶盛放酸性高錳酸鉀溶液，說明酸性高錳酸鉀溶液因其強氧化性而體現出不穩定性。
［教師］從試劑穩定性和安全性的角度出發，在生活中我們一般選擇帶有氨基、無毒、不易揮發的有機物來吸收空氣中的甲醛，比如我們讓氨基結合一個相對分子質量比較大的基團，用來解決氨氣具有揮發性、毒性的問題，其反應過程如圖16所示。
我們也可以選擇不易揮發的“綠色”氧化劑，比如過氧化氫等等。如果大家通過網絡檢索，還可以看到利用甲醛凈化器去除甲醛、納米活礦石吸收甲醛、光觸媒吸收甲醛等其他方法。當然開窗通風這種操作簡單、對環境影響小、吸收成本低的物理方法仍然是大家最常用的甲醛去除方法。我們相信隨著科學技術的發展，將會有更快速、更有效的吸收方法出現，從而實現環境中甲醛的快速去除。
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文章來源：中國知網
文章原名：《高中化學 “電負性”的項目式教學＊——甲醛的危害與去除》，有刪減
作者：
李燃１ 林紅焰１ 魏銳２ 齊紅濤３ 杜佳４ 唐瓏暢２
１.北京景山學校 ２.北京師范大學化學學院 ３.太原市第五中學 ４.昌樂第一中學
