由鈷氨配合物的合成談化學實驗教學中理論和實踐的互動

張衛(wèi)民　范大偉　王殿乾　張進進

摘要：本文以鈷氨配合物的合成實驗改進為載體，展示了化學實驗教學過程中化學基本理論和方法與化學實驗的互動。通過對經(jīng)典實驗的改進，突出了氧化還原電極電勢、光譜化學序列等概念和晶體場理論對實驗方案設(shè)計的指導(dǎo)作用，在配合物組分測定過程中訓(xùn)練了學生篩選知識、解決問題的能力，采用現(xiàn)代測試技術(shù)跟蹤實驗過程并表征產(chǎn)物，激發(fā)了學生的科研熱情。

關(guān)鍵詞：化學實驗；鈷配合物；電極電勢；晶體場穩(wěn)定化能；光譜化學序列

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）20-0261-02

一、前言

作為一門實驗科學，化學中的基本理論和概念大都源自縝密的實驗觀察和詳細的實驗記錄。同時，化學基本理論和概念對化學實驗方法的設(shè)計又具有重要的指導(dǎo)意義。在大一無機化學理論課程教學中開展化學實驗研究，不僅鍛煉了學生的動手能力，更是對學生腦力的訓(xùn)練；不僅能夠幫助學生鞏固、加深對所學理論知識的理解，更能使學生深刻體會理論和方法對化學實驗的指導(dǎo)作用。教師在“理論與實踐的互動”過程中應(yīng)起到推動和助力作用。本文從鈷（III）氨配合物的合成入手，介紹了我們在指導(dǎo)學生運用化學基本理論和方法進行實驗設(shè)計和改進等方面的實踐。鈷（III）氨配合物主要包括三種：[Co（NH3）5Cl]Cl2、[Co（NH3）6]Cl3和[Co（NH3）5H2O]Cl3晶體，其內(nèi)外界結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)對制備條件相當敏感，不僅是材料科學研究領(lǐng)域的熱點[1-3]，而且其合成和組成分析屬于大學無機化學實驗的經(jīng)典實驗[4-7]。該實驗涉及配合物的晶體場理論、光譜化學序列等基本概念和理論，組成分析過程中還包括酸堿滴定、絡(luò)合滴定和沉淀滴定等基本方法，“理論與實踐的互動”貫穿實驗的始終，在樣品合成方案的設(shè)計、鈷氨配合物的組成分析和目標產(chǎn)物的形成機理研究等方面均有體現(xiàn)。

二、氧化還原電極電勢對實驗方案設(shè)計的指導(dǎo)

傳統(tǒng)實驗教材中以CoCl2晶體作為制備鈷氨配合物的鈷源，在氨水環(huán)境中，加入H2O2作為Co（II）的氧化劑、使用濃HCl以促進含氯離子配合物的結(jié)晶，實驗操作環(huán)境比較惡劣[6]。由于實驗教學面對的學生已經(jīng)完成了大學無機化學課程的學習，掌握了氧化—還原電極電勢的基本概念，因此在實驗設(shè)計階段，我們有意識地引導(dǎo)學生利用理論課程中學習的Nernst方程，考慮溶液的酸堿性、離子濃度和操作環(huán)境等因素，計算了Co（NH3）63+/Co（NH3）62+、NO3-/NO2-、O2/OH-等相關(guān)電對的電極電勢，設(shè)計了新的樣品合成方案。具體如下：將7.276gCo（NO3）2·6H2O和一定量的NH4Cl固體置于三口燒瓶中，加入7mL水，在65℃恒溫水浴中攪拌回流20分鐘，混液由淡紫紅色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏{色。向混合溶液中持續(xù)通入高純氮氣20分鐘后，分多次加入一定量的濃氨水，溶液的溫度維持在65℃左右，溶液的顏色逐漸由深藍變?yōu)樯钭霞t色。氮氣保護下繼續(xù)攪拌、回流40分鐘，即產(chǎn)生大量紫紅色沉淀。過濾后用無水乙醇洗滌、干燥，得到目標產(chǎn)物。該方案以Co（NO3）2·6H2O代替CoCl2和H2O2，利用Co（NO3）2自身的氧化能力氧化Co（II），避免使用額外的氧化劑，減少了濃鹽酸的使用，符合綠色化學的理念。

三、組分分析中學生解決問題能力的培養(yǎng)

有意義學習的層級由低到高依次為代表性學習、概念學習、命題學習、概念和命題的運用、解決問題和創(chuàng)造性[9]。化學實驗教學是在概念和命題學習的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練學生運用概念和命題、解決問題和培養(yǎng)創(chuàng)造性的重要途徑。通過理論教學，學生已經(jīng)習得了各種滴定方法，將理論教學與實驗教學相結(jié)合，這樣才能使學生在感性認識的基礎(chǔ)上學會運用不同的滴定方法，深刻理解滴定技術(shù)的含義，才有可能進一步發(fā)生創(chuàng)造性的學習。教育學基本理論認為，試圖通過短期訓(xùn)練來提升學生解決問題的能力是不現(xiàn)實的，但是，學生解決問題能力完全可以隨著教師結(jié)合學科內(nèi)容運用的一系列策略來進行訓(xùn)練、發(fā)展和提高。當學生想知道自己所合成的樣品的組成時，所面臨的是一個嶄新的、需要學生自己解決的問題。這不同于以往的實驗操作練習，他需要在大腦中對理論課程中所學的各種滴定技術(shù)進行篩選和重新組合，找出測定鈷氨配合物中Co、NH3和Cl的含量所適用的方法，并將這些方法通過自己的實驗操作轉(zhuǎn)化為實驗數(shù)據(jù)。樣品的測試結(jié)果與[Co（NH3）5Cl]Cl2的理論組成幾乎完全一致，表明改進的實驗方案能夠成功制得目標產(chǎn)物。此時，學生的喜悅溢于言表。因為他們看到了滴定技術(shù)將看不到、摸不著的配合物真實地展示在眼前，他們意識到了化學基本理論對化學實驗的指導(dǎo)意義，他們也會將這些正向、積極的情緒反饋到后續(xù)的理論學習過程中?；瘜W實驗教學肩負著培養(yǎng)學生創(chuàng)造性的重任，學生從理論課堂上得到的大多是間接經(jīng)驗，它們是前人發(fā)現(xiàn)或總結(jié)的、對人類社會來說具有首創(chuàng)性的成果。教育學理論家吉爾福特認為，“真創(chuàng)造”和“類創(chuàng)造”中表現(xiàn)出來的思維和認知能力在本質(zhì)上是相同的，創(chuàng)造性不僅局限于少數(shù)天才，還潛在地分布在整個人口中間。因此，創(chuàng)造性并不神秘，在學生解決問題的過程中，總是或多或少的帶有創(chuàng)造性的行為。總之，鈷氨配合物的組成分析涉及酸堿滴定、配位滴定和沉淀滴定，是實現(xiàn)理論與實踐互動、培養(yǎng)學生創(chuàng)造性能力的優(yōu)秀范例。

四、目標產(chǎn)物形成機理研究中的理論與實踐

1.X射線粉末衍射技術(shù)的應(yīng)用。建立在嚴格的理論基礎(chǔ)上的現(xiàn)代測試技術(shù)可使抽象的理論形象化，能夠為我們提供可重現(xiàn)的、精確的實驗數(shù)據(jù)?；谶@些實驗數(shù)據(jù)的分析過程邏輯縝密，能極大地激發(fā)學生的科研興趣，對培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、形成科學的思維方式有巨大裨益。在鈷氨配合物的合成實驗中，利用X射線粉末衍射技術(shù)對產(chǎn)物進行了表征，與文獻[8]制備的樣品和JCPDS標準卡片No.74-0344進行比對，說明以Co（NO3）2·6H2O晶體為原料、在NH3-NH4Cl體系中，不必添加諸如O2、H2O2等其他氧化劑，利用硝酸鹽的自身氧化能力即可得到純凈、結(jié)晶良好的配合物[Co（NH3）5Cl]Cl2晶體。

2.紫外可見光譜技術(shù)對實驗機理研究的指導(dǎo)。紫外可見光譜技術(shù)可以跟蹤反應(yīng)過程，使原本看不到的反應(yīng)過程形象地顯示在學生面前。我們分別測試了原料、中間產(chǎn)物和目標產(chǎn)物的紫外—可見吸收光譜，根據(jù)原料→中間產(chǎn)物→目標產(chǎn)物的吸收光譜的變化，研究反應(yīng)機理。學生們清晰地觀察到了Cl-離子和NH3分子依次進入鈷配合物內(nèi)界所帶來的電子吸收光譜的紅移和藍移，并推導(dǎo)出了晶體場理論教學中學習的光譜化學序列NH3>H2O>Cl。

3.晶體場理論對實驗機理研究的指導(dǎo)。鈷氨配合物[Co（NH3）5Cl]Cl2的形成過程中發(fā)生了氧化和配體置換兩個過程。在教師的指導(dǎo)下，學生從Co原子的價電子構(gòu)型入手，利用晶體場理論，計算了Co（II）和Co（III）在八面體場中的晶體場穩(wěn)定化能，分析了它們穩(wěn)定性的差異，結(jié)合紫外可見光譜的數(shù)據(jù)，得出弱場中的Co（II）（電子構(gòu)型為dε5dγ2），經(jīng)過強場中的Co（II）（電子構(gòu)型為dε6dγ1），最終轉(zhuǎn)化為強場中的Co（III）（電子構(gòu)型為dε6）是能量最低的途徑。

五、結(jié)論

本科生的理論課教學和實驗教學不能孤立進行，高?；瘜W化工專業(yè)培養(yǎng)的既不是紙上談兵的理論家，也不是照方抓藥的操作工。實驗教學中，教師需有意識地引導(dǎo)學生應(yīng)用理論教學成果去解釋實驗現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)，以揭示隱藏在背后的客觀規(guī)律。

參考文獻：

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