由钴氨配合物的合成谈化学实验教学中理论和实践的互动

张卫民　范大伟　王殿乾　张进进

摘要：本文以钴氨配合物的合成实验改进为载体，展示了化学实验教学过程中化学基本理论和方法与化学实验的互动。通过对经典实验的改进，突出了氧化还原电极电势、光谱化学序列等概念和晶体场理论对实验方案设计的指导作用，在配合物组分测定过程中训练了学生筛选知识、解决问题的能力，采用现代测试技术跟踪实验过程并表征产物，激发了学生的科研热情。

关键词：化学实验；钴配合物；电极电势；晶体场稳定化能；光谱化学序列

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）20-0261-02

一、前言

作为一门实验科学，化学中的基本理论和概念大都源自缜密的实验观察和详细的实验记录。同时，化学基本理论和概念对化学实验方法的设计又具有重要的指导意义。在大一无机化学理论课程教学中开展化学实验研究，不仅锻炼了学生的动手能力，更是对学生脑力的训练；不仅能够帮助学生巩固、加深对所学理论知识的理解，更能使学生深刻体会理论和方法对化学实验的指导作用。教师在“理论与实践的互动”过程中应起到推动和助力作用。本文从钴（III）氨配合物的合成入手，介绍了我们在指导学生运用化学基本理论和方法进行实验设计和改进等方面的实践。钴（III）氨配合物主要包括三种：[Co（NH3）5Cl]Cl2、[Co（NH3）6]Cl3和[Co（NH3）5H2O]Cl3晶体，其内外界结构和光学性质对制备条件相当敏感，不仅是材料科学研究领域的热点[1-3]，而且其合成和组成分析属于大学无机化学实验的经典实验[4-7]。该实验涉及配合物的晶体场理论、光谱化学序列等基本概念和理论，组成分析过程中还包括酸碱滴定、络合滴定和沉淀滴定等基本方法，“理论与实践的互动”贯穿实验的始终，在样品合成方案的设计、钴氨配合物的组成分析和目标产物的形成机理研究等方面均有体现。

二、氧化还原电极电势对实验方案设计的指导

传统实验教材中以CoCl2晶体作为制备钴氨配合物的钴源，在氨水环境中，加入H2O2作为Co（II）的氧化剂、使用浓HCl以促进含氯离子配合物的结晶，实验操作环境比较恶劣[6]。由于实验教学面对的学生已经完成了大学无机化学课程的学习，掌握了氧化—还原电极电势的基本概念，因此在实验设计阶段，我们有意识地引导学生利用理论课程中学习的Nernst方程，考虑溶液的酸碱性、离子浓度和操作环境等因素，计算了Co（NH3）63+/Co（NH3）62+、NO3-/NO2-、O2/OH-等相关电对的电极电势，设计了新的样品合成方案。具体如下：将7.276gCo（NO3）2·6H2O和一定量的NH4Cl固体置于三口烧瓶中，加入7mL水，在65℃恒温水浴中搅拌回流20分钟，混液由淡紫红色逐渐转变为深蓝色。向混合溶液中持续通入高纯氮气20分钟后，分多次加入一定量的浓氨水，溶液的温度维持在65℃左右，溶液的颜色逐渐由深蓝变为深紫红色。氮气保护下继续搅拌、回流40分钟，即产生大量紫红色沉淀。过滤后用无水乙醇洗涤、干燥，得到目标产物。该方案以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），避免使用额外的氧化剂，减少了浓盐酸的使用，符合绿色化学的理念。

三、组分分析中学生解决问题能力的培养

有意义学习的层级由低到高依次为代表性学习、概念学习、命题学习、概念和命题的运用、解决问题和创造性[9]。化学实验教学是在概念和命题学习的基础上，训练学生运用概念和命题、解决问题和培养创造性的重要途径。通过理论教学，学生已经习得了各种滴定方法，将理论教学与实验教学相结合，这样才能使学生在感性认识的基础上学会运用不同的滴定方法，深刻理解滴定技术的含义，才有可能进一步发生创造性的学习。教育学基本理论认为，试图通过短期训练来提升学生解决问题的能力是不现实的，但是，学生解决问题能力完全可以随着教师结合學科内容运用的一系列策略来进行训练、发展和提高。当学生想知道自己所合成的样品的组成时，所面临的是一个崭新的、需要学生自己解决的问题。这不同于以往的实验操作练习，他需要在大脑中对理论课程中所学的各种滴定技术进行筛选和重新组合，找出测定钴氨配合物中Co、NH3和Cl的含量所适用的方法，并将这些方法通过自己的实验操作转化为实验数据。样品的测试结果与[Co（NH3）5Cl]Cl2的理论组成几乎完全一致，表明改进的实验方案能够成功制得目标产物。此时，学生的喜悦溢于言表。因为他们看到了滴定技术将看不到、摸不着的配合物真实地展示在眼前，他们意识到了化学基本理论对化学实验的指导意义，他们也会将这些正向、积极的情绪反馈到后续的理论学习过程中。化学实验教学肩负着培养学生创造性的重任，学生从理论课堂上得到的大多是间接经验，它们是前人发现或总结的、对人类社会来说具有首创性的成果。教育学理论家吉尔福特认为，“真创造”和“类创造”中表现出来的思维和认知能力在本质上是相同的，创造性不仅局限于少数天才，还潜在地分布在整个人口中间。因此，创造性并不神秘，在学生解决问题的过程中，总是或多或少的带有创造性的行为。总之，钴氨配合物的组成分析涉及酸碱滴定、配位滴定和沉淀滴定，是实现理论与实践互动、培养学生创造性能力的优秀范例。

四、目标产物形成机理研究中的理论与实践

1.X射线粉末衍射技术的应用。建立在严格的理论基础上的现代测试技术可使抽象的理论形象化，能够为我们提供可重现的、精确的实验数据。基于这些实验数据的分析过程逻辑缜密，能极大地激发学生的科研兴趣，对培养学生的逻辑思维能力、形成科学的思维方式有巨大裨益。在钴氨配合物的合成实验中，利用X射线粉末衍射技术对产物进行了表征，与文献[8]制备的样品和JCPDS标准卡片No.74-0344进行比对，说明以Co（NO3）2·6H2O晶体为原料、在NH3-NH4Cl体系中，不必添加诸如O2、H2O2等其他氧化剂，利用硝酸盐的自身氧化能力即可得到纯净、结晶良好的配合物[Co（NH3）5Cl]Cl2晶体。

2.紫外可见光谱技术对实验机理研究的指导。紫外可见光谱技术可以跟踪反应过程，使原本看不到的反应过程形象地显示在学生面前。我们分别测试了原料、中间产物和目标产物的紫外—可见吸收光谱，根据原料→中间产物→目标产物的吸收光谱的变化，研究反应机理。学生们清晰地观察到了Cl-离子和NH3分子依次进入钴配合物内界所带来的电子吸收光谱的红移和蓝移，并推导出了晶体场理论教学中学习的光谱化学序列NH3>H2O>Cl。

3.晶体场理论对实验机理研究的指导。钴氨配合物[Co（NH3）5Cl]Cl2的形成过程中发生了氧化和配体置换两个过程。在教师的指导下，学生从Co原子的价电子构型入手，利用晶体场理论，计算了Co（II）和Co（III）在八面体场中的晶体场稳定化能，分析了它们稳定性的差异，结合紫外可见光谱的数据，得出弱场中的Co（II）（电子构型为dε5dγ2），经过强场中的Co（II）（电子构型为dε6dγ1），最终转化为强场中的Co（III）（电子构型为dε6）是能量最低的途径。

五、結论

本科生的理论课教学和实验教学不能孤立进行，高校化学化工专业培养的既不是纸上谈兵的理论家，也不是照方抓药的操作工。实验教学中，教师需有意识地引导学生应用理论教学成果去解释实验现象，分析实验数据，以揭示隐藏在背后的客观规律。

参考文献：

[1]Farhadi S.，Pourzare K.，Sadeghinejad S.，Synthesis and Characterization of Co3O4Nanoplates by Simple Thermolysis of the [Co（NH3）6]2（C2O4）3·4H2O Complex[J]. Polyhedron，2014，67（8）：104-110.

[2]Farhadi S.，Safabakhsh J.，Solid-state Thermal Decomposition of the [Co（NH3）5CO3]NO3·0.5H2O complex：A Simple，Rapid and Low-temperature Synthetic Route to Co3O4 Nanoparticles[J]. Journal of Alloys and Compounds，2012，515（1）：180-185.

[3]Mech K.，abiński P.，Kowalik R.，Fitzner K.，Analysis of Co-Pd Alloys Deposition from Electrolytes Based on [Co（NH3）6]3+ and[ Pt（NH3）4]2+ complexes[J]. Electrochimica Acta，2013，104（1）：468-473.

[4]魏琴，盛永丽.无机及分析化学实验[M].北京：科学出版社，2008.

[5]钟国清.无机及分析化学实验[M].北京：科学出版社，2008.

[6]贾佩云，陈春霞.无机及分析化学实验[M].北京：化学工业出版社，2013.

[7]商少明.无机及分析化学实验[M].北京：化学工业出版社，北京，2014.

[8]杨绪红，张连杰.[Co（NH3）5Cl]Cl2的制备及组成测定探讨[J].咸宁学院学报，2008，26（3）：95-97.

[9]邵瑞珍.教育心理学[M].上海教育出版社，1988.