論鈷氨配合物的合成實(shí)驗教學(xué)理論研究論文
一、前言
作為一門(mén)實(shí)驗科學(xué),化學(xué)中的基本理論和概念大都源自縝密的實(shí)驗觀(guān)察和詳細的實(shí)驗記錄。同時(shí),化學(xué)基本理論和概念對化學(xué)實(shí)驗方法的設計又具有重要的指導意義。在大一無(wú)機化學(xué)理論課程教學(xué)中開(kāi)展化學(xué)實(shí)驗研究,不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，更是對學(xué)生腦力的訓練不僅能夠幫助學(xué)生鞏固、加深對所學(xué)理論知識的理解,更能使學(xué)生深刻體會(huì )理論和方法對化學(xué)實(shí)驗的指導作用。教師在“理論與實(shí)踐的互動(dòng)”過(guò)程中應起到推動(dòng)和助力作用。本文從鈷(氨配合物的合成入手,介紹了我們在指導學(xué)生運用化學(xué)基本理論和方法進(jìn)行實(shí)驗設計和改進(jìn)等方面的實(shí)踐。鈷(II)氨配合物主要包括三種：Co(NHh)COCUC則JCis和[Co(NH)5H2OM晶體，其內外界結構和光學(xué)性質(zhì)對制備條件相當敏感,不僅是材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),而且其合成和組成分析屬于大學(xué)無(wú)機化學(xué)實(shí)驗的經(jīng)典實(shí)驗M。該實(shí)驗涉及配合物的晶體場(chǎng)理論、光譜化學(xué)序列等基本概念和理論，組成分析過(guò)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(shí)踐的互動(dòng)”貫穿實(shí)驗的始終,在樣品合成方案的設計、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。
二、氧化還原電極電勢對實(shí)驗方案設計的指導
傳統實(shí)驗教材中以CoCI2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(I)的氧化劑、使用濃HCI以促進(jìn)含氯離子配合物的結晶，實(shí)驗操作環(huán)境比較惡劣。由于實(shí)驗教學(xué)面對的學(xué)生已經(jīng)完成了大學(xué)無(wú)機化學(xué)課程的學(xué)習，掌握了氧化還原電極電勢的基本概念，因此在實(shí)驗設計階段,我們有意識地引導學(xué)生利用理論課程中學(xué)習的Nerns仿程，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(NH)63+/Co(NH)62+、NO3-/NO2-、O2/OH-等相關(guān)電對的電極電勢,設計了新的樣品合成方案。具體如下：將7.276gCo(NO)2.6H2O和一定量的NH4C固體置于三口燒瓶中，加入7mL水,在65°C恒溫水浴中攪拌回流20分鐘,混液由淡紫紅色逐漸轉變?yōu)樯钏{色。向混合溶液中持續通入高純氮氣20分鐘后,分多次加入一定量的濃氨水,溶液的溫度維持在65C左右,溶液的顏色逐漸由深藍變?yōu)樯钭霞t色。氮氣保護下繼續攪拌、回流40分鐘，即產(chǎn)生大量紫紅色沉淀。過(guò)濾后用無(wú)水乙醇洗滌、干燥，得到目標產(chǎn)物。該方案以Co(NO)2-6H2O代替CoCI2和H2O2,利用Co(NO)2自身的氧化能力氧化Co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(xué)的理念。
三、組分分析中學(xué)生解決問(wèn)題能力的培養
有意義學(xué)習的層級由低到高依次為代表性學(xué)習、概念學(xué)習、命題學(xué)習、概念和命題的運用、解決問(wèn)題和創(chuàng )造性�；瘜W(xué)實(shí)驗教學(xué)是在概念和命題學(xué)習的基礎上，訓練學(xué)生運用概念和命題、解決問(wèn)題和培養創(chuàng )造性的重要途徑。通過(guò)理論教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)習得了各種滴定方法，將理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)相結合,這樣才能使學(xué)生在感性認識的`基礎上學(xué)會(huì )運用不同的滴定方進(jìn)一步發(fā)生創(chuàng )造性的學(xué)習。教育學(xué)基本理論認為，試圖通過(guò)短期訓練來(lái)提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力是不現實(shí)的，但是，學(xué)生解決問(wèn)題能力完全可以隨著(zhù)教師結合學(xué)科內容運用的一系列策略來(lái)進(jìn)行訓練、發(fā)展和提高。當學(xué)生想知道自己所合成的樣品的組成時(shí),所面臨的是一個(gè)嶄新的、需要學(xué)生自己解決的問(wèn)題。這不同于以往的實(shí)驗操作練習,他需要在大腦中對理論課程中所學(xué)的各種滴定技術(shù)進(jìn)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(guò)自己的實(shí)驗操作轉化為實(shí)驗數據。樣品的測試結果與CoNHhCOCk的理論組成幾乎完全一致，表明改進(jìn)的實(shí)驗方案能夠成功制得目標產(chǎn)物。此時(shí),學(xué)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(zhù)的配合物真實(shí)地展示在眼前,他們意識到了化學(xué)基本理論對化學(xué)實(shí)驗的指導意義,他們也會(huì )將這些正向、積極的情緒反饋到后續的理論學(xué)習過(guò)程中�；瘜W(xué)實(shí)驗教學(xué)肩負著(zhù)培養學(xué)生創(chuàng )造性的重任，學(xué)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)現或總結的、對人類(lèi)社會(huì )來(lái)說(shuō)具有首創(chuàng )性的成果。教育學(xué)理論家吉爾福特認為，“真創(chuàng )造”和“類(lèi)創(chuàng )造”中表現出來(lái)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天才,還潛在地分布在整個(gè)人口中間。因此，創(chuàng )造性并不神秘，在學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程中，總是或多或少的帶有創(chuàng )造性的行為�？傊�,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(shí)現理論與實(shí)踐互動(dòng)、培養學(xué)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(shí)踐
X射線(xiàn)粉末衍射技術(shù)的應用。建立在嚴格的理論基礎上的現代測試技術(shù)可使抽象的理論形象化，能夠為我們提供可重現的、精確的實(shí)驗數據�；谶@些實(shí)驗數據的分析過(guò)程邏輯縝密，能極大地激發(fā)學(xué)生的科研興趣，對培養學(xué)生的邏輯思維能力、形成科學(xué)的思維方式有巨大裨益。在鈷氨配合物的合成實(shí)驗中，利用X射線(xiàn)粉末衍射技術(shù)對產(chǎn)物進(jìn)行了表征，與文獻制備的樣品和』CPDS標準卡片No.74-0344進(jìn)行比對，說(shuō)明以Co(NO)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、結晶良好的配合物[Co(NH)sC0Cl2晶體。
紫外可見(jiàn)光譜技術(shù)對實(shí)驗機理研究的指導。紫外可見(jiàn)光譜技術(shù)可以跟蹤反應過(guò)程,使原本看不到的反應過(guò)程形象地顯示在學(xué)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(jiàn)吸收光譜，根據原料^中間產(chǎn)物^目標產(chǎn)物的吸收光譜的變化,研究反應機理。學(xué)生們清晰地觀(guān)察到了Co離子和NH3分子依次進(jìn)入鈷配合物內界所帶來(lái)的電子吸收光譜的紅移和藍移,并推導出了晶體場(chǎng)理論教學(xué)中學(xué)習的光譜化學(xué)序列NH3>H2O>C。
晶體場(chǎng)理論對實(shí)驗機理研究的指導。鈷氨配合物[Co(NH)5Cl]Cl2的形成過(guò)程中發(fā)生了氧化和配體置換兩個(gè)過(guò)程。在教師的指導下，學(xué)生從Co原子的價(jià)電子構型入手,利用晶體場(chǎng)理論,計算了Co(l)和Co(ll)在八面體場(chǎng)中的晶體場(chǎng)穩定化能,分析了它們穩定性的差異，結合紫外可見(jiàn)光譜的數據，得出弱場(chǎng)中的Co(l)(電子構型為de5d7),經(jīng)過(guò)強場(chǎng)中的Co(l)(電子構型為de6d7),最終轉化為強場(chǎng)中的Co(ll)(電子構型為de)是能量最低的途徑。
五、結論
本科生的理論課教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)不能孤立進(jìn)行，高�；瘜W(xué)化工專(zhuān)業(yè)培養的既不是紙上談兵的理論家，也不是照方抓藥的操作工。實(shí)驗教學(xué)中，教師需有意識地引導學(xué)生應用理論教學(xué)成果去解釋實(shí)驗現象,分析實(shí)驗數據，以揭示隱藏在背后的客觀(guān)規律。
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