劉亞楠 蘇秀榮 張麗麗

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 山東泰安 271018

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心為化學(xué)學(xué)院大學(xué)一年級(jí)新生開設(shè)的一門獨(dú)立的必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，化學(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能的考核就成了了解學(xué)生學(xué)習(xí)水平的重要環(huán)節(jié)[1]。公平公正、科學(xué)合理的考試有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，正確評(píng)價(jià)教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，為教學(xué)研究提供依據(jù)[2]。為此，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)近年來一直在不斷進(jìn)行著改革，針對(duì)實(shí)驗(yàn)考試改革進(jìn)行了積極的探索與嘗試。

大一第二學(xué)期主要學(xué)習(xí)各種元素的性質(zhì)，為了考核學(xué)生這個(gè)學(xué)期對(duì)知識(shí)掌握和實(shí)踐能力，學(xué)期末安排了離子鑒定設(shè)計(jì)分離實(shí)驗(yàn)作為考試內(nèi)容。共分為兩部分，陽離子鑒別分離實(shí)驗(yàn)和陰離子鑒別分離實(shí)驗(yàn)，時(shí)間為2周，任課教師提前劃定未知離子的范圍，告知實(shí)驗(yàn)提供的儀器和試劑，讓學(xué)生據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)要求。學(xué)期末實(shí)驗(yàn)操作考試占實(shí)驗(yàn)總成績(jī)的30%，從而引起學(xué)生對(duì)考試的重視，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生主動(dòng)查閱相關(guān)資料，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的深度掌握，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、綜合運(yùn)用知識(shí)分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力[3]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)掌握陰離子的分析特性，學(xué)會(huì)陰離子未知液的分析和鑒定方法。熟悉常見陰離子的性質(zhì)。了解檢出常見陰離子的方法與反應(yīng)條件。檢出未知液離子。

(2)熟悉各陽離子的有關(guān)性質(zhì)，如氧化還原性、氫氧化物的酸堿性、形成配合物的能力等。

(3)掌握常見陽離子分組的依據(jù)和條件以及互相分離和鑒定的方法。

(4)掌握沉淀完全的檢查、沉淀的洗滌、沉淀與溶液的分離等基本操作。

2 實(shí)驗(yàn)原理

陰離子分析一般是利用陰離子的分析特性(離子及其主要化合物的外觀、顏色、溶解度、酸堿性、氧化還原能力和配位能力等)進(jìn)行初步試驗(yàn)，確定離子存在的可能范圍，然后進(jìn)行個(gè)別離子的檢出。在水溶液中，非金屬元素常以簡(jiǎn)單陰離子(如Cl-，S2-等)或者復(fù)雜陰離子(如CO32-，PO43-等)存在。此外，有些金屬元素在高氧化態(tài)時(shí)也形成陰離子(如CrO42-，MnO4-等)，同種元素可以組成多種陰離子，例如這4種陰離子的組成元素相同，但它們的性質(zhì)各不相同，所以在分析時(shí)不但要知道含什么元素，還要知道該元素的存在形式。

有些陰離子在堿性或中性溶液中可以共存，酸化后立即相互反應(yīng)，如I-與NO2-，I-與CrO42-等，所以一方被證實(shí)后，就可以否定另一方的存在。充分利用陰離子的分析特性，先做初步實(shí)驗(yàn)，消除某些離子存在的可能性(常稱為“消去法”)，估測(cè)待測(cè)離子的范圍，就能大為簡(jiǎn)化分析手續(xù)，有針對(duì)性地對(duì)可能存在的陰離子進(jìn)行鑒定。

陰離子分析中彼此干擾較少，大多數(shù)用分別分析(不經(jīng)過系統(tǒng)分離，直接檢出離子)的方法，只有遇干擾時(shí)，才進(jìn)行局部分離[4]。

在進(jìn)行陽離子分離鑒別時(shí)，首先對(duì)各種陽離子進(jìn)行分離，根據(jù)其特點(diǎn)選擇不同的試劑(如沉淀劑、氧化還原劑等)，然后再針對(duì)每組分離出的組分根據(jù)其分析特性進(jìn)行分別分析。一系列離子的分離鑒定要經(jīng)過很多次分離，只有當(dāng)離子完全分離以后才能夠利用特征反應(yīng)確定其存在。

陽離子除Al3+，Zn2+外，都具有多種氧化態(tài)。伴隨著氧化態(tài)的改變，顏色與其他性質(zhì)發(fā)生變化。本組離子的許多分離、鑒定反應(yīng)都與氧化態(tài)的變化有關(guān)。例如，用強(qiáng)氧化劑將幾乎無色的Mn2+氧化為紫紅色的MnO4-，可確證Mn2+的存在。又如，Cr3+的還原性，在酸性介質(zhì)中極弱，而在堿性條件下大為增強(qiáng)，在堿性溶液中較輕易地使Cr(OH)4-氧化成CrO42-，便于分離和檢出。

陽離子與適量堿作用皆生成氫氧化物，它們都難溶，高氧化態(tài)離子的氫氧化物的溶解度比低氧化態(tài)的小得多。它們都是無定形沉淀，易成膠體溶液，加熱可促使它們凝聚而析出[5]。

陽離子形成配合物的傾向很大，此性質(zhì)在鑒定上有很多應(yīng)用，例如：利用F-與Fe3+形成的無色配離子FeF2+遮蔽Fe3+，消除用SCN-鑒定Co2+時(shí)Fe3+的困擾。利用茜素磺酸鈉與Al3+形成亮紅色螯合物鑒定Al3+。利用Al3+，Zn2+與NH3配合能力的差異可以分離Al(OH)4-和

3 實(shí)驗(yàn)儀器、藥品和材料

儀器：抽濾裝置、離心機(jī)、點(diǎn)滴板、試管、燒杯、酒精燈等常用儀器。

陰離子鑒別實(shí)驗(yàn)提供試劑：BaCl2(0.5 mol·L-1)，HNO3(6 mol·L-1)，H2O2(6%)，NaBiO3(s)或KIO4(s)，H2SO4(3 mol·L-1)，NaOH(6 mol·L-1)，(NH4)2MoO4(飽和溶液)，NaSO3(0.5 mol·L-1)，AgNO3(0.1 mol·L-1)，酸性品紅試液，戊醇，pH試紙，未知陰離子溶液10 ml/人(離子濃度約0.1 mol·L-1)。

陽離子鑒別實(shí)驗(yàn)提供試劑：HCl(6 mol·L-1)，HNO3(6 mol·L-1)，NaS(0.5 mol·L-1)，H2O2(6%)，H2SO4(3 mol·L-1)，NaOH(6 mol·L-1)，NH3·H2O(6 mol·L-1)，NH4SCN(飽和溶液)，NH4F(1 mol·L-1)，KSCN(1 mol·L-1)，NaBiO3(s)，NH4Cl(飽和溶液)，HAc(2 mol·L-1)，Pb(Ac)2(0.5 mol·L-1)，NH4Ac(3 mol·L-1)，茜素磺酸鈉溶液，鎳試劑，戊醇，pH試紙，SnCl2(0.5 mol·L-1)，K4Fe(CN)6(0.1 mol·L-1)，未知陽離子溶液3 ml/人(離子濃度約0.1 mol·L-1)。

4 考試安排

實(shí)驗(yàn)考試共有8課時(shí)，陰離子和陽離子鑒別實(shí)驗(yàn)分別占4課時(shí)，實(shí)驗(yàn)考試時(shí)間安排在學(xué)習(xí)完必修課程之后，具體安排如下。

4.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

提前一周給學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)的意義和目的，告知學(xué)生離子范圍及所提供的儀器、藥劑和實(shí)驗(yàn)要求，例如陰離子未知液中可能含有用實(shí)驗(yàn)證明哪些離子肯定存在？哪些離子肯定不存在？要求畫出操作過程示意圖，在相應(yīng)位置注明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，寫出有關(guān)方程式。陽離子未知液中可能有Ag+，Cu2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Ni2+，Al3+，Mn2+，Cr3+離子，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用提供的試劑，分離與檢出學(xué)生所擁有的未知液中的離子。要求學(xué)生查找文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)前寫好預(yù)習(xí)報(bào)告。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

每人隨機(jī)抽取未知液試劑瓶，取用規(guī)定體積的未知液，按以下步驟進(jìn)行定性分析。

(1)觀察溶液的顏色并試其酸堿性，供推斷離子存在的范圍做參考。

(2)進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)離子存在的可能范圍。

(3)根據(jù)離子存在的可能范圍，參照元素化學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的有關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)具體的分析方案進(jìn)行分析。

(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，若最后結(jié)果與初步實(shí)驗(yàn)有矛盾時(shí)必須再作必要的重復(fù)實(shí)驗(yàn)[6]。

4.3 實(shí)驗(yàn)要求與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

時(shí)間要求：實(shí)驗(yàn)及報(bào)告要求在3小時(shí)內(nèi)完成。

設(shè)計(jì)與報(bào)告要求：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一并提交(用實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙寫，要有實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)論)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，一定要注明自己實(shí)驗(yàn)所用未知液的編號(hào)。陽離子實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求用樹形圖形式寫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與報(bào)告。

最終評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為陰離子實(shí)驗(yàn)共40分，多一個(gè)少一個(gè)，均扣3分，鑒定方法不合適，每離子扣2分。陽離子實(shí)驗(yàn)共60分，多一個(gè)少一個(gè)，均扣5分。鑒定方法不合適，每離子扣2分。超出規(guī)定時(shí)間酌情扣分。

5 教學(xué)討論

未知離子試劑配制由5～7種不同的離子組合而成，配制時(shí)應(yīng)考慮試劑的pH值，確定各離子在合適的pH值范圍內(nèi)以及各離子之間會(huì)不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，例如，陽離子如果選擇Ag+的話，各配制試劑用的鹽則應(yīng)該選擇硝酸鹽。未知溶液共分4組，每組都是不同的離子組合，再分到32個(gè)不同的試劑瓶中，每個(gè)學(xué)生需鑒定的未知液都是不同編號(hào)的試劑，隨機(jī)抽取，杜絕了互相之間詢問、借鑒的可能性，考查了學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的能力，使考試結(jié)果更加公正公平。實(shí)驗(yàn)考試不像平時(shí)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一樣給出固定的試劑和用量，學(xué)生要自己查資料，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)步驟，摸索實(shí)驗(yàn)條件和試劑用量。例如，學(xué)生需要綜合參考H2S分析法和兩酸兩堿分析法，從中找出適合的方案來鑒定未知陽離子。教師可以通過學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案檢查學(xué)生的設(shè)計(jì)思路是否清晰、實(shí)驗(yàn)方案是否合理。有利于深化和拓展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的思維方法和實(shí)踐能力，為將來的科研工作打下基礎(chǔ)。試劑的用法用量都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生決定性影響，例如沉淀要洗干凈、反應(yīng)的條件與環(huán)境、試劑用量要適當(dāng)、試管要干凈、實(shí)驗(yàn)時(shí)試劑要逐滴加入、振蕩、觀察現(xiàn)象等。教師可以在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)學(xué)生適當(dāng)提醒，有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

雖然實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)只占實(shí)驗(yàn)總成績(jī)的30%，但是想得滿分也不是很容易的事情，每個(gè)學(xué)生成績(jī)之間易拉開差距。實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)同時(shí)兼顧了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程，使最終的實(shí)驗(yàn)成績(jī)能真實(shí)地反映每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)質(zhì)量。

6 實(shí)踐效果

以往的實(shí)驗(yàn)考試大多側(cè)重于對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范和使用儀器能力的檢測(cè)，并不能檢測(cè)出學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)掌握和綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。因此，基于多年教學(xué)實(shí)踐，在本實(shí)驗(yàn)考試設(shè)計(jì)中，打破以往考試模式，更新和優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重視，激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)汲取的主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生自學(xué)能力，增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)了對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)[7]。試行幾年來，均取得了滿意的教學(xué)效果。教師對(duì)每個(gè)學(xué)生各元素性質(zhì)及各種反應(yīng)的了解和掌握水平以及對(duì)知識(shí)框架的系統(tǒng)構(gòu)建情況有了更深刻的了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié)，方便針對(duì)每個(gè)學(xué)生不同的情況制訂下學(xué)期的教學(xué)計(jì)劃，對(duì)不同學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的輔導(dǎo)。學(xué)生也對(duì)自己的知識(shí)掌握和實(shí)驗(yàn)操作情況有了深刻的了解，方便將來在自己欠缺部分多加重視。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在對(duì)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)、提高大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)方面都具有積極意義。