大学化学, 2020, 35(9): 89-95 doi: 10.3866/PKU.DXHX201909023

化学实验

对“Co2+鉴定”实验的再认识——批判性思维教育的最好案例之一

吕银云, 阮婵姿, 张春艳, 潘蕊, 许振玲, 任艳平,

Reunderstanding of the "Identification of Co2+" Experiment: One of the Best Examples of Critical Thinking Education

Lü Yinyun, Ruan Chanzi, Zhang Chunyan, Pan Rui, Xu Zhenling, Ren Yanping,

通讯作者: 任艳平, Email: ypren@xmu.edu.cn

收稿日期: 2019-09-11   接受日期: 2019-10-11  

基金资助: 2017年福建省本科高校教育教学改革研究项目.  FBJG20170295
2017年度厦门大学教学改革研究项目.  JG20170204
国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024

Received: 2019-09-11   Accepted: 2019-10-11  

摘要

以经典的“Co2+鉴定”试管实验为例,主要介绍通过“先做后教、以做定教”实验教学的“翻转课堂”模式,即学生先做实验,具有亲身经历和切身体会后,以“问题”为导向,通过师生和生生边讨论、边演示,以实现对经典“Co2+鉴定”实验的再认识与改进,并以此展现在做“实”基础实验教学过程中如何培养学生“想”的意识和“批判性”思维。

关键词: 实验教学 ; Co2+鉴定 ; 再认识 ; 翻转课堂 ; 批判性思维

Abstract

Taking the experiment of the "identification of Co2+" as an example, this article elaborates the flexible application of "flipped classroom" model in the chemical laboratory teaching. Specifically, students do the experiment first and have questions during the experimental process, then the teacher discusses and demonstrates with students base on their questions, leading students to reunderstand the classic experiment of the "identification of Co2+". Thus this article reveals about how to educate students to think and criticize in the teaching process.

Keywords: Chemical laboratory teaching ; Identification of Co2+ ; Reunderstanding ; Flipped Classroom ; Criticizing

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本文引用格式

吕银云, 阮婵姿, 张春艳, 潘蕊, 许振玲, 任艳平. 对“Co2+鉴定”实验的再认识——批判性思维教育的最好案例之一. 大学化学[J], 2020, 35(9): 89-95 doi:10.3866/PKU.DXHX201909023

Lü Yinyun. Reunderstanding of the "Identification of Co2+" Experiment: One of the Best Examples of Critical Thinking Education. University Chemistry[J], 2020, 35(9): 89-95 doi:10.3866/PKU.DXHX201909023

多年来,我国的高等教育持续在进行深化改革,实验教学的硬件条件、实验教学方式等发生了巨大变化,信息技术的发展和网络技术的普及确实给学生提供和创造了直接、方便、快捷、轻松、精准的学习途径和学习环境。如学生的实验预习资料以多种方式呈现,不限于只看手头的实验教材,可线上看课件(PPT,MOOC)、视频公开课,或应用虚拟仿真甚至虚拟现实等软件体验实验过程,这些都给实验教学提供了极大的便利,对激发学生的学习兴趣、提高实验教学效果具有重要作用。

然而,信息技术再发达,目前也只能是实验教学的辅助手段,各高校的学生还必须到实验室来做实验,直观体验实验过程以获得感性认识。所以,我们还是要重视与学生面对面的实验过程的交流与探讨,力求对化学实验教学过程做细、做实、做精,这是实验教学的内涵,也是建设化学一流学科的根本。

像“Co2+鉴定”等“验证性”的实验内容具有简单易做、周期短、试剂用量少等特点。方便、快速的试管实验,同样对培养学生的基本实验素养以及批判性思维和创新意识等都具有重要意义[1-5]

下面以“Co2+鉴定”试管实验[6]为例,创新灵活应用“先做后教、以做定教”实验教学“翻转课堂”模式,即学生先做实验,具有亲身经历和切身体会后,以“问题”为导向,通过演示实验,引导学生有理有据、步步深入地进行分析、判断以及师生、生生相互讨论和验证,以实现对经典“Co2+鉴定”实验的再认识与改进,并以此展现在做“实”基础实验教学过程中,如何培养学生“想”的意识和“批判性”思维。

1 对经典的“ Co2+鉴定”实验的认识

有关Co2+的鉴定,实验教材[6-9]均认为“在含Co2+的溶液中加入KSCN或NH4SCN溶液,生成蓝色配离子[Co(SCN)4]2−,但[Co(SCN)4]2−在水溶液中不稳定(K = 103),易离解,而[Co(SCN)4]2−溶于丙酮、戊醇、乙醚或醇-醚混合溶剂等,在有机溶剂中比较稳定。”这也是经典的“Co2+鉴定”实验方法。按照实验教材上的描述,经典的“Co2+鉴定”实验流程如图1所示。

图1

图1   经典的“ Co2+鉴定”实验流程(n = 1 –3)

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按照实验教材上的描述,要灵敏地鉴定Co2+,就要加入戊醇或其他有机溶剂,尽管戊醇或其他有机溶剂的用量很少,但有机溶剂的挥发性大,有刺鼻的臭味,并要专门回收和处理含有戊醇的无机废液,不符合绿色、环保的实验要求。

2 由经典的“ Co2+鉴定”实验引发的思考

人常说“学贵有疑,小疑则小进,大疑则大进。”经典的“Co2+鉴定”实验过程中,戊醇(丙酮或乙醚)的刺激臭味也促使我们引导学生对经典“Co2+鉴定”的方法和实验现象进行分析、判断和思考。

1) NH4SCN溶液是无色的,在2 mL 0.1 mol∙L−1 CoCl2溶液中加入1 mL 10% NH4SCN溶液,图1中所得体系溶液颜色为什么会变成紫红色?这是我们亲眼看到的实验事实。如果没有新的物种形成的话,2 mL 0.1 mol∙L−1 CoCl2溶液只有被稀释而颜色变浅,而实验事实是溶液颜色变深;在紫红色溶液中加入戊醇有蓝色[Co(SCN)4]2−形成,说明这紫红色物质可能是低级配离子[Co(SCN)n]2−n (n = 1–3),但目前我们还无法通过实验来证实。学生在具体做实验时,直接加戊醇,忽略了对加戊醇前这步产物的认识与分析。

根据所给定的反应条件以及实验现象,图1可以用下列反应式(1)表示,即:

$\underset{粉红色}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O} \right)}_{6}} \right]}^{2+}}}}\, +\text{SC}{{\text{N}}^{-}}\to \underset{紫红色\left( n=1-3 \right)}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( \text{SCN} \right)}_{n}} \right]}^{2-n}}}}\, \xrightarrow{戊醇}\underset{蓝色}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( \text{SCN} \right)}_{4}} \right]}^{2-}}}}\, $

2)在水溶液中没有观察到蓝色[Co(SCN)4]2−存在,是在给定条件下(温度、浓度一定)根本没有形成蓝色的[Co(SCN)4]2−,而只形成低级配离子[Co(SCN)n]2−n (n = 1–3),还是像教科书上所描述的那样“形成的[Co(SCN)4]2−在水溶液中不稳定(K = 103),易离解”而形成低级配离子[Co(SCN)n]2−n (n = 1–3)?改变反应条件,能否在水溶液中形成肉眼可见的蓝色[Co(SCN)4]2−?在水溶液中蓝色的[Co(SCN)4]2−能否稳定存在?

3)加戊醇或丙酮等有机溶剂鉴定Co2+的方法灵敏,且具有唯一性,但有污染、麻烦,能否找到不用有机溶剂,简单、环保而又能有效地来鉴定Co2+的方法?

面对这样的疑问,指导教师要循循善诱地与学生一起去思考、去验证。对于问题2)还需要通过理论指导下的实验结果来回答。至于问题3)能否找到不用有机溶剂,简单、环保而又能有效地来鉴定Co2+的方法?这也是我们探索的方向和目标。

3 对经典的“ Co2+鉴定”实验的改进

实验教学过程就是培养学生明辨是、非、曲、直等一系列问题的能力。任何实验,尤其对经典实验,可能由于当时实验条件以及人们认识水平的限制,需要我们现在以“批判性”思维对一些实验内容和实验过程进行重新认识和审视[4]

我们知道,一个反应的结果往往与许多因素有关,如反应物浓度、反应温度、反应速度、反应时间、反应介质等,需要对这些因素进行综合分析、判断和批判性思考,才能给出科学的结果。像“Co2+鉴定”等简单、经典的“验证性”实验,学生经常是按部就班地进行验证,缺少对这些影响因素进行思考和质疑,因此有时就可能失去创新的机会。

一般认为CoCl2稀溶液中,Co(II)的存在型体为[Co(H2O)6]2+,这样一来,学生自然会想到上述反应(1)其实就是SCN与H2O的配位竞争反应,采取什么措施来提高SCN的配位竞争力呢?化学平衡移动原理告诉我们,改变浓度、温度等反应条件,使化学平衡可以发生移动。是否也可以通过增大反应物NH4SCN溶液的浓度或加热的方式使反应(1)的平衡向右移动,在水溶液中形成蓝色[Co(SCN)4]2−而唯一地鉴定Co2+,而与溶剂无关?分别通过下列的演示实验现象和结果来说明。

3.1 增大反应物NH4SCN溶液的浓度

增大反应物NH4SCN溶液的浓度,即用饱和NH4SCN溶液代替图1中10% NH4SCN溶液,实验结果会怎样呢?实验流程如图2所示。

图2

图2   经典的“ Co2+鉴定”实验的改进流程(增大SCN浓度,不加戊醇) (n = 1 –3)

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上述实验结果表明,用饱和NH4SCN溶液代替10% NH4SCN溶液,不加戊醇,在水溶液中立即得到蓝色的[Co(SCN)4]2−。在学生们惊讶地看到蓝色的同时,就迫不及待地想知道:在水溶液中,这蓝色配离子稳定吗?实验结果表明,放置24 h,SCN取代H2O反应更完全,蓝色更纯正。多次实验结果也证实,只要用浓度为20%以上的NH4SCN溶液代替图2中的饱和NH4SCN溶液,就会得到与图2所示的完全相同的实验结果。同样,根据化学平衡移动原理,降低SCN浓度,即加水稀释,蓝色的[Co(SCN)4]2−解离为紫红色的低级配离子[Co(SCN)n]2−n (n = 1–3),即蓝色消失(图3),这样的实验事实也就不足为奇了。

图3

图3   含有蓝色[Co(SCN)4]2−的水溶液稀释结果(n = 1 –3)

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按照上述实验结果和分析思路,取部分图1中含有机相的溶液,加水稀释,有机相蓝色也渐渐褪去(图4)。这样的实验现象也正好反映了SCN与H2O配位竞争反应的结果。

图4

图4   含有蓝色[Co(SCN)4]2−戊醇层的水溶液稀释结果(n = 1 –3)

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综合以上图2图3图4所示的实验结果,可用下列反应式(2)表示,即

$\underset{粉红色}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O} \right)}_{6}} \right]}^{2+}}}}\,+\text{SC}{{\text{N}}^{-}}\rightleftarrows \underset{紫红色\left( n=1-3 \right)}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( \text{SCN} \right)}_{n}} \right]}^{2-n}}}}\,\underset{\rm H_2 O}{\overset{戊醇或\text{SC}{{\text{N}}^{-}}}{\rightleftarrows}}\underset{蓝色}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( \text{SCN} \right)}_{4}} \right]}^{2-}}}}\,$

任何化学平衡都是暂时的、相对的、有条件的,如果条件改变,化学平衡就会发生移动。实验结果证实,在水溶液中,蓝色的[Co(SCN)4]2−是稳定的,但是,是有条件的,即在SCN过量的条件下,蓝色是相对稳定的;条件改变,即加H2O稀释,平衡旋即向左移动,蓝色褪去,形成紫红色的低级配离子[Co(SCN)n]2−n (n = 1–3)。上述实验现象也证实了该反应是一个快速平衡的反应,即H2O与SCN交换速度很快。

上述实验结果告诉我们,不用戊醇,通过增大SCN浓度,同样可以灵敏、方便、简单、快速地鉴定Co2+,从源头上控制了有机溶剂的污染,符合绿色、环保实验要求,并省去了专门回收处理含有戊醇的无机废液的麻烦。

3.2 加热

根据化学平衡移动原理,一般来说,加热可能有利于像[Co(H2O)6]2+这类水合离子的配位H2O被其他配体取代的反应进行,即反应式(3)的平衡向右移动,形成[Co(SCN)4]2−而使体系显现稳定的蓝色,即:

$\underset{粉红色}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O} \right)}_{6}} \right]}^{2+}}}}\,+\text{SC}{{\text{N}}^{-}}\rightleftarrows \underset{紫红色\left( n=1-3 \right)}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( \text{SCN} \right)}_{n}} \right]}^{2-n}}}}\,\underset{冷却}{\overset{\Delta}{\rightleftarrows}}\underset{蓝色}{\mathop{{{\left[ \text{Co}{{\left( \text{SCN} \right)}_{4}} \right]}^{2-}}}}\,$

实验事实果真如此吗?再来看下面的演示实验过程。

图5可以看出,反应物NH4SCN溶液的浓度仍为10%,只加热,不加戊醇,也能得到稳定的蓝色[Co(SCN)4]2−配离子,即加热有利于反应(3)的平衡向右移动;这蓝色配合物是相对稳定的;当条件改变,即降低温度,反应(3)的平衡向左移动,体系的蓝色褪去;再加戊醇,实验结果与图1所示结果一致,说明加热前和冷却后两个体系中所存在的物种是一样的。

图5

图5   经典的“ Co2+鉴定”实验的改进流程(加热,不加戊醇) (n = 1 –3)

改进流程不含红色虚线框内部分;电子版为彩图


上述实验结果说明,不用加戊醇等有机溶剂,通过加热的方式同样可以简单、方便、快速、有效地鉴定Co2+

在上述演示实验过程中,意外地发现了可逆热致变色现象,也就顺理成章地引导、启发学生对热致变色现象的认识(另撰文描述)。

3.3 含有Fe3+溶液中Co2+的鉴定

演示实验及其对实验现象讨论至此,学生还有疑问,对含有Fe3+的溶液中Co2+的鉴定,能否用上述图2图5的鉴定流程?当然,消除学生质疑的最好方法不是争辩,还是通过实验事实来说明。含有Fe3+的溶液中Co2+鉴定的经典流程如图6所示。

图6

图6   经典的含Fe3+溶液中“ Co2+鉴定”流程(m = 1 –6, n = 1–3)

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含有少量Fe3+的溶液中Co2+鉴定的经典方法也快速、灵敏,但同样要用到戊醇,带来污染和环保问题。

实验结果证实,在含有少量Fe3+的溶液中加入适量饱和NaF或NH4F溶液掩蔽Fe3+离子后,不用加戊醇,按照图2图5的鉴定流程,都能够很简单、快速、灵敏地鉴定和确认Co2+。为了使大一学生对含有少量Fe3+的溶液中Co2+鉴定过程有一个准确、清晰和全面的认识与理解,完整鉴定流程如图7图8所示。

图7

图7   经典的含Fe3+溶液中“ Co2+鉴定”实验的改进流程(增大SCN浓度,不加戊醇) (m = 1 –6, n = 1–3)

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图8

图8   经典的含Fe3+溶液中“ Co2+鉴定”实验的改进流程(加热,不加戊醇) (m = 1 –6, n= 1–3)

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4 结语

根据以上演示实验结果证明,不加戊醇或其他有机溶剂,上述图2图5图7图8所示的鉴定Co2+的流程都是切实可行的。对“Co2+鉴定”实验的再认识与改进,不仅有利于环保和节约,对学生批判性思维的培养也具有示范、引领作用。

实验教学的实验室永远是“翻转课堂”,学生随时发现问题,即可随时通过实验验证和解决问题;让学生体会到实验教学过程就是一个发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程,培养学生的“问题意识”。从上述实验教学过程也可以看出,展现过程、重视细节、提出怀疑、实证研究都在实验教学“翻转课堂”中得到了极好的体现;同时,讨论的问题取材于那些学生亲身经历过、感受过、反思过的实验,因此讨论过程就感觉鲜活、生动、感人,能够引起学生的兴趣和共鸣。

实践证明,这样的实验教学“翻转课堂”模式可以从多个角度激发学生的实验兴趣,对培养学生“想”的意识和“批判性”思维具有重要作用。

参考文献

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