化学实验是化学学科形成和发展的基础，是检验化学知识真理性的标准，在整个化学教学与人才培养中具有重要作用。实验教学是学生直接获取和检验化学知识的重要手段。通过实验教学有助于学生掌握化学实验的基本操作和技能，加深对化学理论课程基本概念和基本理论的理解^[1]。

“三氯化六氨合钴(Ⅲ)的制备及组成测定实验”在无机化学实验教材中属于综合性化学实验^[2]，该实验包含三氯化六氨合钴(Ⅲ)的制备及组分测定两部分内容^{[3, 4]}。在教学实践中我们发现，该实验在制备过程存在重现性差、反应时间长等问题。具体表现在实验过程中得不到目标产品或合成出产品产率太低，产品的量不足以进行后续分析实验。该合成实验存在反复溶解和结晶过程，所需时间较长，学生常常在有限的课时内不能完成所有实验规定内容。为避免此类现象，提高实验教学效果，从盐酸浓度^[5]、反应条件^[6]、原料用量^[3]和实验过程^{[3, 7]}等方面进行优化，但是对活性炭催化剂的研究相对较少。我们在教材原有实验条件的基础上进行优化以提高实验重现性，缩短实验时间，达到教学目的。

分析天平(LE204E/02)、数显恒温水浴锅(HH-S₄)、循环水多用真空泵(SHB-3A)、真空干燥箱、X射线衍射仪(Brucker D8 Advance型)、热过滤漏斗。

NH₄Cl；CoCl₂∙6H₂O；活性炭；浓氨水；过氧化氢溶液(6%)；浓盐酸；盐酸溶液(X + Y) (由X体积的沸水与Y体积的浓盐酸配制而成)。

该实验以活性炭作为催化剂，H₂O₂作为氧化剂，通过CoCl₂与过量NH₃和NH₄Cl反应制备三氯化六氨合钴(Ⅲ)，总反应方程式见式(1)：

(1) $\text{2CoC}{{\text{l}}_{\text{2}}}\text{+10N}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{+2N}{{\text{H}}_{\text{4}}}\text{Cl }\!\!~\!\!\text{ +}{{\text{H}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{2}}}\xrightarrow{活性炭}\text{2}\left[ \text{Co(N}{{\text{H}}_{\text{3}}}{{\text{)}}_{\text{6}}} \right]\text{C}{{\text{l}}_{\text{3}}}\text{+2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}$

产物先在盐酸溶液溶解、过滤出催化剂后再在盐酸溶液中结晶获得高纯度[Co(NH₃)₆]Cl₃^[8]。

在三氯化六氨合钴(Ⅲ)的制备实验中，存在三个要点。第一，由于二价钴盐比三价钴盐稳定，而大多数三价钴配合物比二价钻配合物稳定，所以必须要保证二价钴盐先生成Co(Ⅱ)配合物，然后再将Co(Ⅱ)配合物氧化生成Co(Ⅲ)配合物；其次，从Co(Ⅱ)配合物到Co(Ⅲ)配合物，中间可能发生若干个平行反应，既可生成三氯化六氨合钴(Ⅲ) (橙黄色晶体)，也可以生成三氯化一水五氨合钴(Ⅲ) (砖红色晶体)或二氯化一氯五氨合钴(Ⅲ) (紫红色晶体)等，这主要取决于反应条件的不同。例如，在没有活性炭催化剂存在时，CoCl₂与过量NH₄Cl反应的主要产物是二氯化一氯五氨合钴(Ⅲ)；在有活性炭催化剂时，主要产物是三氯化六氨合钴(Ⅲ)，即本实验的目标产物。所以在反应中必须保证反应物和活性炭催化剂充分接触。这就要求有足够量的活性炭催化剂，也需要催化剂有一定的细度，以提供足够大的比表面积，才能保证目标反应的进行。第三，本实验操作中有多次重结晶过程，须尽量降低溶剂的使用量，调整盐酸溶液浓度，以便于析出更多产品。故本文从强化催化反应和重结晶两个方面强化反应过程，提高三氯化六氨合钴(Ⅲ)合成产率。

在锥形瓶中加入3.0 g研细的CoCl₂∙6H₂O，2.0 g NH₄Cl和7 mL蒸馏水。加热溶解后加入一定量活性炭，冷却，加入10 mL浓氨水，冷却至283 K以下，缓慢加入8 mL过氧化氢，水浴加热至333 K左右并恒温20 min (适当摇动锥形瓶)。取出锥形瓶，先用自来水冷却，后用冰水混合物冷却。抽滤，将沉淀溶解到一定量沸热盐酸中，趁热过滤。在滤液中慢慢加入3 mL浓盐酸，冰水混合物冷却，过滤，无水乙醇洗涤，水环真空泵抽滤，105 ℃干燥，称量，计算产率。

[Co(NH₃)₆]Cl₃合成反应是一个催化氧化还原反应，催化剂对该反应有至关重要的作用。实验教材^[9]中未明确规定活性炭催化剂规格，学生在实验中常得到的是酒红色的溶液而得不到预期产物。主要原因是化学反应没有发生，产物为[Co(H₂O)₆]Cl₂ (酒红色) ^[10]。由上述分析可知催化剂在该化学反应中具有重要作用，决定了反应向哪个方向进行。故而必须确保催化剂的用量足够，或确保有足够大的比表面积，以期反应向生成[Co(NH₃)₆]Cl₃的方向进行。因此探究了不同催化剂用量和粒度对[Co(NH₃)₆]Cl₃合成的影响，反应结果如图 1所示。

由图 1可知：随着催化剂粒径的减小，[Co(NH₃)₆]Cl₃产率增加；随着催化剂用量增加，[Co(NH₃)₆]Cl₃产率先增加后下降。具体分析，当活性炭40目时，催化剂用量为0.5 g以上时才能得到产品。随着催化剂用量增加，[Co(NH₃)₆]Cl₃产率先增加后下降，催化剂用量为2.0 g时[Co(NH₃)₆]Cl₃产率最高，为34.8%；当活性炭粒度为60目、80目、100目和120目时，催化剂用量为0.2 g即可得到产品。当催化剂用量为1.0 g时[Co(NH₃)₆]Cl₃产率最高，分别为36.5%、38.1%、40.5%和42.5%；当催化剂用量继续增加时，[Co(NH₃)₆]Cl₃产率不增反降。这是因为活性炭是一种良好的吸附剂，大量的催化剂会吸附部分产物。从既保证产率又节约实验药品的角度出发，粒度为80–120目建议活性炭用量为0.2 g，粒度为60目建议活性炭用量为0.5 g，粒度为40目建议活性炭用量为1.5 g。

在合成过程中，需要用到热稀盐酸溶液对合成产物进行溶解将活性炭催化剂分离，后续再次加入浓盐酸溶液将[Co(NH₃)₆]Cl₃结晶析出^[9]。所以，盐酸溶液用量对[Co(NH₃)₆]Cl₃产率有重要影响。溶液浓度过低会导致[Co(NH₃)₆]Cl₃不能完全溶解，过高会导致[Co(NH₃)₆]Cl₃提前析出，这都会降低[Co(NH₃)₆]Cl₃的产率。在实验教学中发现，当稀盐酸溶液为(50 + 3) mL时产率低，为(50 + 1) mL时产率明显提高。产生该现象的原因可能是酸度过大，导致[Co(NH₃)₆]Cl₃提前析出，与活性炭催化剂一起被过滤出去从而得不到产品。为此，考查了不同盐酸用量对[Co(NH₃)₆]Cl₃产率的影响。图 2(a)是[Co(NH₃)₆]Cl₃产率随稀盐酸用量变化曲线。由图 2(a)可知，随着酸液用量的增大，[Co(NH₃)₆]Cl₃产率先增大后减小，当盐酸溶液量为(25 + 1) mL时[Co(NH₃)₆]Cl₃产率最高，达到42.5%。由图 2(b)可知，在重结晶过程中随着浓盐酸用量增加，[Co(NH₃)₆]Cl₃产率先增加后维持稳定，当浓盐酸用量为3 mL时[Co(NH₃)₆]Cl₃产率最高(42.5%)。

通过上述研究确定最佳的合成条件为：活性炭催化剂规格为120目、用量为0.2 g，盐酸溶液量为(25 + 1) mL，此时[Co(NH₃)₆]Cl₃产率可达到42.5%。将优化前后制备的产物进行对比，可能的产物有三氯化六氨合钴(橙黄色)、三氯化一水五氨合钴(砖红色)、二氯化钴(粉红色)和二氯化一氯五氨合钴(砖红色)，产物颜色各不相同，所以产物的颜色是评价产品质量的重要指标^{[6, 11]}，也是教师对学生教学课堂表现及实验报告打分的重要依据。如图 3所示，优化前合成产物颜色五花八门，优化后产物均为橙黄色，这说明当反应参数优化后产物确实得到了较纯的目标产物。

为进一步确定产物组成，对产物进行XRD分析，结果如图 4所示。由图 4可知：在15.1°、16.8°、17.8°、21.34°、24.4°、24.8°、25.1°、25.6°、36.2°处出现强[Co(NH₃)₆]Cl₃特征峰，在15.4°、22.5°、28.4°、30.3°、34.2°、37.1°、39.2°、42.8°、44.1°和44.9°处出现弱[Co(NH₃)₆]Cl₃特征峰，所以合成产物主要是[Co(NH₃)₆]Cl₃；从峰型来看，衍射峰呈现“尖峰”，所以合成[Co(NH₃)₆]Cl₃为高结晶度。综上所述，经过优化后合成Co[(NH₃)₆]Cl₃的产率、纯度和结晶度明显提高。

Co[(NH₃)₆]Cl₃的制备实验中出现合成产品不理想时，先按照常规的方法更换药品。即所有试剂都用最新生产的药品配制，并指导学生严格按照书中步骤进行实验。在反应结果还是不理想的情况下，遂从实验机理出发，分析整个实验过程中容易导致合成失败或结晶产品太少的原因，然后有针对性地进行改进，以得到足量的目标产品。在整个过程更深刻、全面地认识了整个合成实验，验证了粒度对催化剂比表面积的影响进而影响到催化效果，验证了平行反应的竞争性，验证了溶解–结晶过程中溶液浓度的影响。实验研究结果表明，当粒度为80–120目活性炭用量为0.2 g，粒度为60目活性炭用量为0.5 g，粒度为40目活性炭用量为1.5 g和盐酸溶液为(25 + 1) mL，浓盐酸用量为3 mL，能够达到教材预期要求。经过优化后合成产物颜色为橙黄色，[Co(NH₃)₆]Cl₃的产率、纯度和结晶度明显提高。不仅如此，在整个优化反应条件的过程中，师生一心，首先分析整个实验过程，深入细致地梳理可能引起问题的原因，然后有针对性地解决，完成了发现问题到解决问题的过程。既保证了实验的顺利进行，也营造了良好的师生共同进步的氛围，成为成功的教学典范。