实施开放实验 培养学生综合、创新能力

景志红， 孙 敏， 凌宝萍， 王 停

(曲阜师范大学 化学与化工学院， 山东 曲阜 273165)



·实验教学与创新·

实施开放实验 培养学生综合、创新能力

景志红， 孙 敏， 凌宝萍， 王 停

(曲阜师范大学 化学与化工学院， 山东 曲阜 273165)

三草酸合铁(III)酸钾制备实验是一个典型的无机化学综合实验，实验内容涉及到许多基本操作和无机化学基本原理，但现有实验教材中也存在着一些问题和困惑。我们经过共同的研究和探讨，通过先进的实验测试技术和更新拓展实验内容，将传统的三草酸合铁(III)酸钾制备实验改造成为一个综合性开放实验，既弥补了现有实验教材的不足，又将学科前沿知识运用于本科生实验教学中，激发了学生的浓厚兴趣和科研热情，开拓了学生的思路，进一步提升了学生的科研能力和创新思维能力。

三草酸合铁(III)酸钾； 无机化学实验； 开放实验； 教学改革

0 引 言

自20世纪60年代初美国的物理实验教学改革首次提出“开放实验”教学模式以来，我国高校教师在各科实验教学中进行了尝试，在培养学生自主创新能力方面取得了较好的效果。近年来，曲阜师范大学无机化学实验教学改革也在开放实验实施过程中取得了一些成绩，并以此为教学平台，获得曲阜师范大学校级教改课题2项，获得2013年山东省本科高校精品课程。

在三草酸合铁(III)酸钾K3[Fe(C2O4)3]·3H2O制备实验中，我们将学科发展的前沿知识和科研成果引入实验教学中，增设了产品结构表征和性能应用部分，更新、丰富了实验内容，把传统的制备实验改造成为一个新的综合性、创新性开放实验。

1 实验中存在的问题及解决方案

三草酸合铁(III)酸钾制备实验是一个典型的无机化学综合实验，该实验涉及到许多基本操作和无机化学基本原理，是培养学生观察问题、分析问题、解决问题能力的有利手段，因而备受高校教师的广泛关注[1-9]。目前，大多数文献资料仅限于对三草酸合铁(III)酸钾制备过程中的实验条件的优化、处理过程、组分分析等内容展开讨论。我们在选定三草酸合铁(III)酸钾制备实验作为开放实验后，首先要求学生进行大量的文献查询，提出问题，经小组讨论、汇总，确定具体的实验方案。其中具有代表性的质疑是：

较早的文献报道，以三氯化铁为原料，在一定条件下与草酸钾直接反应制备三草酸合铁(III)酸钾[6]。纪永升等在《大学化学》发表文章认为，以三氯化铁或硫酸铁为原料来制备三草酸合铁(III)酸钾，尽管该实验方法简单、效果较好，但在实验过程中有丙酮等物质的洗涤过程，易对环境造成污染，因此采用以Fe2+盐为原料，通过一系列过程制备三草酸合铁(III)酸钾[8]。

至今，许多无机化学实验教材也是采用Fe2+盐为原料来制备三草酸合铁(III)酸钾。由于该实验操作步骤较复杂，一旦实验条件控制不好，会存在三草酸合铁(III)酸钾产品在纯度、颜色、晶体颗粒大小方面的问题；同时也存在用丙酮洗涤晶体的问题[10-11]。

针对这些问题，我们师生共同商榷，通过采取相应措施，进一步改进、完善实验内容。首先，洗涤制备的三草酸合铁(III)酸钾产品时，用乙醇代替丙酮，避免了环境污染问题；其次，分别以Fe2+、Fe3+盐为原料制备三草酸合铁(III)酸钾晶体[6，10-12]，采用X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(IR)、热重和差热分析手段(TG-DSC)对产品的物相、纯度、微观形貌、结构性质进行表征，依据实验数据、测试结论获得答案。

第一种制备方法，以硫酸亚铁铵为原料制备的三草酸合铁(III)酸钾晶体为黄绿色，标记为a；第二种制备方法，以三氯化铁为原料制备的三草酸合铁(III)酸钾晶体为翠绿色，标记为b。

1.1 产品的X射线衍射谱图分析

图1是采用两种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾产品的XRD谱图，可知，两个产品的XRD衍射峰与标准粉末衍射卡片(PDF# 14-0720)的峰位全部吻合，表明两种产物均为三草酸合铁(III)酸钾晶体，且在XRD衍射图中未观察到其他杂质峰，说明产物纯度高，晶型发育完好。

图1 两种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾的XRD谱图

文献中报道，采用不同方法制备的三草酸合铁(III)酸钾会呈现翠绿色或黄绿色，可能与产物中含杂质有关。我们通过产品的XRD证实，两种制备方法得到的产物均为三草酸合铁(III)酸钾纯品，颜色不同仅与晶体的析出过程及颗粒大小有关。

1.2 产品的微观形貌

图2(a)、(b)分别是采用两种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾产物的SEM照片。由图2(a)可知，采用第一种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾晶体呈棒状，长约50 μm，且可观察到棱形结构，这与三草酸合铁(III)酸钾晶体所属单斜晶系相吻合[11-12]。由图2(b)可观察到，采用第二种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾晶体呈大块状，长、宽均在100 μm左右，晶体表面伴有裂纹，这主要归因于析出的三草酸合铁(III)酸钾晶体再次重结晶所致。

1.3 产品的红外光谱分析

图3是采用二种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾晶体的红外光谱谱图。三草酸合铁(III)酸钾在3 437 cm-1存在O-H伸缩振动峰，指派为结晶水。在1 716、1 683、1 644 cm-1吸收峰归属为羰基C=O伸缩振动峰，在1 391、1 274、1 256、891 cm-1吸收峰对应于C—O伸缩振动和—O—C=O弯曲振动峰，在805、732 cm-1归属于—O—C=O弯曲振动及Fe—O伸缩振动峰，在530 cm-1指派为C—C伸缩振动峰，在531、501 cm-1对应于Fe—O伸缩振动峰和环变形及—O—C=O弯曲振动峰[5-7]。经过鉴定，两个产物的红外谱图与三水合三草酸合铁(III)酸钾标准物谱带基本一致，表明两个产品中没有其他杂质存在。

1.4 产品的热重差热分析

为了考察三草酸合铁(III)酸钾晶体的热稳定性，测试了产物从室温～800 ℃空气气氛中的热稳定曲线。图4是采用第二种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾的热重和差热曲线。由TG热重曲线可以观察到，在室温～800 ℃热分解过程中有4个明显的失重峰，表明产物的热分解是分布进行。在100 ℃附近的失重是产物K3[Fe(C2O4)3]·3H2O失去3个结晶水引起的，表现在60 ℃、100 ℃附近有2个DSC吸热峰；在285～440 ℃温度区间的3个连续失重主要对应于草酸根的热分解，其中285、317、352 ℃对应的差热DSC为放热峰，是由草酸根分解产生的CO与空气中的O2化合所致，而在392 ℃附近出现了一个吸热峰。这一现象与文献报道在氮气中进行热分解的结论有所不同[5, 13]；在～580 ℃的失重是K3[Fe(C2O4)3]完全分解为FeO和K2CO3所引起，随后热重曲线趋于水平。

图2 两种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾的SEM照片

图3 两种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾的红外谱图

图4 第二种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾在空气

中的热重差热曲线图

对比相关文献可知，三草酸合铁(III)酸钾分别在空气气氛、氮气气氛中进行热分解反应时，在一定的温度区间发生了不同的化学反应，形成DSC吸热峰或放热峰，也由于分解速度等原因造成峰位和强度的差异。另外，由图谱可知，二种方法制备的三草酸合铁(III)酸钾产物的热重和差热曲线非常相似(略去采用第一种方法制备的产品的热重差热曲线图)，说明两个产品的热稳定性质没有差别。

2 回收的三草酸合铁(III)酸钾的性质

三草酸合铁(III)酸钾具有光敏性，可用于摄影业、电镀业，同时，也是制备负载型活性铁催化剂的主要原料和一些有机反应的催化剂。此外，草酸根作为一种桥基可与不同种类、不同数目的过渡金属离子结合，形成双核、多核、异多核等配合物，这些过渡金属配合物在生命和材料科学领域占有重要地位[14]。因此我们探讨了三草酸合铁(III)酸钾与过渡金属离子(Cu、Ni、Co、Cd等)及端基配体(联吡啶、邻菲咯啉等)反应，合成草酸根桥联的异多核配合物的实验，具体实验方法参见文献[15]。实验内容大致分为两部分：① 合成配合物的饱和溶液在室温下静置一段时间，析出的单晶在X射线单晶衍射仪上进行单晶结构分析，获取晶体所属晶系及晶胞参数、键长键角等结构信息。② 利用元素分析仪对制备的异多核配合物晶体粉末进行元素分析；利用红外光谱判断草酸根的配位方式(螯合配位还是双齿桥联配位)；利用电子光谱分析配合物在可见光区和紫外区的电子跃迁情况；最后，采用抑菌圈法测试异多核配合物对常见几种细菌的抗菌活性。

3 结 语

改进的三草酸合铁(III)酸钾制备实验，完全具备了一个开放实验应该具备的特性。其优点有：① 制备过程中，以乙醇代替丙酮洗涤晶体，避免了环境污染问题，完善了现有无机化学实验教材中的不足，加强了学生的环保意识；② 分别以Fe2+、Fe3+盐为原料制备三草酸合铁(III)酸钾晶体，通过两种制备方法的对比，澄清了文献资料中长期困扰大家的问题；③ 将学科前沿知识和大型精密仪器的使用融入到本科生实验教学中，激发了学生的浓厚兴趣和积极参与科研训练的热情，培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，同时也提高了学校大型精密仪器的使用率[16]；④ 巧妙地引入桥联多核配合物的制备及其性能研究部分，更新拓展了实验内容，进一步提升学生的科研和创新思维能力，达到培养化学创新人才的目的。

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The Implementation of Open Experiment for Cultivating the Comprehensive and Innovative Ability of the Students

JINGZhi-hong,SUNMin,LINGBao-ping,WANGTing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Qufu Normal University, Qufu 273165, China)

The preparation experiment of potassium trisoxalatoferrate (III) trihydrate is a typical inorganic chemistry compositive experiment. It includes a lot of basic operations and inorganic chemistry theory. but some questions still exist in current teaching material. By advanced experimental testing technology, renewing and developing content of the experiment, we improved it by changing it into a comprehensive open experiment. We remedy the deficiency of current teaching material as well as managing subject forward knowledge to undergraduate experiment teaching. It inspires the denseness interest and scientific research passion, exploit the thought, and enhance the scientific research ability and innovative ability for our students.

potassium trisoxalatoferrate (III) trihydrate; inorganic chemistry experiment; open experiment; teaching reform

2015-03-26

国家自然科学基金项目(21271115)；曲阜师范大学实验室开放基金重点项目 (2013SK004)

景志红(1965-)，女，安徽来安人，博士，教授，主要从事无机化学教学研究和纳米材料制备和性质研究。

Tel.：13583725568; E-mail: zhhjing@126.com

O 6-3

A

1006-7167(2016)02-0152-03