以离子鉴别设计实验为无机化学实验考试内容的改革探讨

刘亚楠 苏秀荣 张丽丽

山东农业大学化学与材料科学学院 山东泰安 271018

无机化学实验是化学实验中心为化学学院大学一年级新生开设的一门独立的必修基础实验课，化学作为一门实验性科学，对学生实验知识和技能的考核就成了了解学生学习水平的重要环节[1]。公平公正、科学合理的考试有利于激发学生学习的积极性，正确评价教学效果，提高教学质量，为教学研究提供依据[2]。为此，无机化学实验教学近年来一直在不断进行着改革，针对实验考试改革进行了积极的探索与尝试。

大一第二学期主要学习各种元素的性质，为了考核学生这个学期对知识掌握和实践能力，学期末安排了离子鉴定设计分离实验作为考试内容。共分为两部分，阳离子鉴别分离实验和阴离子鉴别分离实验，时间为2周，任课教师提前划定未知离子的范围，告知实验提供的仪器和试剂，让学生据此设计实验方案，完成实验要求。学期末实验操作考试占实验总成绩的30%，从而引起学生对考试的重视，激发学生的学习兴趣，促使学生主动查阅相关资料，加深学生对基础知识的深度掌握，培养学生实验设计能力、综合运用知识分析、解决问题的能力以及创新意识和创新能力[3]。

1 实验目的

(1)掌握阴离子的分析特性，学会阴离子未知液的分析和鉴定方法。熟悉常见阴离子的性质。了解检出常见阴离子的方法与反应条件。检出未知液离子。

(2)熟悉各阳离子的有关性质，如氧化还原性、氢氧化物的酸碱性、形成配合物的能力等。

(3)掌握常见阳离子分组的依据和条件以及互相分离和鉴定的方法。

(4)掌握沉淀完全的检查、沉淀的洗涤、沉淀与溶液的分离等基本操作。

2 实验原理

阴离子分析一般是利用阴离子的分析特性(离子及其主要化合物的外观、颜色、溶解度、酸碱性、氧化还原能力和配位能力等)进行初步试验，确定离子存在的可能范围，然后进行个别离子的检出。在水溶液中，非金属元素常以简单阴离子(如Cl-，S2-等)或者复杂阴离子(如CO32-，PO43-等)存在。此外，有些金属元素在高氧化态时也形成阴离子(如CrO42-，MnO4-等)，同种元素可以组成多种阴离子，例如这4种阴离子的组成元素相同，但它们的性质各不相同，所以在分析时不但要知道含什么元素，还要知道该元素的存在形式。

有些阴离子在碱性或中性溶液中可以共存，酸化后立即相互反应，如I-与NO2-，I-与CrO42-等，所以一方被证实后，就可以否定另一方的存在。充分利用阴离子的分析特性，先做初步实验，消除某些离子存在的可能性(常称为“消去法”)，估测待测离子的范围，就能大为简化分析手续，有针对性地对可能存在的阴离子进行鉴定。

阴离子分析中彼此干扰较少，大多数用分别分析(不经过系统分离，直接检出离子)的方法，只有遇干扰时，才进行局部分离[4]。

在进行阳离子分离鉴别时，首先对各种阳离子进行分离，根据其特点选择不同的试剂(如沉淀剂、氧化还原剂等)，然后再针对每组分离出的组分根据其分析特性进行分别分析。一系列离子的分离鉴定要经过很多次分离，只有当离子完全分离以后才能够利用特征反应确定其存在。

阳离子除Al3+，Zn2+外，都具有多种氧化态。伴随着氧化态的改变，颜色与其他性质发生变化。本组离子的许多分离、鉴定反应都与氧化态的变化有关。例如，用强氧化剂将几乎无色的Mn2+氧化为紫红色的MnO4-，可确证Mn2+的存在。又如，Cr3+的还原性，在酸性介质中极弱，而在碱性条件下大为增强，在碱性溶液中较轻易地使Cr(OH)4-氧化成CrO42-，便于分离和检出。

阳离子与适量碱作用皆生成氢氧化物，它们都难溶，高氧化态离子的氢氧化物的溶解度比低氧化态的小得多。它们都是无定形沉淀，易成胶体溶液，加热可促使它们凝聚而析出[5]。

阳离子形成配合物的倾向很大，此性质在鉴定上有很多应用，例如：利用F-与Fe3+形成的无色配离子FeF2+遮蔽Fe3+，消除用SCN-鉴定Co2+时Fe3+的困扰。利用茜素磺酸钠与Al3+形成亮红色螯合物鉴定Al3+。利用Al3+，Zn2+与NH3配合能力的差异可以分离Al(OH)4-和

3 实验仪器、药品和材料

仪器：抽滤装置、离心机、点滴板、试管、烧杯、酒精灯等常用仪器。

阴离子鉴别实验提供试剂：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(饱和溶液)，NaSO3(0.5 mol·L-1)，AgNO3(0.1 mol·L-1)，酸性品红试液，戊醇，pH试纸，未知阴离子溶液10 ml/人(离子浓度约0.1 mol·L-1)。

阳离子鉴别实验提供试剂：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(饱和溶液)，NH4F(1 mol·L-1)，KSCN(1 mol·L-1)，NaBiO3(s)，NH4Cl(饱和溶液)，HAc(2 mol·L-1)，Pb(Ac)2(0.5 mol·L-1)，NH4Ac(3 mol·L-1)，茜素磺酸钠溶液，镍试剂，戊醇，pH试纸，SnCl2(0.5 mol·L-1)，K4Fe(CN)6(0.1 mol·L-1)，未知阳离子溶液3 ml/人(离子浓度约0.1 mol·L-1)。

4 考试安排

实验考试共有8课时，阴离子和阳离子鉴别实验分别占4课时，实验考试时间安排在学习完必修课程之后，具体安排如下。

4.1 实验前准备

提前一周给学生介绍实验的意义和目的，告知学生离子范围及所提供的仪器、药剂和实验要求，例如阴离子未知液中可能含有用实验证明哪些离子肯定存在？哪些离子肯定不存在？要求画出操作过程示意图，在相应位置注明实验现象，写出有关方程式。阳离子未知液中可能有Ag+，Cu2+，Fe3+，Co2+，Ni2+，Al3+，Mn2+，Cr3+离子，设计实验，用提供的试剂，分离与检出学生所拥有的未知液中的离子。要求学生查找文献，设计好实验方案。实验前写好预习报告。

4.2 实验过程

每人随机抽取未知液试剂瓶，取用规定体积的未知液，按以下步骤进行定性分析。

(1)观察溶液的颜色并试其酸碱性，供推断离子存在的范围做参考。

(2)进行初步实验，根据实验结果，推测离子存在的可能范围。

(3)根据离子存在的可能范围，参照元素化学实验部分的有关内容，设计具体的分析方案进行分析。

(4)对实验结果进行分析，若最后结果与初步实验有矛盾时必须再作必要的重复实验[6]。

4.3 实验要求与评分标准

时间要求：实验及报告要求在3小时内完成。

设计与报告要求：实验结束后，将自己设计的实验方案与实验报告一并提交(用实验报告纸写，要有实验步骤与结论)。实验报告中，一定要注明自己实验所用未知液的编号。阳离子实验报告要求用树形图形式写实验设计与报告。

最终评分标准为阴离子实验共40分，多一个少一个，均扣3分，鉴定方法不合适，每离子扣2分。阳离子实验共60分，多一个少一个，均扣5分。鉴定方法不合适，每离子扣2分。超出规定时间酌情扣分。

5 教学讨论

未知离子试剂配制由5～7种不同的离子组合而成，配制时应考虑试剂的pH值，确定各离子在合适的pH值范围内以及各离子之间会不会发生反应，例如，阳离子如果选择Ag+的话，各配制试剂用的盐则应该选择硝酸盐。未知溶液共分4组，每组都是不同的离子组合，再分到32个不同的试剂瓶中，每个学生需鉴定的未知液都是不同编号的试剂，随机抽取，杜绝了互相之间询问、借鉴的可能性，考查了学生独立完成实验的能力，使考试结果更加公正公平。实验考试不像平时性质实验一样给出固定的试剂和用量，学生要自己查资料，设计合理的实验步骤，摸索实验条件和试剂用量。例如，学生需要综合参考H2S分析法和两酸两碱分析法，从中找出适合的方案来鉴定未知阳离子。教师可以通过学生设计的实验方案检查学生的设计思路是否清晰、实验方案是否合理。有利于深化和拓展学生的专业知识，培养学生创新的思维方法和实践能力，为将来的科研工作打下基础。试剂的用法用量都会对实验结果产生决定性影响，例如沉淀要洗干净、反应的条件与环境、试剂用量要适当、试管要干净、实验时试剂要逐滴加入、振荡、观察现象等。教师可以在实验过程中对学生适当提醒，有助于培养学生严谨的科学态度。

虽然实验考试成绩只占实验总成绩的30%，但是想得满分也不是很容易的事情，每个学生成绩之间易拉开差距。实验考试成绩同时兼顾了实验结果和实验过程，使最终的实验成绩能真实地反映每个学生的实验能力和实验学习质量。

6 实践效果

以往的实验考试大多侧重于对学生实验操作规范和使用仪器能力的检测，并不能检测出学生对化学知识掌握和综合运用知识解决问题的能力。因此，基于多年教学实践，在本实验考试设计中，打破以往考试模式，更新和优化了实验内容，增强了学生对化学实验的重视，激发学生对知识汲取的主动性和积极性，提高学生自学能力，增强学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，增强了对学生科学素质的培养[7]。试行几年来，均取得了满意的教学效果。教师对每个学生各元素性质及各种反应的了解和掌握水平以及对知识框架的系统构建情况有了更深刻的了解，及时发现教学上的薄弱环节，方便针对每个学生不同的情况制订下学期的教学计划，对不同学生进行针对性的辅导。学生也对自己的知识掌握和实验操作情况有了深刻的了解，方便将来在自己欠缺部分多加重视。本实验设计在对学生科学实验能力和科学素质的培养、提高大学化学实验课程的教学质量、实现人才培养目标方面都具有积极意义。