无机化合物的定性分析——第54 届国际化学奥林匹克实验试题解析

李婉，刘牧，李一峻，朱平平,＊

1 中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥 230026

2 南开大学化学学院，天津 300071

2022年7月10日至18日，由我国南开大学承办的第54届国际化学奥林匹克在线上举办，吸引了来自全球84个国家和地区的选手参加。除了理论考试外，大赛组委会还精心准备了一道线上实验试题，打破各国时间和地域的限制，以“彩蛋”形式让选手体验实验的乐趣，实现理论与实验的密切结合。共有33名选手因解答实验试题获得大赛“金丝猴奖”(Golden Monkey Award)。

1 试题背景

元素化学是化学及化学相关专业大一学生重要的核心基础课，教学效果对学生科学观的形成、科学研究兴趣的激发以及科学研究能力的培养有很大的影响[1]。如何利用各元素不同的化学性质，通过观察实验现象、分析反应机理，进而推测出样品或产物中可能的化合物组成，这是无机化学实验的教学目标，也是化学专业学生必备的定性分析能力。

2022年5月第54届国际化学奥林匹克官网上发布的预备试题中，实验类别里有两道无机定性分析试题，分别是第8题“Reaction Types and Chemical Logic”和第9题“Properties and Identification of Heavy Metal Ions”[2]。这两个虚拟实验试题通过巧妙地构建化学反应矩阵，提供了15个金属阳离子与常见的酸、碱、卤素等化学试剂之间的上百个化学反应视频，涉及沉淀、配位、氧化还原等多种化学反应类型[3,4]。学生可以轻松地对各离子的化学反应性质进行观察比较和归纳总结，熟悉各离子的反应特征，建立起反应现象和组成之间的逻辑关系；之后在试题的Quiz部分，学生可以了解并掌握无机定性分析的步骤及解题思路。

正式比赛的实验试题“Qualitative Analysis of Inorganic Compounds”以两道实验预备题为基础，做了扩展设计，考试形式与两道预备题保持一致。如果参赛选手认真做了预备题，可以很顺利地鉴别出正式试题中的各未知离子。

2 题目与解析

2.1 实验题目

实验试题通过大赛组委会的专用邮箱发送给各国选手。 点击试题网址：https://prj16.xnfz.cmet.ustc.edu.cn/6matrix，页面出现一个6 × 6的未知化合物反应矩阵(图1)，其中字母A-L代表12个未知化合物。点击横栏或竖栏上的字母，观察该未知化合物的溶液状态；点击矩阵中的试管图标，观察向竖栏未知溶液(0.2 mol·L-1)中加入横栏未知溶液(0.2 mol·L-1)时发生的化学反应现象。

图1 未知化合物反应矩阵

点击页面上的“Problem”，阅读试题说明。其中竖栏A-F为6种不同金属离子化合物，选自如下试剂：

1 2 3 4 5 AgNO3 BaCl2 Cd(NO3)2 FeCl3 FeSO4 6 7 8 9 10 Hg(NO3)2 MnCl2 Ni(NO3)2 Pb(NO3)2 Zn(NO3)2

横栏G-L为6种常见化学试剂，溶液均为无色透明，选自如下试剂：

11 12 13 14 NaCl NaBr Na2CO3 Na2SO4 15 16 17 18 NaOH Na2S K2C2O4 NH3·H2O

选手通过观察溶液状态及相互反应现象，鉴别出各未知化合物，在答题纸上写出化合物名称，以及鉴定该未知物时用到的特征反应方程式。

2.2 答案解析

元素的化学性质各异，尤其是很多具有外层d、f轨道的金属元素，可发生配位和氧化还原等多重反应，化学性质复杂，反应现象多变，需要选手灵活运用所掌握的元素化学知识，通盘考虑，进行分析判断。

观察未知物矩阵中的未知化合物，除了E化合物为淡绿色溶液(图2a)，剩下的化合物均为无色透明溶液(图2b)；而相互之间的化学反应大部分形成了白色沉淀(图2c)。

图2 试题图片和视频举例

仔细观察矩阵中的化学反应，会发现当加入化学试剂I时，生成的沉淀有时会随着试剂I的继续滴加而逐渐溶解，这是比较典型的沉淀平衡向配位平衡转化的现象。而横栏试剂中，最容易与金属离子形成配合物的试剂就是NH3·H2O，据此可以初步推断出I为NH3·H2O。

I与F生成浅棕色沉淀(图2d)，之后沉淀逐渐溶解(图2e)，与AgNO3和NH3·H2O反应先形成棕色Ag2O沉淀，在NH3·H2O滴加过量时形成[Ag(NH3)2]+的现象相吻合，据此可以判断F为AgNO3。而I与A反应生成白色沉淀，之后沉淀逐渐溶解，比较题目中给出的1-10化合物，只有Zn(NO3)2会与NH3·H2O反应先形成Zn(OH)2白色沉淀，然后溶解为[Zn(NH3)4]2+，据此可以断定A为Zn(NO3)2。

各未知化合物中，只有E为淡绿色溶液(图2a)，我们知道Fe2+和Ni2+都能形成淡绿色溶液，但Ni2+与NH3·H2O形成的绿色沉淀会随着NH3·H2O的滴加转化成更稳定的蓝色[Ni(NH3)6]2+配合物，而I与E形成的沉淀并不溶解，故E为FeSO4。进而从G与FeSO4反应产生大量黄色沉淀(图2f)，可以判断出G为K2C2O4。

通过试剂L与AgNO3反应产生褐色沉淀，可以判断L为NaOH。而NaOH与化合物C反应，生成白色沉淀，很快变成棕黄色，可判断C为Mn2+，白色的Mn(OH)2被氧化形成棕色的MnO(OH)2。

观察AgNO3溶液的其他反应，没有产生黑色沉淀的现象，可以判断未知试剂中不含S2-，因此从试剂J与Zn(NO3)2反应生成白色沉淀，可以判断出J为Na2CO3(NaOH与K2C2O4均已被确定)。

此时还剩下H和K两种化学试剂没有被鉴别出来，观察H和K与AgNO3的反应，发现均生成了白色沉淀，因此可以排除Br-，也就是说，H和K应该分别是Cl-和中的一个。

而此时剩下的金属化合物还有B和D两个，从题干中知道可能是BaCl2，Cd(NO3)2，FeCl3，Hg(NO3)2和Pb(NO3)2。由于B和D均为无色透明溶液，可以排除FeCl3。与NaOH反应没有亮黄色沉淀生成，从而排除Hg(NO3)2。而Cd(NO3)2与Cl-和都不产生沉淀，因此排除Cd(NO3)2。剩余两个化合物中，能够与Cl-和都产生白色沉淀的是Pb2+(图2c)，所以判断出B是Pb(NO3)2，则D为BaCl2。与BaCl2溶液产生白色沉淀的试剂K为，不产生沉淀的试剂H为Cl-。

根据以上解析，参考答案如下：

3 结语

本试题有一定的难度，需要学生充分掌握各元素的化学性质，仔细观察、比较，并运用排除法来协助鉴别，试题对学生的观察、分析和解决问题的能力都是很好的锻炼。

中国科学技术大学化学实验教学中心自2015年起借助信息化技术，建设多个元素虚拟实验项目[5,6]，让学生得以透过大量的实验现象，熟悉不同离子的化学特征，总结核外电子排布对元素性质的影响，锻炼学生的观察能力和归纳总结能力；而未知物反应矩阵的鉴别，则训练了学生的化学逻辑思维能力和分析判断能力。元素虚拟实验的开设在实现课堂绿色化的同时，达到了让学生花更少时间、掌握更多知识、提高多种能力的目标，已用于多所兄弟院校的本科实验教学，以及高中奥赛培训、英才计划夏令营等活动，相关工作受邀在第6届、第14届全国大学化学化工课程报告论坛上做工作分享。