實(shí)施開放實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生綜合、創(chuàng)新能力

景志紅， 孫 敏， 凌寶萍， 王 停

(曲阜師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 山東 曲阜 273165)

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·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

實(shí)施開放實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生綜合、創(chuàng)新能力

景志紅， 孫 敏， 凌寶萍， 王 停

(曲阜師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 山東 曲阜 273165)

三草酸合鐵(III)酸鉀制備實(shí)驗(yàn)是一個(gè)典型的無機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及到許多基本操作和無機(jī)化學(xué)基本原理，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教材中也存在著一些問題和困惑。我們經(jīng)過共同的研究和探討，通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和更新拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將傳統(tǒng)的三草酸合鐵(III)酸鉀制備實(shí)驗(yàn)改造成為一個(gè)綜合性開放實(shí)驗(yàn)，既彌補(bǔ)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教材的不足，又將學(xué)科前沿知識(shí)運(yùn)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生的濃厚興趣和科研熱情，開拓了學(xué)生的思路，進(jìn)一步提升了學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維能力。

三草酸合鐵(III)酸鉀； 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 開放實(shí)驗(yàn)； 教學(xué)改革

0 引 言

自20世紀(jì)60年代初美國的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革首次提出“開放實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式以來，我國高校教師在各科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了嘗試，在培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力方面取得了較好的效果。近年來，曲阜師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也在開放實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中取得了一些成績，并以此為教學(xué)平臺(tái)，獲得曲阜師范大學(xué)校級(jí)教改課題2項(xiàng)，獲得2013年山東省本科高校精品課程。

在三草酸合鐵(III)酸鉀K3[Fe(C2O4)3]·3H2O制備實(shí)驗(yàn)中，我們將學(xué)科發(fā)展的前沿知識(shí)和科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增設(shè)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表征和性能應(yīng)用部分，更新、豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把傳統(tǒng)的制備實(shí)驗(yàn)改造成為一個(gè)新的綜合性、創(chuàng)新性開放實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)中存在的問題及解決方案

三草酸合鐵(III)酸鉀制備實(shí)驗(yàn)是一個(gè)典型的無機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)涉及到許多基本操作和無機(jī)化學(xué)基本原理，是培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題、解決問題能力的有利手段，因而備受高校教師的廣泛關(guān)注[1-9]。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)資料僅限于對(duì)三草酸合鐵(III)酸鉀制備過程中的實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化、處理過程、組分分析等內(nèi)容展開討論。我們?cè)谶x定三草酸合鐵(III)酸鉀制備實(shí)驗(yàn)作為開放實(shí)驗(yàn)后，首先要求學(xué)生進(jìn)行大量的文獻(xiàn)查詢，提出問題，經(jīng)小組討論、匯總，確定具體的實(shí)驗(yàn)方案。其中具有代表性的質(zhì)疑是：

較早的文獻(xiàn)報(bào)道，以三氯化鐵為原料，在一定條件下與草酸鉀直接反應(yīng)制備三草酸合鐵(III)酸鉀[6]。紀(jì)永升等在《大學(xué)化學(xué)》發(fā)表文章認(rèn)為，以三氯化鐵或硫酸鐵為原料來制備三草酸合鐵(III)酸鉀，盡管該實(shí)驗(yàn)方法簡單、效果較好，但在實(shí)驗(yàn)過程中有丙酮等物質(zhì)的洗滌過程，易對(duì)環(huán)境造成污染，因此采用以Fe2+鹽為原料，通過一系列過程制備三草酸合鐵(III)酸鉀[8]。

至今，許多無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材也是采用Fe2+鹽為原料來制備三草酸合鐵(III)酸鉀。由于該實(shí)驗(yàn)操作步驟較復(fù)雜，一旦實(shí)驗(yàn)條件控制不好，會(huì)存在三草酸合鐵(III)酸鉀產(chǎn)品在純度、顏色、晶體顆粒大小方面的問題；同時(shí)也存在用丙酮洗滌晶體的問題[10-11]。

針對(duì)這些問題，我們師生共同商榷，通過采取相應(yīng)措施，進(jìn)一步改進(jìn)、完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。首先，洗滌制備的三草酸合鐵(III)酸鉀產(chǎn)品時(shí)，用乙醇代替丙酮，避免了環(huán)境污染問題；其次，分別以Fe2+、Fe3+鹽為原料制備三草酸合鐵(III)酸鉀晶體[6，10-12]，采用X射線粉末衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜(IR)、熱重和差熱分析手段(TG-DSC)對(duì)產(chǎn)品的物相、純度、微觀形貌、結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行表征，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試結(jié)論獲得答案。

第一種制備方法，以硫酸亞鐵銨為原料制備的三草酸合鐵(III)酸鉀晶體為黃綠色，標(biāo)記為a；第二種制備方法，以三氯化鐵為原料制備的三草酸合鐵(III)酸鉀晶體為翠綠色，標(biāo)記為b。

1.1 產(chǎn)品的X射線衍射譜圖分析

圖1是采用兩種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀產(chǎn)品的XRD譜圖，可知，兩個(gè)產(chǎn)品的XRD衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(PDF# 14-0720)的峰位全部吻合，表明兩種產(chǎn)物均為三草酸合鐵(III)酸鉀晶體，且在XRD衍射圖中未觀察到其他雜質(zhì)峰，說明產(chǎn)物純度高，晶型發(fā)育完好。

圖1 兩種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀的XRD譜圖

文獻(xiàn)中報(bào)道，采用不同方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀會(huì)呈現(xiàn)翠綠色或黃綠色，可能與產(chǎn)物中含雜質(zhì)有關(guān)。我們通過產(chǎn)品的XRD證實(shí)，兩種制備方法得到的產(chǎn)物均為三草酸合鐵(III)酸鉀純品，顏色不同僅與晶體的析出過程及顆粒大小有關(guān)。

1.2 產(chǎn)品的微觀形貌

圖2(a)、(b)分別是采用兩種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀產(chǎn)物的SEM照片。由圖2(a)可知，采用第一種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀晶體呈棒狀，長約50 μm，且可觀察到棱形結(jié)構(gòu)，這與三草酸合鐵(III)酸鉀晶體所屬單斜晶系相吻合[11-12]。由圖2(b)可觀察到，采用第二種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀晶體呈大塊狀，長、寬均在100 μm左右，晶體表面伴有裂紋，這主要?dú)w因于析出的三草酸合鐵(III)酸鉀晶體再次重結(jié)晶所致。

1.3 產(chǎn)品的紅外光譜分析

圖3是采用二種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀晶體的紅外光譜譜圖。三草酸合鐵(III)酸鉀在3 437 cm-1存在O-H伸縮振動(dòng)峰，指派為結(jié)晶水。在1 716、1 683、1 644 cm-1吸收峰歸屬為羰基C=O伸縮振動(dòng)峰，在1 391、1 274、1 256、891 cm-1吸收峰對(duì)應(yīng)于C—O伸縮振動(dòng)和—O—C=O彎曲振動(dòng)峰，在805、732 cm-1歸屬于—O—C=O彎曲振動(dòng)及Fe—O伸縮振動(dòng)峰，在530 cm-1指派為C—C伸縮振動(dòng)峰，在531、501 cm-1對(duì)應(yīng)于Fe—O伸縮振動(dòng)峰和環(huán)變形及—O—C=O彎曲振動(dòng)峰[5-7]。經(jīng)過鑒定，兩個(gè)產(chǎn)物的紅外譜圖與三水合三草酸合鐵(III)酸鉀標(biāo)準(zhǔn)物譜帶基本一致，表明兩個(gè)產(chǎn)品中沒有其他雜質(zhì)存在。

1.4 產(chǎn)品的熱重差熱分析

為了考察三草酸合鐵(III)酸鉀晶體的熱穩(wěn)定性，測(cè)試了產(chǎn)物從室溫～800 ℃空氣氣氛中的熱穩(wěn)定曲線。圖4是采用第二種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀的熱重和差熱曲線。由TG熱重曲線可以觀察到，在室溫～800 ℃熱分解過程中有4個(gè)明顯的失重峰，表明產(chǎn)物的熱分解是分布進(jìn)行。在100 ℃附近的失重是產(chǎn)物K3[Fe(C2O4)3]·3H2O失去3個(gè)結(jié)晶水引起的，表現(xiàn)在60 ℃、100 ℃附近有2個(gè)DSC吸熱峰；在285～440 ℃溫度區(qū)間的3個(gè)連續(xù)失重主要對(duì)應(yīng)于草酸根的熱分解，其中285、317、352 ℃對(duì)應(yīng)的差熱DSC為放熱峰，是由草酸根分解產(chǎn)生的CO與空氣中的O2化合所致，而在392 ℃附近出現(xiàn)了一個(gè)吸熱峰。這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)報(bào)道在氮?dú)庵羞M(jìn)行熱分解的結(jié)論有所不同[5, 13]；在～580 ℃的失重是K3[Fe(C2O4)3]完全分解為FeO和K2CO3所引起，隨后熱重曲線趨于水平。

圖2 兩種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀的SEM照片

圖3 兩種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀的紅外譜圖

圖4 第二種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀在空氣

中的熱重差熱曲線圖

對(duì)比相關(guān)文獻(xiàn)可知，三草酸合鐵(III)酸鉀分別在空氣氣氛、氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱分解反應(yīng)時(shí)，在一定的溫度區(qū)間發(fā)生了不同的化學(xué)反應(yīng)，形成DSC吸熱峰或放熱峰，也由于分解速度等原因造成峰位和強(qiáng)度的差異。另外，由圖譜可知，二種方法制備的三草酸合鐵(III)酸鉀產(chǎn)物的熱重和差熱曲線非常相似(略去采用第一種方法制備的產(chǎn)品的熱重差熱曲線圖)，說明兩個(gè)產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性質(zhì)沒有差別。

2 回收的三草酸合鐵(III)酸鉀的性質(zhì)

三草酸合鐵(III)酸鉀具有光敏性，可用于攝影業(yè)、電鍍業(yè)，同時(shí)，也是制備負(fù)載型活性鐵催化劑的主要原料和一些有機(jī)反應(yīng)的催化劑。此外，草酸根作為一種橋基可與不同種類、不同數(shù)目的過渡金屬離子結(jié)合，形成雙核、多核、異多核等配合物，這些過渡金屬配合物在生命和材料科學(xué)領(lǐng)域占有重要地位[14]。因此我們探討了三草酸合鐵(III)酸鉀與過渡金屬離子(Cu、Ni、Co、Cd等)及端基配體(聯(lián)吡啶、鄰菲咯啉等)反應(yīng)，合成草酸根橋聯(lián)的異多核配合物的實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法參見文獻(xiàn)[15]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大致分為兩部分：① 合成配合物的飽和溶液在室溫下靜置一段時(shí)間，析出的單晶在X射線單晶衍射儀上進(jìn)行單晶結(jié)構(gòu)分析，獲取晶體所屬晶系及晶胞參數(shù)、鍵長鍵角等結(jié)構(gòu)信息。② 利用元素分析儀對(duì)制備的異多核配合物晶體粉末進(jìn)行元素分析；利用紅外光譜判斷草酸根的配位方式(螯合配位還是雙齒橋聯(lián)配位)；利用電子光譜分析配合物在可見光區(qū)和紫外區(qū)的電子躍遷情況；最后，采用抑菌圈法測(cè)試異多核配合物對(duì)常見幾種細(xì)菌的抗菌活性。

3 結(jié) 語

改進(jìn)的三草酸合鐵(III)酸鉀制備實(shí)驗(yàn)，完全具備了一個(gè)開放實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具備的特性。其優(yōu)點(diǎn)有：① 制備過程中，以乙醇代替丙酮洗滌晶體，避免了環(huán)境污染問題，完善了現(xiàn)有無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中的不足，加強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)；② 分別以Fe2+、Fe3+鹽為原料制備三草酸合鐵(III)酸鉀晶體，通過兩種制備方法的對(duì)比，澄清了文獻(xiàn)資料中長期困擾大家的問題；③ 將學(xué)科前沿知識(shí)和大型精密儀器的使用融入到本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生的濃厚興趣和積極參與科研訓(xùn)練的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，同時(shí)也提高了學(xué)校大型精密儀器的使用率[16]；④ 巧妙地引入橋聯(lián)多核配合物的制備及其性能研究部分，更新拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步提升學(xué)生的科研和創(chuàng)新思維能力，達(dá)到培養(yǎng)化學(xué)創(chuàng)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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21271115)；曲阜師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (2013SK004)

景志紅(1965-)，女，安徽來安人，博士，教授，主要從事無機(jī)化學(xué)教學(xué)研究和納米材料制備和性質(zhì)研究。

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

O 6-3

A

1006-7167(2016)02-0152-03