Cu(OH)2和NH3·H2O反应生成[Cu(NH3)4]2+是大家所熟知的反应。有人断言:这个反应很容易进行。事实究竟如何?笔者在高二年级学完第四章“几种重要的金属”之后在课堂上引导学生进行了该探究活动。
[实验1]取2支试管分别放入2mL饱和CuSO4溶液,然后分别滴加NaOH和NH3·H2O,观察现象。再向上述2支试管中滴入适量的NH3·H2O,观察现象。实验事实证明:CuSO4溶液分别和NaOH溶液、NH3·H2O反应,都生成蓝色沉淀。但再往2种含有Cu(OH)2沉淀的溶液中加适量NH3·H2O,发现用NH3·H2O作沉淀剂得到的Cu(OH)2很容易和NH3·H2O反应得到澄清的深蓝色溶液;而用NaOH作沉淀剂生成的Cu(OH)2,不易和NH3·H2O反应,即使是用了前者5～6倍NH3·H2O,仍不能得到澄清的溶液。
提出假说:为什么会出现上述现象呢?仔细研究反应式发现,用NaOH、NH3·H2O作沉淀剂生成Cu(OH)2沉淀的同时溶液中残留了Na+、NH4+及SO42-,而在Cu(OH)2和NH3·H2O生成[Cu(NH3)4]2+时又释出OH-。会否是刚释出的OH-和原先在溶液中的NH4+结合成弱电解质,NH3·H2O促进平衡移动呢(Na+和OH-间不可能发生结合)?为了验证上述假说是否符合事实,特进行以下实验。
[实验2]既然是NH4+和OH-结合成弱电解质,那么往那份不澄清的溶液(即用NaOH作沉淀剂的那份)中加NH4+,就有可能因为生成弱电解质导致平衡移动,使溶液变得澄清。为此,把不澄清液分盛于4支试管,向其中3支试管里依次加少量浓NH4Cl溶液、NH4NO3溶液、(NH4)2SO4溶液,另一支试管则留作比较。
实验现象是:3支试管中的溶液都变得澄清了,表明确实是NH4+起了作用。从化学平衡移动规则考察此实验,只要有NH4+和OH-就会结合成NH3·H2O,而不必考虑NH4+是原先就存在于溶液中的还是外加的。
有同学可能会问:在加NH4+盐时,其阴离子是否也在起作用呢?根据上述3个加铵盐的实验,对此问题可提出2种看法:①阴离子在反应中均未起明显的作用;②阴离子均起了作用,并且Cl-、NO3-、SO42-所起的作用相近(否则,无法说明加少量浓铵盐液时,得到同样的结果)。由于原先溶液中就有SO42-(由CuSO4液带入),如果SO42-起着明显的作用,为什么在未加铵盐时,其效应发挥不出来呢?而在加(NH4)2SO4后,实验现象却又为什么和加浓NH4Cl、NH4NO3时相同呢?这就从问题的另一面说明了在上述反应中3种阴离子均未起明显作用。为了验证后一个结论,可往不澄清溶液中(第4支试管)加其他浓铵盐液,如CH3COONH4,也很容易观察到澄清的深蓝色溶液。既然是NH4+在起作用,那么如果降低CuSO4溶液和NH3·H2O反应体系中NH4+的含量[用水洗涤Cu(OH)2沉淀即达目的]后,再滴加NH3·H2O,其现象应该是不容易得到澄清液。
[实验3]在盛有CuSO4溶液的试管中滴加适量NH3·H2O制得Cu(OH)2沉淀,用离心机分离,并用蒸馏水洗涤沉淀3～4次[此举即使不能洗净NH4+,但可使Cu(OH)2中NH4+量明显下降是确定无疑的],而后往沉淀上加NH3·H2O,观察现象。然后在上述溶液中再加入铵盐,观察现象。
我们观察到沉淀不溶解,不能得到澄清溶液。此时,若再加入适量铵盐,得到了澄清溶液。由实验2和3的现象可确知,有无足量NH4+将对Cu(OH)2和NH3·H2O间反应起“决定性”作用(顺便提及:无机合成中制备氨络离子常需加适量铵盐,应该说和这个因素有关)。
由这个实验可以得到下述启示:
(1)如果在反应过程中生成弱电解质,那么它将对平衡移动发生明显的作用。“生成弱电解质”包括:一开始就生成弱电解质的反应,如HCl和Na2CO3生成H2CO3;也包括在反应过程中生成弱电解质的实例(如上述实验)。2者的区别仅仅是后者不那么一目了然而已。
(2)从平衡移动和浓度的关系看,生成弱电解质实质上是OH-或H+浓度下降的过程(如上述NH4++OH-==NH3·H2O,H++CH3COO-==CH3COOH)。那么,这种浓度下降和一般实验中浓度的改变又有什么区别呢?一般实验中浓度改变的幅度有限,如比原先浓度增大10倍或降为原先浓度的1/10,很难遇到和原先浓度相差102或10-2以上的情况。而生成弱电解质可能使相应离子浓度降低的幅度超过1～2个数量级,因此后者对平衡的影响更大。
综上所述,实验探究模式是将直观教学和探究学习相结合,通过学生进行实验探究,自行发现获取新知识的一种实验教学范式。根据科学研究的一般过程和本实验的特点,实验探究教学模式的教学程序可概括如图1。
所谓“问题”,根据现代认知心理学的观点,一般解释为不能即时到达的目标。美国创造心理学吉尔福特说:每当你碰到不进一步作心理上的努力就不能有效地应付的情况时,你就遇到了问题。当你需要组织新的信息项目,或以新的方式运用已知的信息项目以解决问题时,你就碰到了问题。问题在科学探究中具有极为重要的意义,它是科学探究的出发点和动力。科学探究需要通过观察实验,获取关于自然的各种信息,然后加以理性的加工,发现规律性的东西。
实验事实,既包括学生直接从实验中获得的直接经验,还包括无法从实验中获得而只能从书本上获得的间接经验。
假说是指根据已知的实验事实和科学理论,对未知的现象及其规律所做的一种推理和解释。假说的形成一般要经过提出假说和验证假说2个阶段。假说的验证包括实验验证和理论检验。其中实验验证是最直接、最可靠和最有力的方式。
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