李婉，劉牧，李一峻，朱平平,＊

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

2022年7月10日至18日，由我國(guó)南開(kāi)大學(xué)承辦的第54屆國(guó)際化學(xué)奧林匹克在線上舉辦，吸引了來(lái)自全球84個(gè)國(guó)家和地區(qū)的選手參加。除了理論考試外，大賽組委會(huì)還精心準(zhǔn)備了一道線上實(shí)驗(yàn)試題，打破各國(guó)時(shí)間和地域的限制，以“彩蛋”形式讓選手體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的密切結(jié)合。共有33名選手因解答實(shí)驗(yàn)試題獲得大賽“金絲猴獎(jiǎng)”(Golden Monkey Award)。

1 試題背景

元素化學(xué)是化學(xué)及化學(xué)相關(guān)專業(yè)大一學(xué)生重要的核心基礎(chǔ)課，教學(xué)效果對(duì)學(xué)生科學(xué)觀的形成、科學(xué)研究興趣的激發(fā)以及科學(xué)研究能力的培養(yǎng)有很大的影響[1]。如何利用各元素不同的化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而推測(cè)出樣品或產(chǎn)物中可能的化合物組成，這是無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，也是化學(xué)專業(yè)學(xué)生必備的定性分析能力。

2022年5月第54屆國(guó)際化學(xué)奧林匹克官網(wǎng)上發(fā)布的預(yù)備試題中，實(shí)驗(yàn)類別里有兩道無(wú)機(jī)定性分析試題，分別是第8題“Reaction Types and Chemical Logic”和第9題“Properties and Identification of Heavy Metal Ions”[2]。這兩個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)試題通過(guò)巧妙地構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)矩陣，提供了15個(gè)金屬陽(yáng)離子與常見(jiàn)的酸、堿、鹵素等化學(xué)試劑之間的上百個(gè)化學(xué)反應(yīng)視頻，涉及沉淀、配位、氧化還原等多種化學(xué)反應(yīng)類型[3,4]。學(xué)生可以輕松地對(duì)各離子的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行觀察比較和歸納總結(jié)，熟悉各離子的反應(yīng)特征，建立起反應(yīng)現(xiàn)象和組成之間的邏輯關(guān)系；之后在試題的Quiz部分，學(xué)生可以了解并掌握無(wú)機(jī)定性分析的步驟及解題思路。

正式比賽的實(shí)驗(yàn)試題“Qualitative Analysis of Inorganic Compounds”以兩道實(shí)驗(yàn)預(yù)備題為基礎(chǔ)，做了擴(kuò)展設(shè)計(jì)，考試形式與兩道預(yù)備題保持一致。如果參賽選手認(rèn)真做了預(yù)備題，可以很順利地鑒別出正式試題中的各未知離子。

2 題目與解析

2.1 實(shí)驗(yàn)題目

實(shí)驗(yàn)試題通過(guò)大賽組委會(huì)的專用郵箱發(fā)送給各國(guó)選手。 點(diǎn)擊試題網(wǎng)址：https://prj16.xnfz.cmet.ustc.edu.cn/6matrix，頁(yè)面出現(xiàn)一個(gè)6 × 6的未知化合物反應(yīng)矩陣(圖1)，其中字母A-L代表12個(gè)未知化合物。點(diǎn)擊橫欄或豎欄上的字母，觀察該未知化合物的溶液狀態(tài)；點(diǎn)擊矩陣中的試管圖標(biāo)，觀察向豎欄未知溶液(0.2 mol·L-1)中加入橫欄未知溶液(0.2 mol·L-1)時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。

圖1 未知化合物反應(yīng)矩陣

點(diǎn)擊頁(yè)面上的“Problem”，閱讀試題說(shuō)明。其中豎欄A-F為6種不同金屬離子化合物，選自如下試劑：

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

橫欄G-L為6種常見(jiàn)化學(xué)試劑，溶液均為無(wú)色透明，選自如下試劑：

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

選手通過(guò)觀察溶液狀態(tài)及相互反應(yīng)現(xiàn)象，鑒別出各未知化合物，在答題紙上寫(xiě)出化合物名稱，以及鑒定該未知物時(shí)用到的特征反應(yīng)方程式。

2.2 答案解析

元素的化學(xué)性質(zhì)各異，尤其是很多具有外層d、f軌道的金屬元素，可發(fā)生配位和氧化還原等多重反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，反應(yīng)現(xiàn)象多變，需要選手靈活運(yùn)用所掌握的元素化學(xué)知識(shí)，通盤(pán)考慮，進(jìn)行分析判斷。

觀察未知物矩陣中的未知化合物，除了E化合物為淡綠色溶液(圖2a)，剩下的化合物均為無(wú)色透明溶液(圖2b)；而相互之間的化學(xué)反應(yīng)大部分形成了白色沉淀(圖2c)。

圖2 試題圖片和視頻舉例

仔細(xì)觀察矩陣中的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入化學(xué)試劑I時(shí)，生成的沉淀有時(shí)會(huì)隨著試劑I的繼續(xù)滴加而逐漸溶解，這是比較典型的沉淀平衡向配位平衡轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。而橫欄試劑中，最容易與金屬離子形成配合物的試劑就是NH3·H2O，據(jù)此可以初步推斷出I為NH3·H2O。

I與F生成淺棕色沉淀(圖2d)，之后沉淀逐漸溶解(圖2e)，與AgNO3和NH3·H2O反應(yīng)先形成棕色Ag2O沉淀，在NH3·H2O滴加過(guò)量時(shí)形成[Ag(NH3)2]+的現(xiàn)象相吻合，據(jù)此可以判斷F為AgNO3。而I與A反應(yīng)生成白色沉淀，之后沉淀逐漸溶解，比較題目中給出的1-10化合物，只有Zn(NO3)2會(huì)與NH3·H2O反應(yīng)先形成Zn(OH)2白色沉淀，然后溶解為[Zn(NH3)4]2+，據(jù)此可以斷定A為Zn(NO3)2。

各未知化合物中，只有E為淡綠色溶液(圖2a)，我們知道Fe2+和Ni2+都能形成淡綠色溶液，但Ni2+與NH3·H2O形成的綠色沉淀會(huì)隨著NH3·H2O的滴加轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的藍(lán)色[Ni(NH3)6]2+配合物，而I與E形成的沉淀并不溶解，故E為FeSO4。進(jìn)而從G與FeSO4反應(yīng)產(chǎn)生大量黃色沉淀(圖2f)，可以判斷出G為K2C2O4。

通過(guò)試劑L與AgNO3反應(yīng)產(chǎn)生褐色沉淀，可以判斷L為NaOH。而NaOH與化合物C反應(yīng)，生成白色沉淀，很快變成棕黃色，可判斷C為Mn2+，白色的Mn(OH)2被氧化形成棕色的MnO(OH)2。

觀察AgNO3溶液的其他反應(yīng)，沒(méi)有產(chǎn)生黑色沉淀的現(xiàn)象，可以判斷未知試劑中不含S2-，因此從試劑J與Zn(NO3)2反應(yīng)生成白色沉淀，可以判斷出J為Na2CO3(NaOH與K2C2O4均已被確定)。

此時(shí)還剩下H和K兩種化學(xué)試劑沒(méi)有被鑒別出來(lái)，觀察H和K與AgNO3的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)均生成了白色沉淀，因此可以排除Br-，也就是說(shuō)，H和K應(yīng)該分別是Cl-和中的一個(gè)。

而此時(shí)剩下的金屬化合物還有B和D兩個(gè)，從題干中知道可能是BaCl2，Cd(NO3)2，F(xiàn)eCl3，Hg(NO3)2和Pb(NO3)2。由于B和D均為無(wú)色透明溶液，可以排除FeCl3。與NaOH反應(yīng)沒(méi)有亮黃色沉淀生成，從而排除Hg(NO3)2。而Cd(NO3)2與Cl-和都不產(chǎn)生沉淀，因此排除Cd(NO3)2。剩余兩個(gè)化合物中，能夠與Cl-和都產(chǎn)生白色沉淀的是Pb2+(圖2c)，所以判斷出B是Pb(NO3)2，則D為BaCl2。與BaCl2溶液產(chǎn)生白色沉淀的試劑K為，不產(chǎn)生沉淀的試劑H為Cl-。

根據(jù)以上解析，參考答案如下：

3 結(jié)語(yǔ)

本試題有一定的難度，需要學(xué)生充分掌握各元素的化學(xué)性質(zhì)，仔細(xì)觀察、比較，并運(yùn)用排除法來(lái)協(xié)助鑒別，試題對(duì)學(xué)生的觀察、分析和解決問(wèn)題的能力都是很好的鍛煉。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自2015年起借助信息化技術(shù)，建設(shè)多個(gè)元素虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5,6]，讓學(xué)生得以透過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，熟悉不同離子的化學(xué)特征，總結(jié)核外電子排布對(duì)元素性質(zhì)的影響，鍛煉學(xué)生的觀察能力和歸納總結(jié)能力；而未知物反應(yīng)矩陣的鑒別，則訓(xùn)練了學(xué)生的化學(xué)邏輯思維能力和分析判斷能力。元素虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)在實(shí)現(xiàn)課堂綠色化的同時(shí)，達(dá)到了讓學(xué)生花更少時(shí)間、掌握更多知識(shí)、提高多種能力的目標(biāo)，已用于多所兄弟院校的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以及高中奧賽培訓(xùn)、英才計(jì)劃夏令營(yíng)等活動(dòng)，相關(guān)工作受邀在第6屆、第14屆全國(guó)大學(xué)化學(xué)化工課程報(bào)告論壇上做工作分享。