氯化鈷溶液變色實驗的定量控制及相關趣味實驗介紹

文章編號：1005－6629(2008)10－0005－03中圖分類號：G637.8文獻標識碼：C

全國普通高中化學新教材《實驗化學—選修》(江蘇教育出版社)P52專題四——反應條件對化學平衡的影響中對氯化鈷溶液的變色原理進行了定性分析[1]。目的是讓學生對溫度和濃度對化學平衡的影響有一個初步的感性認識。但是在實際教學中教師如果不清楚氯化鈷晶體、乙醇、水的具體配比及其變色的溫度，就會浪費時間，并影響實驗現象和課堂教學的效果。因此筆者針對影響氯化鈷溶液變色的因素進行了定量控制并找出最佳配比。同時，介紹與其相關的趣味實驗。

1實驗儀器及藥品

藥品：六水合氯化鈷晶體(玫瑰紅色)、95%乙醇、蒸餾水、濃鹽酸、0.5mol/L的氯化鈷溶液。

儀器：托盤天平、溫度計、250mL的燒杯若干、帶橡皮塞的試管若干、鐵架臺、石棉網、煤氣噴燈、10mL量筒若干、膠頭滴管。

2實驗步驟及現象

實驗1：取一只潔凈的試管加入3.0mL 0.5mol/L的氯化鈷溶液(粉紅色)，然后逐滴加入濃鹽酸，當顏色恰好變為紫紅色、紫色、和藍色時分別記錄所加入的鹽酸的體積。然后將上述試管中的溶液一分為二，加入蒸餾水。

實驗現象：

加入鹽酸的體積：2.2mL3.2mL4.6mL

溶液的顏色： 紫紅色紫色 藍色

加入蒸餾水后顏色又逐漸變為粉紅色。

實驗2：(1)取兩只試管分別加入0.1g的六水合氯化鈷晶體、5.0mL的95%乙醇，振蕩使其完全溶解(溶液顯藍色)，然后用膠頭滴管在其中一支試管中逐滴加入蒸餾水使溶液變為紫色，兩支試管的溶液顏色分別呈藍色和紫色，蓋上橡皮塞作為標準比色液(由于在實驗中顏色的變化是漸進的，所以用標準顏色進行對照，增加實驗的準確性)。

(2)取一只試管加入0.3g的六水合氯化鈷晶體，6.0mL 95%乙醇，然后用膠頭滴管滴加蒸餾水到溶液恰好變為粉紅色時停止加入，記錄加入蒸餾水的滴數，塞上橡皮塞。然后將試管放入盛有水浴的燒杯中加熱，放入溫度計，與標準顏色進行對照，當顏色變為紫色和藍色時，分別記錄此時水浴的溫度。當溶液變為藍色時，停止加熱，使其冷卻并記錄顏色重新變為紫色時的溫度。

(3)繼續取不同質量的氯化鈷晶體(CoCl2·6H2O)和一定體積的95%乙醇按照上述步驟進行實驗，記錄實驗數據。

實驗數據記錄表

3 實驗結論

(1)由實驗1得到的結論

隨著加入的濃鹽酸體積的增多，溶液中的氯離子的濃度逐漸增大，平衡向逆反應方向進行，藍色的CoCl42-的濃度增大，因此顏色從粉紅色→紫紅色→紫色→藍色漸變。加入蒸餾水后，藍色的CoCl42-的濃度大幅下降，顏色又變為粉紅色。

(2)由實驗2得到的結論

在課堂演示實驗中，為使實驗現象明顯，易操作，氯化鈷溶液變為紫色的溫度最好控制在40℃左右，這樣加熱時間短現象也明顯。此外，為了環保和節約，氯化鈷用量以小為宜。因此，選擇實驗7為最佳配比，該配比氯化鈷晶體為0.1g，紫色的變色溫度為40℃，藍色的變色溫度為53℃，加入的乙醇的量為5mL，現象明顯，所需加熱時間適當。

(3)從實驗2的第1、2、3、6次實驗中可以看出：當加入的乙醇的體積一定時，隨著加入的氯化鈷晶體的量的減少，紫色的變色溫度逐漸降低。

(4)從實驗2的第6、7、8、9次實驗中可以看出：當加入的氯化鈷晶體的質量一定時，隨著加入的乙醇的體積的增加，紫色的變色溫度逐漸降低。

4原理分析

(1)氯化鈷溶液中存在如下平衡

CoCl42-+6H2OCo(H2O)62++4Cl-

藍色粉紅色

當溶液中加入濃鹽酸或氯化鈣等，由于氯離子濃度增大，使平衡向逆反應方向移動，溶液由粉紅色變為藍色；當溶液稀釋時，平衡向正反應方向移動，溶液由藍色變為粉紅色。

(2)教材中還指出，氯化鈷的水合物在加熱時會逐步失去結晶水，并呈現不同的顏色(見下面方程式)[2]。

在此反應中由于Co2+水解能力比較弱，所以隨著溫度的升高CoCl2·6H2O并不發生水解反應，只是逐步的失去結晶水[2]。當加熱時溫度升高平衡右移，CoCl2·6H2O逐漸失去結晶水變為藍色的CoCl2。失去的結晶水與乙醇互溶，冷卻時平衡又左移，逐步的結合結晶水生成粉紅色的CoCl2·6H2O。這樣當溫度發生改變時，顏色就在粉紅色和藍色之間變化。同樣由于丙酮與水也可以任意比互溶，因此丙酮也可以使氯化鈷晶體失去結晶水變成藍色[3]。

CoCl2·6H2O晶體的顏色是由其本身晶體結構所決定的。CoCl2·6H2O為配合物屬于單斜晶系，每個鈷原子周圍有四個水分子，這四個水分子分別占據在一個畸變的正方形的頂角位置，與兩個氯原子形成畸變的八面體，其他兩個水分子沒有直接與鈷原子成鍵[4]。反式CoCl2(H2O)4是組成粉紅色CoCl2·6H2O的單元，所以CoCl2·6H2O顯粉紅色。只要加入能促使Co(H2O)62+ 失水或能以Cl-取代內界配位水分子的物質就可以使其呈現藍色。另外，+2價的鈷離子可以被氧化成+3價的鈷離子，+2價的鈷離子和+3價的鈷離子不但可以和H2O形成配合物呈現不同的顏色，它們還可以和其它分子形成配合物。例如：[Co(NH3)6]2+為土黃色， [Co(NH3)6]3+為茶色。

5相關的趣味實驗

根據氯化鈷水合物在加熱時逐步失水，不同溫度下可以顯示不同顏色，可以將其制成封管進行課堂演示，增加學生的學習興趣及探索欲望。另外，教師也可以設計如下幾個趣味小實驗來進一步加強學生對氯化鈷溶液變色的理解并提高學生的學習興趣:

5.1顯隱墨水

用毛筆蘸取氯化鈷的稀溶液在白紙上寫幾個字，由于濃度很小幾乎看出字跡，把此白紙在酒精燈上加熱使鈷鹽脫水后即顯出藍色字跡，放置在空氣中吸收水分后字跡又被隱去。

5.2自制晴雨花

先把紙用較濃的氯化鈷溶液浸泡后，晾干，然后將紙折成紙花，插在花瓶中，即可做成晴雨花。該晴雨花在天氣晴朗的時候是一朵藍色的花，在將要下雨的時候就會變成紫色，下雨時又會變成粉紅色。另外，在配制CoCl2溶液時加入適量的食鹽晶體，并加熱煮沸，可使制得的晴雨花顏色更加艷麗[5]。

5.3自制有色玻璃珠

在酒精噴燈的火焰上將玻璃拉成玻璃絲，把玻璃絲浸入硝酸鈷溶液，取出后放在火焰的外焰部位灼燒使玻璃絲熔化，不停轉動使熔化的玻璃收縮為球狀，冷卻后變為漂亮的藍色玻璃珠[5]。

5.4變色溫度計

取一粒氯化鈷晶體(CoCl2·6H2O，玫瑰紅色)放入試管中，逐滴加入95%的酒精使之溶解(顯藍色)。再滴加清水，邊滴加邊振蕩，使之混合均勻，至溶液剛變為紅色為止。記下此時溶液的溫度(起始溫度)。然后用水浴加熱，當溫度每上升五度，用顏料在圖紙卡上繪下該溫度時和溶液相同的顏色，并在相同顏色邊上記下來對應的溫度。繼續升高溫度直至溶液顏色逐漸由紫色變為藍色為止。將試管口用塞子塞住，并用蠟封口，以保證管內溶液的含水量固定不變。這樣隨溫度變化而發生顏色變化的“變色溫度計”就制成了。為觀察方便，可將試管及其對應于不同溫度的比色卡固定在墻壁上。如需要制成其他量程的變色溫度計，只需要重選起始溫度進行調試即可[5]。

5.5帶助手的氧化劑

向兩只盛有15mL氯化鈷溶液的燒杯中，各添加150mL的蒸餾水，溶液為粉紅色。向其中一只燒杯中滴加氨水，有紅色沉淀 Co(OH)2 產生，繼續滴加沉淀全部溶解，溶液變為土黃色。然后向兩只燒杯中通入氧氣，由于[Co(NH3)6]2+比[Co(H2O)6]2+易被氧化， 所以土黃色的 [Co(NH3)6]2+溶液變為茶色 ([Co(NH3)6]3+)， 而另外一支依然是粉紅色[3]。

5.6 魔力變色線

向盛有10mL水的小燒杯中加入大約8g的氯化鈷晶體，制成濃度大約是40%的氯化鈷溶液。把白線放在溶液中浸泡，取出后用濾紙吸干，再把它在空氣中晾干直到顯出淺藍色。將線的一端握在手中對其呵氣，會變成粉紅色，而另一端仍為淺藍色。重新放在空氣中粉紅色又會變成淺藍色[3]。

5.7 白瓷涂色

取一個新的瓷坩堝，用毛筆蘸取氯化鈷飽和液在瓷坩堝外壁上編一個號，或畫個簡單符號。晾干后將該瓷坩堝放進馬弗爐內加熱至1200℃，并維持半小時，冷卻后取出瓷坩堝，坩堝外壁已涂上了藍色字跡，用水無法洗去(見圖2)。

參考文獻：

[1]王祖浩.實驗化學[M].江蘇教育出版社.2004.

[2]北京化學試劑公司.化學試劑·精細化學品手冊[M].化學工業出版社.2002.

[3]北京大學等四校.無機化學(下)(第四版)[M].高等教育出版社.2003.

[4]有趣的化學實驗編寫組.有趣的化學實驗[M].地質出版社.2003.

[5]邵學俊等.有機化學(下)(第二版)[M].武漢大學出版社.2003.

[6]吳志玲等.中學化學課外活動指導[M].杭州大學出版社.1990.

[7]劉懷樂.中學化學教學實證與求索[M].西南師范大學出版社.2002.

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