二價銅離子配位平衡實驗的創新設計

摘 要： 催化劑濃度是決定反應速率非常重要的因素，實驗通過設計Cu2+與不同配體進行作用后形成的不同催化劑濃度，在對過氧化氫魯米諾發光體系催化過程中產生不同強度和時長的熒光，從而展現Cu2+與不同配體之間的配位平衡。

關鍵詞： 銅離子配位平衡； 催化劑濃度效應； 魯米諾試劑； 實驗設計

文章編號： 10056629（2024）12007103

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調，開展以實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，促進學生學習方式的轉變［1］。人教版高中化學選修2《化學反應原理》為了讓學生了解配合物的特征和結構，設置了配合物的合成以及相互轉化的內容，不同配合物中配位鍵的強度有大有小，配合物有的很穩定，有的很不穩定［2］。在配合物的教學中，多數教學設計利用無水硫酸銅和膽礬的宏觀差異作為教學情境，但在解釋配位鍵的形成時，使用的卻是鐵離子顯色實驗、氯化銀沉淀的溶解等，這與學生認知發展聯系得不夠緊密，難以有效幫助學生利用問題情境，經歷證據推理、科學探究的過程發展核心素養。

1 問題的提出

很多化學同行對配位平衡與催化劑的濃度效應有較多的實驗探究，如針對不同用量的催化劑對雙氧水分解進行了實驗研究，發現一定范圍內增加催化劑用量可以提高反應速率［3］。催化劑能在不改變反應總的標準摩爾吉布斯自由能變前提下，可以加快反應的速率，是因為它改變了反應的途徑，降低了反應的活化能，它參與（反應與生成）了具體的反應過程［4］。在一個反應機理中，其中某一個基元步驟進行的速率遠較其他速率慢，則該速率控制步驟決定了總的反應速率，該速率控制步驟稱為限速步驟，簡稱“決速步”。催化劑作用，或直接作為決速步的反應物，或間接提高決速步反應物的濃度，進而提高決速步反應速率，所以催化劑的濃度往往是一個決定反應速率的重要因素。在配位平衡實驗的設計中，往往通過改變作為催化劑的配合物濃度，從而改變外在的實驗現象，實現對配位平衡的觀察與追蹤。

借鑒同行的實驗研究，綜合考慮實際因素，本研究利用不同配合能力的配體與二價銅離子配合，以此改變銅離子濃度來影響對過氧化氫的催化作用，通過觀察魯米諾試劑發出熒光的強度與時長，來探究配位平衡的移動。在教學中，結合Cu2+配合物的形成及其對反應的影響，學習配合物的結構和性質，幫助學生利用分組實驗，親歷“實驗探究”過程發展核心素養。

2 實驗原理

2.1 平衡原理

過渡金屬元素Cu2+可以與不同的配體如H2O、 Cl-、 NH3、EDTA（乙二胺四乙酸）等，形成穩定性不同的配合物。配合物的內界部分解離，存在著配位平衡。配位化合物的穩定性一般用配位平衡常數Kθ穩表示，此值越大表明配位反應進行得越徹底，配位化合物越穩定［5］。配位化合物遇到與中心原子配位平衡常數Kθ穩更大的配體，即配位能力更強的配體，則會發生取代，配位平衡向生成更穩定的配合物方向移動，中心原子的濃度將進一步下降。過渡金屬元素銅的二價離子電子排布為［Ar］3d94s0，還可與4p雜化，存在多個空軌道，可以與許多配體形成穩定性不同的配合物（見表1）。

2.2 反應速率

魯米諾，又名發光氨，在堿性溶液中會形成一種二價陰離子。此二價陰離子易被過氧化氫分解產生的活性氧（或單氧）氧化，發出處于藍光波長的可見熒光。由于該過程中，過氧化氫發生分解反應生成活性氧的過程比較慢，速率受催化劑Cu2+濃度的影響較大，是一個決速步的慢反應［6］。該反應過程的快慢決定了整個發光過程的速率，即決定了發光的強度和時長，我們通過觀察發光強度和時長來探究不同配體對二價銅離子的配合能力。

3 實驗用品

3.1 藥品

魯米諾（天津市致遠化學試劑有限公司）、25%的過氧化氫、無水碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫銨、25%的氨水、硫酸銅晶體、EDTA、蒸餾水

3.2 儀器

電子天平、100mL錐形瓶2個、250mL燒杯1個、2000mL燒杯2個、磁力加熱攪拌器、50mL量筒3個、膠頭滴管3支、1000mL試劑瓶2個、100mL試劑瓶1個、玻璃棒、洗瓶

4 實驗步驟

4.1 實驗試劑的配制

稱取7.5g EDTA藥品，溶于100mL蒸餾水中，然后裝入A號試劑瓶中備用。

量取30mL25%的過氧化氫溶液于2000mL燒杯中，加蒸餾水稀釋至1000mL，攪拌均勻，然后裝入B號試劑瓶中備用。

另取一個2000mL燒杯，加入4.0g無水碳酸鈉，加蒸餾水至500mL，攪拌溶解后，再加入0.2g魯米諾粉末，繼續攪拌溶解。待魯米諾全部溶解后，繼續逐次加入24.0g碳酸氫鈉、0.5g碳酸氫銨、20滴25%的氨水、0.4g硫酸銅晶體（約0.0016mol，起催化作用），繼續攪拌數分鐘。待全部溶解后，加蒸餾水稀釋至1000mL，繼續攪拌均勻，然后裝入C號試劑瓶中備用［7］。

4.2 實驗操作與現象

在室溫下，取用兩個相同批次規格的錐形瓶，分別標簽為一、二后備用。用量筒按表2的實驗操作要求每次量取50mL的B試劑，分別倒入到兩個錐形瓶中。另取兩支干凈量筒（分別對應于標簽為一、二的兩個錐形瓶），各量取C試劑50mL，用膠頭滴管分別在兩支量筒內滴入10滴蒸餾水和10滴A試劑，用玻璃棒攪拌均勻。關閉教室遮光布，然后將兩支量筒中的試劑同時倒入到對應的兩個錐形瓶中，觀察并記錄實驗產生熒光的強度及持續的時長。

4.3 實驗結果與討論

實驗的結果顯示，實驗一發出的熒光強度明顯比實驗二要強，但發光的時間很短，維持強熒光的時間在25秒左右。而實驗二發出的熒光強度雖弱，但發光的時間較長，熒光強度減弱得較慢，保持120秒仍可見到明顯的熒光。

這說明實驗一的過氧化氫分解速率較快，實驗二的過氧化氫分解速率較慢。這是由于在實驗一中銅離子與氨分子形成的配合物穩定性較弱，溶液中銅離子濃度高；而加入EDTA后，氨分子被配合能力更強的配體EDTA代替，配位平衡向生成Cu（EDTA）2-的方向移動，形成更穩定的配合物，使溶液中起催化作用的銅離子濃度進一步降低，催化過氧化氫分解的能力減弱，使得單位時間內產生的活性氧少，魯米諾熒光的強度較弱，

但由于反應物的量相同，所以保持熒光的時間變長。反應的方程式如下：

5 小結

將熱力學的配位化學平衡與動力學的催化反應機理兩類實驗融合，在絢麗的魯米諾熒光現象中，讓學生體驗實驗過程的趣味性，將抽象的反應理論轉化為直觀的實驗現象，不僅克服了實驗理論理解難、現象呈現難的困惑，而且增強了學生對化學理論的信服力，并在此過程中培養了學生的實驗操作和實驗解讀能力，發展了學生“證據推理”“科學探究”的化學學科核心素養。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 化學選擇性必修2·化學反應原理［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 97.

［3］［5］沈銀行. 對催化劑的拓展探究［J］. 化學教學， 2019， （9）： 79～82.

［4］傅獻彩， 侯文華. 物理化學（第六版）（下冊）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2022： 304.

［6］宋天佑， 程鵬， 徐家寧， 張麗榮. 無機化學（第四版）·上冊［M］. 北京： 高等教育出版社， 2019： 389.

［7］顧仲良. 化學反應速率影響因素的實驗研究——過氧化氫魯米諾發光反應的應用［J］. 中學化學教學參考， 2020， （17）： 35～37.