氯化鈷溶液變色實(shí)驗(yàn)的定量控制及相關(guān)趣味實(shí)驗(yàn)介紹

1、氯化鈷溶液變色實(shí)驗(yàn)的定量控制及相關(guān)趣味實(shí)驗(yàn)介紹    全國(guó)普通高中化學(xué)新教材實(shí)驗(yàn)化學(xué)選修(江蘇教育出版社)P52專題四反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡的影響中對(duì)氯化鈷溶液的變色原理進(jìn)行了定性分析1。目的是讓學(xué)生對(duì)溫度和濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響有一個(gè)初步的感性認(rèn)識(shí)。但是在實(shí)際教學(xué)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(huì)浪費(fèi)時(shí)間，并影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和課堂教學(xué)的效果。因此筆者針對(duì)影響氯化鈷溶液變色的因素進(jìn)行了定量控制并找出最佳配比。同時(shí)，介紹與其相關(guān)的趣味實(shí)驗(yàn)。 1實(shí)驗(yàn)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

2、/L的氯化鈷溶液。 儀器：托盤天平、溫度計(jì)、250mL的燒杯若干、帶橡皮塞的試管若干、鐵架臺(tái)、石棉網(wǎng)、煤氣噴燈、10mL量筒若干、膠頭滴管。 2實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)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(dāng)顏色恰好變?yōu)樽霞t色、紫色、和藍(lán)色時(shí)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 加入鹽酸的體積：2.2mL3.2mL4.6mL 溶液的顏色： 紫紅色紫色 藍(lán)色 加入蒸餾水后顏色又逐漸變?yōu)榉奂t色。 實(shí)驗(yàn)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(

3、溶液顯藍(lán)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?yōu)樽仙?，兩支試管的溶液顏色分別呈藍(lán)色和紫色，蓋上橡皮塞作為標(biāo)準(zhǔn)比色液(由于在實(shí)驗(yàn)中顏色的變化是漸進(jìn)的，所以用標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行對(duì)照，增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)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?yōu)榉奂t色時(shí)停止加入，記錄加入蒸餾水的滴數(shù)，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(jì)，與標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行對(duì)照，當(dāng)顏色變?yōu)樽仙退{(lán)色時(shí)，分別記錄此時(shí)水浴的溫度。當(dāng)溶液變?yōu)樗{(lán)色時(shí)，停止加熱，使其冷卻并記錄顏色重新變?yōu)樽仙珪r(shí)的溫度。 (3)繼續(xù)取不同質(zhì)量的氯化鈷晶體(Co

4、Cl2·6H2O)和一定體積的95%乙醇按照上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 (1)由實(shí)驗(yàn)1得到的結(jié)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(yīng)方向進(jìn)行，藍(lán)色的CoCl42-的濃度增大，因此顏色從粉紅色紫紅色紫色藍(lán)色漸變。加入蒸餾水后，藍(lán)色的CoCl42-的濃度大幅下降，顏色又變?yōu)榉奂t色。 (2)由實(shí)驗(yàn)2得到的結(jié)論 在課堂演示實(shí)驗(yàn)中，為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，易操作，氯化鈷溶液變?yōu)樽仙臏囟茸詈每刂圃?0左右，這樣加熱時(shí)間短現(xiàn)象也明顯。此外，為了環(huán)保和節(jié)約，氯化鈷用量以小為宜。因此，選擇實(shí)驗(yàn)7為最佳配比，該配比氯化鈷晶體為0.1g，

5、紫色的變色溫度為40，藍(lán)色的變色溫度為53，加入的乙醇的量為5mL，現(xiàn)象明顯，所需加熱時(shí)間適當(dāng)。 (3)從實(shí)驗(yàn)2的第1、2、3、6次實(shí)驗(yàn)中可以看出：當(dāng)加入的乙醇的體積一定時(shí)，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(shí)驗(yàn)2的第6、7、8、9次實(shí)驗(yàn)中可以看出：當(dāng)加入的氯化鈷晶體的質(zhì)量一定時(shí)，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(lán)色粉紅色 當(dāng)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(yīng)方向移動(dòng)，溶液由粉紅色變?yōu)樗{(lán)色；當(dāng)溶液稀釋時(shí)，平衡向正反應(yīng)

6、方向移動(dòng)，溶液由藍(lán)色變?yōu)榉奂t色。 (2)教材中還指出，氯化鈷的水合物在加熱時(shí)會(huì)逐步失去結(jié)晶水，并呈現(xiàn)不同的顏色(見(jiàn)下面方程式)2。 在此反應(yīng)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(fā)生水解反應(yīng)，只是逐步的失去結(jié)晶水2。當(dāng)加熱時(shí)溫度升高平衡右移，CoCl2·6H2O逐漸失去結(jié)晶水變?yōu)樗{(lán)色的CoCl2。失去的結(jié)晶水與乙醇互溶，冷卻時(shí)平衡又左移，逐步的結(jié)合結(jié)晶水生成粉紅色的CoCl2·6H2O。這樣當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，顏色就在粉紅色和藍(lán)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(jié)晶水變成藍(lán)色3。 CoCl2

7、·6H2O晶體的顏色是由其本身晶體結(jié)構(gòu)所決定的。CoCl2·6H2O為配合物屬于單斜晶系，每個(gè)鈷原子周圍有四個(gè)水分子，這四個(gè)水分子分別占據(jù)在一個(gè)畸變的正方形的頂角位置，與兩個(gè)氯原子形成畸變的八面體，其他兩個(gè)水分子沒(méi)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(nèi)界配位水分子的物質(zhì)就可以使其呈現(xiàn)藍(lán)色。另外，+2價(jià)的鈷離子可以被氧化成+3價(jià)的鈷離子，+2價(jià)的鈷離子和+3價(jià)的鈷離子不但可以和H2O形成配合物呈現(xiàn)不同的顏色，它們還可

8、以和其它分子形成配合物。例如：Co(NH3)62+為土黃色， Co(NH3)63+為茶色。 5相關(guān)的趣味實(shí)驗(yàn) 根據(jù)氯化鈷水合物在加熱時(shí)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(jìn)行課堂演示，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及探索欲望。另外，教師也可以設(shè)計(jì)如下幾個(gè)趣味小實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)氯化鈷溶液變色的理解并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xiě)幾個(gè)字，由于濃度很小幾乎看出字跡，把此白紙?jiān)诰凭珶羯霞訜崾光掻}脫水后即顯出藍(lán)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

9、雨花。該晴雨花在天氣晴朗的時(shí)候是一朵藍(lán)色的花，在將要下雨的時(shí)候就會(huì)變成紫色，下雨時(shí)又會(huì)變成粉紅色。另外，在配制CoCl2溶液時(shí)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(zhuǎn)動(dòng)使熔化的玻璃收縮為球狀，冷卻后變?yōu)槠恋乃{(lán)色玻璃珠5。 5.4變色溫度計(jì) 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(lán)色)。再滴加清水，邊滴加邊振蕩，使之混合均勻，至溶液剛變?yōu)榧t色為止。記下此時(shí)溶液的溫度(起始溫度

10、)。然后用水浴加熱，當(dāng)溫度每上升五度，用顏料在圖紙卡上繪下該溫度時(shí)和溶液相同的顏色，并在相同顏色邊上記下來(lái)對(duì)應(yīng)的溫度。繼續(xù)升高溫度直至溶液顏色逐漸由紫色變?yōu)樗{(lán)色為止。將試管口用塞子塞住，并用蠟封口，以保證管內(nèi)溶液的含水量固定不變。這樣隨溫度變化而發(fā)生顏色變化的“變色溫度計(jì)”就制成了。為觀察方便，可將試管及其對(duì)應(yīng)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(jì)，只需要重選起始溫度進(jìn)行調(diào)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(chǎn)生，繼續(xù)滴加沉淀全部溶解，溶液變

11、為土黃色。然后向兩只燒杯中通入氧氣，由于Co(NH3)62+比Co(H2O)62+易被氧化， 所以土黃色的 Co(NH3)62+溶液變?yōu)椴枭?(Co(NH3)63+)， 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(lán)色。將線的一端握在手中對(duì)其呵氣，會(huì)變成粉紅色，而另一端仍為淺藍(lán)色。重新放在空氣中粉紅色又會(huì)變成淺藍(lán)色3。 5.7 白瓷涂色 取一個(gè)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(gè)號(hào)，或畫(huà)個(gè)簡(jiǎn)單符號(hào)。晾干后將該瓷坩堝放進(jìn)馬弗爐內(nèi)加熱至1200，并維持半小時(shí)，冷卻后取出瓷坩堝，坩堝外壁已涂上了藍(lán)色字跡，用水無(wú)法洗去(見(jiàn)圖2)。 參考文獻(xiàn)： 1王祖浩.實(shí)驗(yàn)化學(xué)M.江蘇教育出版社.2004. 2北京化學(xué)試劑公司.化學(xué)試劑·精細(xì)化學(xué)品手冊(cè)M.化學(xué)工業(yè)出版社.2002. 3北京大學(xué)等四校.無(wú)機(jī)化學(xué)(下)(第四版)M.高等教育出版社.2003. 4有趣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫(xiě)組