李婉，劉牧，李一峻，朱平平,＊

1 中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥 230026

2 南開大學化學學院，天津 300071

2022年7月10日至18日，由我國南開大學承辦的第54屆國際化學奧林匹克在線上舉辦，吸引了來自全球84個國家和地區(qū)的選手參加。除了理論考試外，大賽組委會還精心準備了一道線上實驗試題，打破各國時間和地域的限制，以“彩蛋”形式讓選手體驗實驗的樂趣，實現(xiàn)理論與實驗的密切結合。共有33名選手因解答實驗試題獲得大賽“金絲猴獎”(Golden Monkey Award)。

1 試題背景

元素化學是化學及化學相關專業(yè)大一學生重要的核心基礎課，教學效果對學生科學觀的形成、科學研究興趣的激發(fā)以及科學研究能力的培養(yǎng)有很大的影響[1]。如何利用各元素不同的化學性質，通過觀察實驗現(xiàn)象、分析反應機理，進而推測出樣品或產(chǎn)物中可能的化合物組成，這是無機化學實驗的教學目標，也是化學專業(yè)學生必備的定性分析能力。

2022年5月第54屆國際化學奧林匹克官網(wǎng)上發(fā)布的預備試題中，實驗類別里有兩道無機定性分析試題，分別是第8題“Reaction Types and Chemical Logic”和第9題“Properties and Identification of Heavy Metal Ions”[2]。這兩個虛擬實驗試題通過巧妙地構建化學反應矩陣，提供了15個金屬陽離子與常見的酸、堿、鹵素等化學試劑之間的上百個化學反應視頻，涉及沉淀、配位、氧化還原等多種化學反應類型[3,4]。學生可以輕松地對各離子的化學反應性質進行觀察比較和歸納總結，熟悉各離子的反應特征，建立起反應現(xiàn)象和組成之間的邏輯關系；之后在試題的Quiz部分，學生可以了解并掌握無機定性分析的步驟及解題思路。

正式比賽的實驗試題“Qualitative Analysis of Inorganic Compounds”以兩道實驗預備題為基礎，做了擴展設計，考試形式與兩道預備題保持一致。如果參賽選手認真做了預備題，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 實驗題目

實驗試題通過大賽組委會的專用郵箱發(fā)送給各國選手。 點擊試題網(wǎng)址：https://prj16.xnfz.cmet.ustc.edu.cn/6matrix，頁面出現(xiàn)一個6 × 6的未知化合物反應矩陣(圖1)，其中字母A-L代表12個未知化合物。點擊橫欄或豎欄上的字母，觀察該未知化合物的溶液狀態(tài)；點擊矩陣中的試管圖標，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)時發(fā)生的化學反應現(xiàn)象。

圖1 未知化合物反應矩陣

點擊頁面上的“Problem”，閱讀試題說明。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種常見化學試劑，溶液均為無色透明，選自如下試劑：

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

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

2.2 答案解析

元素的化學性質各異，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，化學性質復雜，反應現(xiàn)象多變，需要選手靈活運用所掌握的元素化學知識，通盤考慮，進行分析判斷。

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色透明溶液(圖2b)；而相互之間的化學反應大部分形成了白色沉淀(圖2c)。

圖2 試題圖片和視頻舉例

仔細觀察矩陣中的化學反應，會發(fā)現(xiàn)當加入化學試劑I時，生成的沉淀有時會隨著試劑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反應先形成棕色Ag2O沉淀，在NH3·H2O滴加過量時形成[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會與NH3·H2O反應先形成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形成的綠色沉淀會隨著NH3·H2O的滴加轉化成更穩(wěn)定的藍色[Ni(NH3)6]2+配合物，而I與E形成的沉淀并不溶解，故E為FeSO4。進而從G與FeSO4反應產(chǎn)生大量黃色沉淀(圖2f)，可以判斷出G為K2C2O4。

通過試劑L與AgNO3反應產(chǎn)生褐色沉淀，可以判斷L為NaOH。而NaOH與化合物C反應，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，沒有產(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反應生成白色沉淀，可以判斷出J為Na2CO3(NaOH與K2C2O4均已被確定)。

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

而此時剩下的金屬化合物還有B和D兩個，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均為無色透明溶液，可以排除FeCl3。與NaOH反應沒有亮黃色沉淀生成，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 結語

本試題有一定的難度，需要學生充分掌握各元素的化學性質，仔細觀察、比較，并運用排除法來協(xié)助鑒別，試題對學生的觀察、分析和解決問題的能力都是很好的鍛煉。

中國科學技術大學化學實驗教學中心自2015年起借助信息化技術，建設多個元素虛擬實驗項目[5,6]，讓學生得以透過大量的實驗現(xiàn)象，熟悉不同離子的化學特征，總結核外電子排布對元素性質的影響，鍛煉學生的觀察能力和歸納總結能力；而未知物反應矩陣的鑒別，則訓練了學生的化學邏輯思維能力和分析判斷能力。元素虛擬實驗的開設在實現(xiàn)課堂綠色化的同時，達到了讓學生花更少時間、掌握更多知識、提高多種能力的目標，已用于多所兄弟院校的本科實驗教學，以及高中奧賽培訓、英才計劃夏令營等活動，相關工作受邀在第6屆、第14屆全國大學化學化工課程報告論壇上做工作分享。