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结合科研实验对配位化学的基本概念进行讨论

2019-12-31 501 上传者：管理员

摘要：在配位化学教学中，在教学过程中结合科研实验，通过配合物的设计、合成、结构表征和性质研究，调动学生的兴趣和积极性具有非常重要的意义，可以引导学生挖掘并理解配位化学的基本概念以及理论，使学生对鼓噪乏味的理论知识有了直观的认识，改善了教学效果，培养学生将理论与实践相互结合的能力，使教学效果得到了增强。

关键词：
基本概念
教学
科研实验
配位化学
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配位化学是当代无机化学中一门非常热门的前沿领域学科，它所研究的对象主要为配位化合物。由于配位化学所属的无机化学具有一整套完善的理论知识体系，其所包含的内容基本上几十年内没有太大变动和创新。配位化学的内容在现有出版教材中也形成了固定的知识体系和教学模式，由于长久以来没有信息方面的替换和更新，教材内容和体系已经基本脱离了当代的学科前沿，使得教材中内容过于陈旧和鲜有最新科研研究成果。由于传统的“配位化学”课程教学缺乏更新导致内容过于陈旧，有些内容与学过的无机化学课程内容相重叠和交叉，其理论体系和教学体系已经不适应当代化学教育的创新思想和发展理念。随着社会的进一步发展，更需要具有综合素质较强和理论基础扎实的创新型人才。如何切实保证当代大学生培养质量，是摆在我们大学教师和管理工作者面前的一项急需解决和十分重要的课题和任务。教材内容往往局限于理论的阐述，缺乏具体实例的展示;同时现代科学发展势头迅猛，而教材内容具有相对的稳定性，更新周期较长，往往无法反映最新的学科进展，满足不了素质教育的要求。通过学生自主实验，将科研课题中相关的最新科研成果和研究方法充实课堂内容，拓宽了无机化学中配位化学的教学内容^［1－8］。

我们设计了有机配体1，3－二(4－咪唑基)苯(L)和1，3，5－三(4－羧基苯基)苯(H3BTB)与硝酸镍金属盐反应合成了一种绿色块状镍的配合物，作为实例，从配合物的合成和结构分析以及结构表征等结果，引导学生掌握配合物的合成方法以及结构分析的常用软件，在实践过程中，让学生理解和掌握配位化学的基础知识，培养当代大学生利用所学配位化学的基础理论知识来分析和解决科研实验过程中遇到的实际问题的能力，从而提高大学生的综合素质以及创新能力^［9－12］。

1、实验方案的设计

1.1 配合物

［Ni3(L)4(BTB)2(H2O)8］·8H2O的合成1，3－二(4－咪唑基)苯(L，0.05mmol，10.5mg)、1，3，5－三(4－羧基苯基)苯(H3BTB，0.05mmol，21.9mg)、Ni(NO3)2·6H2O(0.1mmol，29.1mg)和NaOH(0.15mmol，6mg)混合加入到10mL水溶液中，在室温下不断搅拌20min后，转移到25mL的高温反应釜中，密封，于120℃反应72h。然后再冷却至室温，得到块状绿色晶体，收率75%。根据C102H100N16O28Ni3元素分析，理论值(%):C，56.35;H，4.63;N，10.31。实际值(%):C，56.23;H，4.64;N，10.39。

1.2 配合物的结构表征

1.2.1 配合物的X射线单晶衍射

配合物［Ni3(L)4(BTB)2(H2O)8］·8H2O的衍射数据是在293K下，采用BrukerSmartApexCCD单晶衍射仪在室温下收集。并运用Wingx、Shelxtl、Mercury、Xshell、Diamond等软件引入到当代配位化学的教学实践中，从而将被动的知识灌输变革为更有效率的人机交互式的主动汲取，从而促进配位化学内容有效的更新和进一步完善教学方法，使得学生更好的理解和掌握所学的知识点。学会利用Diamond软件画配合物的结构图，图1为配合物的配位环境图，从而能让学生直接感受到微观分子结构的精彩奇妙，培养学生对抽象空间的思维能力和科学研究兴趣。

1.2.2 配合物的元素分析和热重分析

C、H、N元素分析采用Perkin－Elmer240C分析仪进行测试，热重分析(TGA)是在N2氛围下加热温度为30～800℃，升温速率为10℃/min，在Mettler－Toledo(TGA/DSC1)热重分析仪上进行测试的，图3直观反映了镍配合物在受热分析过程中质量的不断变化。

2、结果与讨论

2.1 配合物的结构分析

晶体结构分析结果表明配合物是三斜晶系，P－1空间群。从图1可知，不对称单元中包含二分之一［Ni3(L)4(BTB)2(H2O)8］·8H2O分子，包含Ni1和Ni2两个Ni(Ⅱ)金属离子。金属镍离子由于具有空轨道，可与来自双咪唑L配体的氮原子、三角架羧酸配体BTB中的氧原子和水分子发生了配位。Ni1和Ni2都是具有六配位的八面体构型，Ni1分别与来自四个配体L上的氮原子(N4，N4A，N8，N8C)和两个配位水氧原子(O7，O7A)配位。而Ni2配位环境中两个氮原子(N1，N5)来自两个不同的咪唑配体L，四个氧原子(O2，O8，O9，O10)来自一个羧酸配体BTB3－和三个配位水分子。Ni1－O键长为0.21228(19)nm，Ni1－N键长在0.2089(2)－0.2100(2)nm之间，Ni2－O键长在0.2065(18)～0.2126(2)nm之间，Ni2－N键长为0.2054(2)nm。根据以上实例，学生可以更好和直接理解配合物的基本概念:例如金属镍离子和配体L和BTB的配位特点;配合物的内、外界;配位数目、配合物的最小不对称单元和对称性;配合物的组成和电中性。在不对称单元中，一个BTB3－离子带3个单位的负电荷，0.5个Ni1和1个Ni2带3个单位的正电荷，整个配合物呈电中性。这个结构分析过程，使得学生更加直观理解配合物的总电荷为零是配合物形成条件之一。所以，可以写出配合物的分子式为［Ni3(L)4(BTB)2(H2O)8］·8H2O(图2)。

2.2 配合物的元素分析和热重分析

配合物［Ni3(L)4(BTB)2(H2O)8］·8H2O的元素分析，根据配合物的分子式可以计算出碳、氢与氮的理论质量分数为56.35%、4.63%和10.31%;通过Perkin－Elmer240C分析仪测试的质量分数分别为56.23%、4.64%和10.39%。通过理论值和测试值相互比较，两者数据基本一致，进一步说明该配合物的结构解析是正确的。

根据图3配合物的热重曲线可知，镍配合物的受热分解包含几个阶段:第一阶段30～180℃，失重12.5℃，对应于失去配合物所包含的8个游离水和8个配位水，失重12.5%，与理论计算值13.25%较吻合;第二阶段370～800℃间出现急剧失重，此过程中配合物不稳定，受热分解。从实验测试数据和结果进一步分析结构:由于配合物中键的强弱不同，配合物的分解包括游离水和配位水的损失，随着温度的逐步升高，配合物的受热分解是从配合物结构单元的外界游离水到内界的配位水依次进行，由于形成配位键的水分子需要更多的能量来破坏配位键，配位水的离去使得温度升高到180℃，最后配合物随着温度进一步升高，骨架分解。图3配合物的热重曲线

3、结语

设计以3－二(4－咪唑基)苯和1，3，5－三(4－羧基苯基)苯为配体，与硝酸镍反应构筑一种镍的配合物，结合当前最新学科前沿的科研成果，进行理论和实验教学相结合，通过具体实例镍的配合物的合成和结构表征以及结构分析，串联起配位化学的基础理论知识，开阔了学生的视野，有利于提高学生的应用能力和科学素养以及专业素质。

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