化学计量、产物产率与限量反应物

概念教师准备学生实验方案
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来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

  1. 三(乙二胺)镍氯化物的合成

    在本实验中，你将六水合氯化镍与乙二胺在水中混合，以生成三（乙二胺）氯化镍。当六水合氯化镍溶于水时，会重排形成六水合镍阳离子和两个氯阴离子。

    加入乙二胺后，三个乙二胺分子将逐步取代六个水分子。该过程通常每次引入一个乙二胺分子。因此，镍配合物会依次经过浅蓝色的四水合乙二胺合镍和深蓝色的二水合双乙二胺合镍中间体，最终生成紫色的三（乙二胺）氯化镍产物。

    基于这一特殊反应过程，你可能会推测六水合氯化镍将是你的限量反应物。你将通过使用反应中加入的反应物量来确定理论产量，以此验证该假设。你还将从溶液中沉淀出产物并称量其质量。在确定限量反应物和最终产物质量后，便可计算回收产率。

    实验开始前，在实验记录本中制作一张表格，用于记录加入的乙二胺溶液体积及反应溶液的颜色变化。表格中需包含反应开始时溶液的初始颜色。你将逐次加入共20 mL体积分数为25%的乙二胺溶液，每次1 mL。通过此方法监测反应进程。

    表1：乙二胺反应溶液中的颜色变化

    加入25%体积的乙二胺溶液颜色
    0 mL
    1 mL
    2 mL
    3 mL
    4 mL
    5 mL
    6 mL
    7 mL
    8 mL
    9 mL
    10 mL
    11 mL
    12 mL
    13 mL
    14 mL
    15 mL
    16 mL
    17 mL
    18 mL
    19 mL
    20 mL

    点击此处下载表1

    • 穿上实验服、防溅护目镜和一副一次性手套。 注意： 氯化镍具有毒性且为刺激性物质，操作时需小心谨慎。乙二胺具有毒性，取出使用前务必确保其已置于通风橱内，不得在通风橱外开启。
    • 将一个100 mL烧杯置于分析天平上，称量六水合氯化镍。
    • 在分析天平上将称量皿去皮归零，然后使用药匙称取4.5–5 g六水合氯化镍。 注意： 该化合物具有吸湿性，意味着它能从空气中吸收大量水分。操作时应迅速完成称量，以获得准确的测量结果，随后立即 tightly 密封容器。
    • 当获得 4.5 至 5 g 的样品时，立即在实验记录本上记录质量。

      表2：确定反应物的摩尔数

      NiCl2•6H20
      质量（g）
      H2O 添加量（mL）
      摩尔质量（g/mol）237.69
      摩尔数
      C2H8N2
      25% v/v C 的添加体积2H8N2 (毫升)
      C的实际体积2H8N2 （mL）
      密度（g/mL）0.8995
      质量（g）
      摩尔质量（g/mol）60.0989
      摩尔数（mol）
      点击此处下载表 2
    • 将六水合氯化镍倒入100 mL烧杯中。用实验室擦拭纸清洁药匙，以便下一位使用者使用，并根据所在机构关于镍废料处理的规定，丢弃称量舟和实验室擦拭纸。
    • 量取5 mL去离子水，倒入烧杯中。用玻璃棒搅拌混合物，使六水合氯化镍溶解，形成澄清的绿色六水合氯镍酸溶液。
    • 如果化合物未完全溶解，加入1 mL去离子水并继续搅拌。若五分钟后仍未溶解，再加入1 mL水。 注意： 注意不要加入超过所需量的水，因为过量的水会使后续产物更难析出。
    • 配制六水合氯化镍溶液后，应在实验记录本中记录所用水的体积，并记录加入乙二胺前溶液的颜色。
    • 从指导教师处获取20 mL体积分数为25%的乙二胺水溶液。该溶液将盛装于带盖的烧杯中提供给你。
    • 使用一次性塑料移液管，将乙二胺逐滴加入六水合氯化镍溶液中，每次1 mL，每加一次用玻璃棒搅拌溶液。记录溶液颜色的变化。 注意： 溶液将从绿色变为蓝色，再变为深蓝色，最后变为紫色。该反应速度较快，因此一旦加入全部乙二胺，即可得到产物三(乙二胺)合镍(II)氯化物的水溶液。
    • 用量筒量取10 mL丙酮。将丙酮倒入盛有紫色三（乙二胺）镍氯化物溶液的烧杯中，并用玻璃棒搅拌，使丙酮与溶液充分混合。 注意： 三(乙二胺)镍氯化物可溶于水，但不溶于丙酮。向水相产物溶液中加入丙酮，可使产物更易析出沉淀。
    • 以每次10 mL的方式，共加入50 mL丙酮至三（乙二胺）镍氯化物溶液中。 注意： 如果加入50 mL丙酮后仍未观察到任何固体析出，可用玻璃棒轻轻刮擦烧杯内壁。此举有助于沉淀形成，因为固体更易在粗糙表面析出。
    • 当固体开始形成后，取出玻璃棒，将烧杯静置在通风橱中5分钟。 注意： 此时搅拌或振荡溶液可能促使固体重新溶解。
    • 在此期间，将约600 mL碎冰舀入一个800 mL烧杯中。加入适量自来水或新鲜水，使水刚好填满冰块之间的空隙，但不足以使冰块浮于水层之上。此冰浴比单独使用冰块能提供更均匀的冷却效果。
    • 待装有沉淀产物的烧杯静置 5 分钟后，小心将其放入冰浴中。 注意： 确保冰浴的高度高于紫色溶液的液面，但低于100 mL烧杯的顶部。
    • 将该溶液置于冰浴中静置15–20分钟。冷却溶液可降低产物的溶解度，从而促进进一步沉淀。
    • 等待时，取一张纸巾带到通风橱中，以便从冰浴中取出烧杯后擦去水渍。
  2. 沉淀三(乙二胺)镍氯化物
    • 在洁净的已去皮称量舟中称量一张滤纸，并将质量记录在实验记录本中。

      表3：计算产率百分比

      [Ni(en)3]Cl2
      质量滤纸 (g)
      质量（产物 + 滤纸） (g)
      质量产物 (g)
      摩尔质量（g/mol）309.893
      实际产量（mol）
      理论产量（mol）
      回收率（百分比）
      点击此处下载表 3
    • 将一个800 mL烧杯标记为“含镍和水的有机废液”。
    • 将硅胶管连接至通风橱内的实验室真空泵和布氏烧瓶的侧管。用夹具将烧瓶垂直固定在通风橱内，并在烧瓶瓶口放置橡胶滤器接头。
    • 将布氏漏斗安装在适配器上，并将滤纸置于布氏漏斗中。用适量去离子水润湿滤纸，使其紧贴布氏漏斗表面并形成密封。
    • 打开真空泵。将反应混合物从冰浴中取出，倒入漏斗中。使用橡胶刮刀将沉淀转移至漏斗中。
    • 当溶液全部吸入烧瓶后，关闭真空泵。轻轻将布氏漏斗与接头分离，以解除真空密封。
    • 取下布氏漏斗和接头，松开夹子，将烧瓶中的溶液倒入废液杯中。 注意： 注意不要让任何溶液进入真空管路。
    • 重新夹紧烧瓶，并将适配器和漏斗稳定置于烧瓶中。
    • 使用橡胶刮刀轻轻捣碎滤纸上的结块产物，注意不要撕破滤纸。尽量将产物置于漏斗中央。
    • 用量筒量取约5 mL丙酮。将丙酮沿烧杯壁倒入，然后将洗涤液倒入漏斗中。用橡胶刮刀将烧杯内残留的固体刮入漏斗。若烧杯中仍有固体残留，可重复此步骤。
    • 量取另外5 mL丙酮，倒入漏斗中，静置5分钟。这一步可使残留在产物上的过量水和乙二胺溶解在丙酮中。
    • 5分钟后，短暂开启真空泵，将丙酮吸入烧瓶中。解除真空，重复用5 mL丙酮浸泡固体产物5分钟，共再进行两次。 注意： 将产物充分破碎，以确保其被丙酮彻底浸透。充分洗涤产物对于准确计算产率至关重要。
    • 将最后一次丙酮洗涤液抽入烧瓶后，用橡胶塞塞住漏斗顶部，并将装置置于真空状态下5分钟，以尽可能干燥产物。
    • 产品干燥期间，用产物的化学式标记一个400 mL烧杯。5分钟后，关闭真空泵，轻轻拔下漏斗的塞子并将漏斗从烧瓶上取下，以解除真空密封。小心地将装有固体产物的漏斗转移至该400 mL烧杯中。
    • 将产物置于通风橱中干燥2–3天。
    • 离开前请清理工作区。将塑料移液管丢弃至实验室垃圾桶中。
    • 按照实验室标准操作程序清洗未接触过镍配合物的实验器具，如量筒。 注意： 镍废料可能需要根据您所在机构的要求，与标准的有机废液或水性废液分开处理。如果情况如此，请将滤液及其他含镍有机废料弃置于指定容器中。
    • 产品干燥2–3天后，将其转移至分析天平。将称量舟去皮归零，然后将含有产物的滤纸放入其中。
    • 用橡胶刮刀将漏斗中残留的产物刮下，称量最终产物的质量，并将质量记录在实验记录本中。
    • 将固体产物弃置于相应标记的容器中。滤纸和称量皿丢入经批准的垃圾桶内。按照镍化合物使用后的玻璃器皿清洗规程清洗烧杯。
  3. 结果
    • 配平此反应的化学方程式。将乙二胺和水视为整体单元，因为这些分子在此类反应中保持不变。
    • 计算所用各反应物的摩尔数，并利用这些化学计量关系计算每种起始量的理论产量。产生较低理论产量的反应物即为限制性反应物。

      表4：确定限量反应物

      限制性反应物
      NiCl2•6H20      		限量反应物
      C2H8N2
      产物的摩尔质量（g/mol）309.893309.893
      反应物（mol）
      摩尔比
      理论产量（mol）
      点击此处下载表 4

      六水合氯化镍是该反应的限制性反应物。虽然生成三（乙二胺）氯化镍所需的乙二胺与六水合氯化镍的摩尔比为3:1即可，但实际使用的摩尔比约为3.6:1至4:1，具体数值取决于所加入的六水合氯化镍的量。

      颜色变化表为此提供了一些定性证据。当乙二胺与镍的摩尔比约为1:1时，溶液呈浅蓝色；在2:1左右时呈深蓝色；在3:1左右时呈紫色。这分别对应于含有1、2和3个乙二胺分子的镍配合物。因此，如果镍的用量远超过所需，就无法明显观察到紫色。在这种特殊类型的反应中，必须使镍作为限量反应物，以确保生成目标产物。
    • 根据所加入的限量反应物的量，计算回收产率，即实际产率与理论产率的比值。

      如果产率低于95%或高于100%，请回顾实验操作过程。加入过多的水或产物未在低温下充分冷却至少15分钟，都会导致产物难以完全回收。丙酮洗涤不充分会使产物中残留水分和乙二胺。在实验过程中准确记录实验操作步骤，有助于发现可改进的技术环节，为下一次实验提供优化依据。