“元素化學實驗”中的“異常”現象(一)
——Mn元素化學實驗中的“異常”現象及其探析

阮嬋姿，董志強，張春艷，呂銀云，翁玉華，潘蕊，許振玲，任艷平

廈門大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心(廈門大學)，福建 廈門 361005

元素化學實驗對學生有效學習元素及其化合物的重要性質及各元素及其化合物間性質的異同和變化規律有重要作用。影響化學實驗現象或結果的因素是多元的，由于一年級學生剛開始接觸元素化學實驗，往往對實驗條件的認識和把握還不到位，有時會觀察到或得到一些與預想的或理論分析不一致的結果，我們稱之為“異常”實驗現象。Mn的價態豐富，可以以Mn2+、MnO2、MnO42-和MnO4-等不同價態的形式存在，并且顏色多變，在給定條件下，Mn的各種價態形式之間可以直接或間接相互轉化，在相互轉化過程中，常因反應體系的溫度、酸度、反應物濃度等外界條件的微妙改變而導致“異常”現象的發生。下面就學生在有關Mn元素化學實驗過程中所出現的一些“異常”現象，通過演示實驗，引導學生有理有據、步步深入地進行分析和探討“異常”現象產生的可能原因，以實例引導學生學習和掌握科學研究的思維方法，并以此展現在做“實”基礎實驗教學過程中，如何培養學生分析、判斷的能力和“批判性”思維[1-4]。

為了讓讀者有效了解和學習不同價態Mn化合物的性質及其穩定存在的條件，文中詳細地列出了Mn元素化學實驗過程中“異常”現象的產生及其引導學生分析、探究產生“異常”現象的可能根源的實驗實施流程和有關反應方程式。

1 Mn2 +鑒定實驗中的“異常”現象

對于離子的鑒定反應都要求快速、特征、靈敏、選擇性高，要滿足鑒定反應的這些要求，在進行具體鑒定實驗時，需要對鑒定反應的溫度、催化劑、被鑒定離子的濃度和試劑的濃度以及反應介質的酸堿性等因素進行綜合考慮。一年級學生常常由于對鑒定反應條件的認識和把握不到位而導致“漏檢”和“錯檢”離子的情況。

1.1 反應溫度、催化劑對Mn2+鑒定反應的影響

反應溫度、催化劑對某些反應結果的影響至關重要，如教科書[5]上給出Mn2+的鑒定實驗，即在酸性介質中，用作為氧化劑、Ag+作為催化劑、微熱條件下出現紫紅色溶液為特征，具體鑒定實驗過程如圖1-流程1，鑒定反應如方程式(1)。看似特征、靈敏的Mn2+鑒定反應，但學生在具體鑒定實驗過程中出現了一些“異常”現象。

圖1 Mn2+鑒定及其溫度、催化劑、Mn2+濃度對其鑒定反應的影響

從圖1-流程1可以看出，在給定的實驗條件下，微熱，即出現特征紫紅色，此鑒定反應很靈敏。但有的學生在具體鑒定Mn2+的實驗過程中卻忘了加熱，盡管有Ag+作催化劑，如果沒有加熱，氧化Mn2+的反應還是比較慢，出現特征紫紅色需要5 min (如圖1-流程2)，學生沒有等待足夠時間，就將反應液回收或放置而沒有回頭再查看反應現象，導致Mn2+“漏檢”。

在具體鑒定Mn2+的實驗過程中，還有學生沒有加Ag+作催化劑，而又按照教材上所描述的“微熱”操作，同樣導致氧化Mn2+的反應慢，使特征紫紅色出現遲緩而導致Mn2+“漏檢”。實驗結果證實，如果沒有加Ag+作催化劑，需要加熱至沸，溶液顏色由無色→黃色→特征紫紅色變化，如圖1-流程3。

從圖1-流程1，2和3可以看出，溫度和催化劑對Mn2+鑒定實驗的影響都不可忽視，如果沒有加熱，出現特征紫紅色的時間略長，學生觀察不到顏色的改變，以為沒有發生反應；如果沒加催化劑，學生按教材[4]上描述的僅微熱而已，可能也觀察不到明顯的MnO4-特征紫紅色，這兩種情況都會造成Mn2+的“漏檢”。

1.2 Mn2+濃度對其鑒定反應的影響

在Mn2+鑒定實驗過程中，學生雖注意到溫度、催化劑對鑒定反應的影響，但還有學生在鑒定實驗過程中出現了“異常”現象，如圖1-流程4所示，反應體系中沒有看到特征紫紅色，而是生成了MnO2棕黑色沉淀，這是為什么呢？其實只需等待幾分鐘，待MnO2沉淀沉降下來，就能觀察到紫紅色的溶液從而判斷有MnO4-生成。有的同學可能沒有耐心等待、觀察，就會造成判斷有誤。比較圖1中流程4與流程1，可以看出，除了流程4中Mn2+濃度(0.05 mol·L-1)比流程1中Mn2+濃度(0.002 mol·L-1)大外，其他條件都相同，說明了Mn2+濃度對其鑒定反應的影響。因體系中過量Mn2+會還原生成的MnO4-，溶液Mn2+濃度過高因而生成大量棕色MnO2沉淀懸浮于溶液中而掩蓋了紫紅色，如反應式(2)。

Mn2+濃度過大也會使其鑒定反應出現“異常”現象，對學生的正確判斷造成干擾，也會造成Mn2+的“漏檢”。

其實，從圖1-流程1，2和3也可以看出，對于Mn2+濃度適宜的體系，如果沒有加熱和加入Ag+作催化劑，在觀察到明顯的MnO4-特征紫紅色以前，即在鑒定反應開始階段，反應體系顏色由無色變為棕黃色，這可能就是因鑒定反應(1)進行較慢，相對過量的Mn2+使生成的少量MnO4-被還原為少量MnO2所致。

上文通過實驗結果比較分析了溫度、催化劑以及被鑒定離子Mn2+濃度對Mn2+鑒定實驗的影響。在此實驗事實的基礎上，啟發學生再從理論上對上述影響因素進行分析，加強理論與實驗的相互融合。

2 MnO4 -性質實驗中的“異常”現象

圖2 不同介質中與反應的實驗流程

上述實驗結果說明，對于有MnO4-參與的反應，要得到預期的實驗結果，控制好反應介質的酸堿性是非常重要的。

2.2 MnO4-與SO32-反應過程中的“異常”現象

圖3 不同介質中MnO-4與反應的實驗流程

上述實驗現象說明，提高Na2SO3溶液用量，可加速促使反應(9)向右進行。

在具體實驗過程中，對于有MnO4-參與的反應，不僅要控制好反應介質的酸堿性，還要控制好試劑的用量，否則就會出現“異常”現象[5]。

學生在實驗過程中，常因試劑選擇不當而出現出人意料的“異常”現象。如在Mn元素化學實驗中，教材上強調用KMnO4的熱分解產物(K2MnO4和MnO2)來試驗K2MnO4在弱酸、中性和堿性介質中的反應情況[5]，如圖4所示。

圖4 K2MnO4在弱酸、中性和堿性介質中的反應實驗流程

但在具體實驗時，有學生用圖3中E3溶液代替KMnO4的熱分解產物(K2MnO4和MnO2混合物)進行K2MnO4性質驗證實驗，即在與于堿性介質中反應得到的綠色溶液E3中滴加2 mol·L-1HAc溶液。如上所述，在弱酸性介質中，歧化為和MnO2(如溶液)，這是正常現象，但在溶液中繼續滴加2 mol·L-1HAc溶液，棕色沉淀溶解，得到無色透明溶液。表面上看，這似乎有兩種可能：1)和MnO2都與HAc發生氧化還原反應形成了Mn2+而使溶液呈現無色？2)與HAc發生了氧化還原反應形成了Mn2+，而同時MnO2溶于HAc形成了什么無色物質？實際上，大家都知道HAc很穩定，不能被和MnO2氧化分解。

比較形成B2與A2溶液所加入的試劑，顯然是由于B2溶液中還存有，所以在B2溶液中加入適量2 mol·L-1HAc溶液酸化后，其中的發生歧化反應所產生的首先與體系中還存有的發生了反應(或者說使褪色，見反應方程式(3))而得到溶液，此時，學生不禁要問，為什么溶液中MnO2沒有與發生反應呢？是體系中沒有還是酸度不夠，或者是MnO2根本不能與反應?

要弄清楚這個問題，首先我們從理論上對MnO2能否與反應進行分析。

已知酸性介質中[6]，φ?(MnO2/Mn2+) = 1.23 V，φ?(NO3-/HNO2) = 0.94 V，則φ?(MnO2/Mn2+) >φ?(/HNO2)，即酸性介質中，MnO2能與發生氧化還原反應。事實上，在溶液中繼續滴加2 mol·L-1HAc溶液就得到無色溶液，實驗結果證實了在更大酸度介質中MnO2能與發生反應，如反應方程式(13)。此“異常”實驗現象也說明了酸度對MnO2與NO2-反應的影響。

上述實驗過程中出現的“異常”現象均是由于體系中一種反應物或過量所致，提醒學生在實驗過程中控制試劑用量的科學性和重要性。

4 結語

通過演示實驗，總結了學生在Mn元素化學實驗過程中所出現的一些“異常”現象，看似是偶然的某一反應條件沒有控制好產生的“異常”現象是偶然中的必然，也是“異常”中的“正常”現象，也反映了化學的多變及化學反應之美。引導學生分析、探究這些“異常”現象產生的原因，不僅能培養學生實事求是、嚴肅認真的學習態度，更能激發學生不斷探索，勇于創新的精神以及敏于觀察、勤于思考、善于動手的良好習慣。