开放式化学实验设计

摘 要： 本文设计了一个开放式化学实验，利用水热技术制备多金属氧酸盐配合物，通过X-单晶衍射、FT-IR、TG、EA等表征手段对配合物的组成和结构进行表征。同时利用Uv-vis技术考察该配合物降解有机染料的效果。通过本实验操作和学习，学生可以了解水热法的操作步骤，配合物的常用表征手段及考察配合物降解染料效果的方法。该实验综合了化学理论知识、无机化学和分析化学中的实验技能，有利于培养知识广、基础扎实、能力强、素质高的优秀大学生，同时激发大学生的科研兴趣和创新能力。

关键词： 开放式化学实验 多金属氧酸盐配合物 光催化 能力

实验教学是高等教育的重要组成部分。开放式实验教学以培养大学生的创新能动性为前提，突出化学实验的研究与应用。一改过去“照方取药”的实验教学模式，大学生可以根据自己所学化学理论知识与兴趣选做专业内实验。在完成基础性实验内容后，可酌情安排开放式化学实验，其可以发挥学生的主观能动性，激发其创新意识。鼓励学生通过查阅相关知识领域文献资料，设计和制订可行方案。实验完成后自行对所得数据进行处理与分析，考查学生解决问题和数据处理的能力。

多金属氧酸盐以其丰富的结构类型和特异、优良的物理化学性质，在催化、材料科学、生物化学及医学等领域具有广泛的应用前景。本实验以多金属氧酸盐为建筑单元、利用金属离子配合物作为扩展结构的连接体，得到多金属氧酸盐配合物。该配合物耦合了多金属氧酸盐的催化性能和配合物结构的孔道结构，因此可以作为一种新型的光催化材料用于环境中污染物的降解。

本实验以硅钨酸H■SiW■O■、有机配体MOPIP、金属盐MnCl■・4H■O为反应原料，水为溶剂，在165℃的水热条件下制备得到多金属氧酸盐配合物。通过X射线-单晶衍射、红外（FT-IR）、热重（TG）等实验表征手段对配合物的组成和结构进行表征。利用紫外可见光谱（Uv-vis）对配合物光催化降解目标污染物罗丹明B和亚甲基蓝的降解效果进行表征。为环境中有机染料的降解提供绿色新的解决方法。

1.实验部分

1.1实验试剂和仪器

邻菲啉衍生物MOPIP配体按照已发表的文献合成[1]，金属盐MnCl■・4H■O，硅钨酸（H■SiW■O■），罗丹明B（RhB）、亚甲基蓝（MB）和氢氧化钠均在国药集团化学试剂有限公司购得，且未做纯化。布鲁克公司SMARTAPEXⅡCCDX-射线衍射仪，Perkin-Elmer240C元素分析仪，NicoletNexus470FT-IR分光光度仪，Netzsch STA449C热重分析仪，岛津UV-2450紫外可见分光光度计。

1.2配合物结构的表征

配合物单晶结构采用布鲁克公司SMART APEXⅡCCD X-射线衍射仪测定。配合物的元素（C，H，N）分析采用Perkin-Elmer 240C元素分析仪。红外光谱是采用Nicolet Nexus 470 FT-IR分光光度仪，用KBr进行压片，在400-4000cm■范围内扫描得到。热重实验采用Netzsch STA449C热重分析仪，以10℃/min为升温速度，在0℃至1200℃温度范围内进行测定。

1.3配合物结构的制备

将反应物MnCl■・4H■O（0.048g，0.25mmol），H■SiW■O■（0.35g，0.12mmol），MOPIP（0.082g，0.25mmol）和H■O（18mL）放入烧杯中，在室温下搅拌30min，并加入NaOH溶液调节pH为6，然后将混合物装入25mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，在165℃下恒温晶化5天，以5℃/h的速度梯度降温至室温。产物经过去离子水多次洗涤、过滤后得到红色针状晶体，产率为59%。

1.4光催化降解罗丹明B和亚甲基蓝的实验

实验以氙灯作为紫外光光源，罗丹明B（RhB）和亚甲基蓝（MB）溶液的初始浓度为2×10■mol/L。称取100配合物样品，超声分散在100mL罗丹明B（或者亚甲基蓝）溶液中。将混合溶液装入石英的反应瓶中，加入磁性转子，连接好光化学反应器。实验开始后，先在暗反应条件下搅拌30min，开灯后每隔30min抽取样品溶液，离心，取上层清液，采用UV-2450紫外分光光度计对溶液中染料吸收峰的强度进行考察。

2.实验结果与讨论

通过X射线-单晶衍射、红外光谱、元素分析、热重等对配合物的结构进行表征，表明配合物的结构为双核的结构，其可以通过π-π堆积形成一维链，并进一步扩展为二维平面结构及三维超分子结构。利用紫外可见光谱对配合物的光催化降解实验进行考察，从谱图中可以观察到目标污染物罗丹明B和亚甲基蓝的吸收峰明显降低。此外用肉眼明显看到，目标污染物罗丹明B的溶液由红色变为白色，亚甲基蓝的溶液由蓝色变为无色。从上面的光催化实验结果可以得到合成的配合物对染料具有广泛性的降解效果。

学生通过本开放实验学习和操作，可以掌握无机化学实验中的基本操作，如准确称量、配制溶液、pH值测定；仪器分析化学中关于利用KBr压片法测定配合物的红外光谱、熟悉和掌握紫外可见分光光度计、元素分析仪的操作步骤和准确使用。学生除了需要正确熟练地掌握上述化学实验基本操作技能外，还应具有处理和分析数据能力，即使用计算机对上述得到的数据进行作图和分析。其中包括运用Shelxl软件对所得晶体数据进行解析，并用Diamond软件画出晶体结构图；应用Excel和Origin软件做出和处理红光光谱仪得到的红外谱图，紫外分光光度计得到的催化降解谱图，以及热重分析仪得到的热重图谱。

此外，本开放实验可以培养学生利用所学理论知识对谱图进行分析，如红外谱图中吸收峰的位置应归属于何种基团的振动，热重谱图中每个阶段的失重归因于配合物种哪种基团的分解等。

水热法是制备功能材料一种最简单、优异的合成方法，采用此方法可以合成结构多样且具有功能性的新型材料。我们将具有催化活性的多金属氧酸盐和结构可控的配合物进行组装，得到了结构多样的多金属氧酸盐配合物。该多金属氧酸盐配合物是一种新型光催化材料，其可以利用环境友好且绿色的光催化技术达到降解污染物的目的。设计该开放实验旨在培养学生的综合能力，让学生熟练实验基本技能，熟练数据处理技巧，提高分析数据的能力，增强理论学习的实用性，为学生以后搞科研、写论文、工作打下良好基础。

参考文献：

[1]（a）Y.J.Huang，Y.C.Cui，G.Du，ChinJ.Inorg.Chem.25，1882（2009）；（b）B.Liu，S.Zhou，X.M.Li，C.B.Li，Chin.J.Struct.Chem.27，1195（2008）；（c）L.Wang，L.Ni，J.Coord.Chem.65，1475（2012）.