三氯化六氨合鈷(Ⅲ)制備實驗的綠色化改進

房川琳，李俊玲，鄒 清，李 靜，宋紅杰

(四川大學(xué) 基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心，四川 成都 610064)

三氯化六氨合鈷(Ⅲ)的制備等基礎(chǔ)無機化學(xué)實驗不僅涵蓋了對學(xué)生基本化學(xué) “思維能力”和化學(xué) “實踐動手能力”的培養(yǎng)，而且對學(xué)生實驗綜合與創(chuàng)新能力的提升也大有裨益[1－2]。然而，該實驗中用到的試劑，如濃鹽酸、濃氨水等大多具有揮發(fā)性與刺激性氣味，因此對實驗方案的改進及實驗試劑的減量迫在眉睫[3－5]。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

三氯化六氨合鈷在日常生活中常被用作合成其他一些Co(Ⅲ)配合物的原料。在實驗中，通常采用Co(Ⅱ)與氯化銨和氨水作用，利用活性炭做催化劑，經(jīng)過氧化后得:

2CoCl2＋10NH3＋2NH4Cl＋H2O2=2[Co(NH3)6]Cl3＋2H2O式中，[Co(NH3)6]Cl3為橙黃色晶體，20℃時在水中的溶解度為0.26 mol/L。

1.2 主要儀器與試劑

1.2.1 主要儀器

包含電子天平(LT502E，常熟市天量儀器有限責任公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(101－2A，北京中興偉業(yè)儀器有限公司)；水循環(huán)式真空泵(SHB－3，鄭州江城科工貿(mào)有限公司)；加熱型磁力攪拌器(isotem1110249sh，fisher scientific)；制冰機(SIM－F140AY65－PC，panasonic)和紫外分光光度計(U－2910， hitachi)。

1.2.2 主要試劑

包含CoCl2·6H2O(天津市致遠化學(xué)試劑有限公司)、NH4Cl、粉末狀活性炭、濃氨水、30%的H2O2、濃鹽酸和乙醇。試劑除CoCl2·6H2O外，其余均為成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)，所有試劑均為分析純，合成用水均為去離子水。

1.3 實驗步驟

1.3.1 三氯化六氨合鈷的制備

目前，三氯化六氨合鈷制備的學(xué)生實驗按照大學(xué)化學(xué)實驗教材中的方案[6]進行，起始原料的用量分別為6 g CoCl2·6H2O和4 g NH4Cl。在實驗試劑減量改進的過程中，先將起始原料用量降至原用量的二分之一(如圖1中方案Ⅰ所示)。在實驗試劑減量的同時，進行實驗步驟的簡化，將產(chǎn)品重結(jié)晶的步驟省去(如圖1中方案Ⅱ所示)。在確保實驗步驟簡化方案可行的基礎(chǔ)上，實踐了進一步試劑減量(起始原料用量將至原用量的四分之一)及實驗步驟簡化的實驗方案(如圖2中方案Ⅲ所示)。

圖1 方案Ⅰ和方案Ⅱ流程圖

圖2 方案Ⅲ流程圖

1.3.2 產(chǎn)品鑒定

1)產(chǎn)品外觀。

2)產(chǎn)品紫外分析。

方案Ⅰ～方案Ⅲ的產(chǎn)品進行紫外分光光度計(U－2910，hitachi)檢測，配置各產(chǎn)品待測液，濃度均為1.71 mmol/L，通過檢測各產(chǎn)品待測液紫外最大吸收值均在467 nm，詳見結(jié)果與討論。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品鑒定

2.1.1 產(chǎn)品外觀

鈷(Ⅱ)與氯化銨和氨水作用，經(jīng)氧化后一般可生成紫紅色的二氯化一氯五氨合鈷、磚紅色的三氯化五氨一水合鈷和橘黃色的三氯化六氨合鈷[7]三種產(chǎn)物。合成產(chǎn)品的過程中，由于反應(yīng)試劑計量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度的控制不同，均可能得到不同的化合物。本文中方案Ⅰ～方案Ⅲ實驗產(chǎn)品外觀如圖3所示。

圖3 方案Ⅰ～方案Ⅲ產(chǎn)品外觀圖

方案Ⅰ～方案Ⅲ產(chǎn)品外觀均為橘黃色晶體，可初步判斷產(chǎn)物為三氯化六氨合鈷([Co(NH3)6]Cl3)。

2.1.2 產(chǎn)品紫外吸收

如圖4所示，從產(chǎn)品的紫外吸收檢測結(jié)果可知，三個方案所得產(chǎn)品的紫外最大吸收值均在476 nm，結(jié)合產(chǎn)品外觀，可確認各方案合成的產(chǎn)品均為三氯化六氨合鈷([Co(NH3)6]Cl3)。

圖4 方案Ⅰ～方案Ⅲ產(chǎn)品紫外吸收圖譜

2.2 產(chǎn)率

如表1所示，給出了三種方案的產(chǎn)率對比。

表1 方案Ⅰ～方案Ⅲ產(chǎn)率

三名實驗人員(表中編號為1，2，3)分別獨自完成了方案Ⅰ～方案Ⅲ的三個實驗。實驗結(jié)果顯示，方案Ⅰ與方案Ⅱ?qū)嶒灝a(chǎn)率進行對比，當起始原料用量一致時，方案Ⅱ簡化產(chǎn)品結(jié)晶(省略重結(jié)晶)的步驟，使得產(chǎn)率升高。其中，組1由55.49%升至59.64%；組2由50.15%升至57.27%；組3由56.38%升至63.50%。該結(jié)論符合重結(jié)晶會損失產(chǎn)率的一般規(guī)律。方案Ⅱ與方案Ⅲ實驗產(chǎn)率進行對比，當方案均簡化產(chǎn)品結(jié)晶(省略重結(jié)晶)的步驟時，方案Ⅲ將起始原料用量進一步減半，產(chǎn)率均略有降低(但均高于方案I中的產(chǎn)率)，這主要是因為原料起始用量越少，各項誤差對產(chǎn)率的影響越大。綜上所述，方案Ⅲ中實驗步驟的簡化與起始原料用量的減少，不僅實現(xiàn)了實驗的環(huán)保性與綠色化，同時也保障了實驗的產(chǎn)率。

2.3 實驗改進方案的可行性分析

實驗改進方案Ⅲ在四川大學(xué)化學(xué)專業(yè)的無機化學(xué)實驗中首先展開，本年度春季學(xué)期共計220名學(xué)生在實驗中采用了新方案。除極個別同學(xué)由于自身操作等問題導(dǎo)致實驗失敗外，大多數(shù)同學(xué)均能順利完成實驗，所得橘黃色產(chǎn)品質(zhì)量從0.69～1.15 g(產(chǎn)率從40.83%～68.04%)。然而，實驗中省略的重結(jié)晶步驟在大學(xué)化學(xué)實驗中無疑是學(xué)生需要掌握的一項重要實驗操作技能。為此，在無機化學(xué)實驗技能訓(xùn)練中設(shè)有重結(jié)晶的專項操作練習，此外在有機制備實驗乙酰苯胺的合成中也涉及有對學(xué)生重結(jié)晶操作技能的訓(xùn)練。

3 結(jié)束語

本文三氯化六氨合鈷的無機合成實驗省略了重結(jié)晶步驟，減少了揮發(fā)性濃鹽酸試劑的使用，在其他試劑用量上也減至原有方案的1/4。從而大大降低了學(xué)生實驗中對環(huán)境造成的污染，為化學(xué)實驗室建成綠色實踐平臺提供了保障[8－10]。

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