冠醚识别碱金属离子创新表征

摘要

碱金属离子的直径处于冠醚空腔直径的范围内，利用其可以形成超分子。采用18-冠-6对钾离子进行识别，并利用电导率传感器进行检测时发现：向氯化钾溶液中加入18-冠-6后，溶液的电导率会下降，这一现象充分证明钾离子进入了18-冠-6的空腔中，从而验证冠醚具有识别碱金属离子的功能。

Graphical abstract

关键词

电导率传感器 / 18-冠-6 / 冠醚 / 碱金属离子 / 氯化钾溶液 / 创新 / 表征

冠醚这一知识点，源于2019年人教版高中化学选择性必修2《物质结构与性质》第三章第四节“配合物与超分子”。引入冠醚的目的是介绍超分子实例——冠醚识别碱金属离子，借此引导学生认识到冠醚与碱金属离子会形成超分子。教材介绍冠醚有识别功能，以及不同冠醚对碱金属离子的识别，但未设计实验验证这一识别功能。为此，笔者设计相关的创新实验，用其表征这一识别功能，以帮助学生快速建构相关概念。

1 冠醚运用介绍

在美国杜邦公司工作的Pedersen，于1967年偶然合成了第一个冠醚分子——二苯并18冠6，他认为，在络合钾离子的冠醚配合物中，“钾离子落到分子中心的洞里”，形状很像皇冠，遂将这类化合物命名为冠醚^［1］。表1为冠醚识别钾离子的介绍材料，图1为形成的超分子示意图。

基于冠醚分子结构可知，其在水中溶解度较低。相对而言，冠醚易溶于有机溶剂，一般作为相转移催化剂。例如，酸性高锰酸钾溶液与甲苯反应很难褪色或褪色时间过长，且酸性高锰酸钾溶液在水相中，而甲苯在有机相中，甲苯几乎不溶于水。因此，甲苯与具有强氧化性的高锰酸根离子很难发生碰撞，同时水相中的离子大多是水合离子，而离子被水分子包围，更进一步减少了高锰酸根离子与甲苯分子的接触，降低了它们发生碰撞的概率。应用相转移催化，即在两相体系中加入少量的在有机相和水相中都能溶解的试剂，即相转移催化剂，则相转移催化剂可穿过两相之间的界面，从而把反应粒子（如高锰酸根离子）从水相转移到有机相中（甲苯），使它与有机相中的溶质发生反应，在此过程中相转移催化剂没有损耗。

在上述反应中，相转移催化剂就是冠醚，冠醚溶解于甲苯中，由于冠醚对K⁺的识别，只要通过不断振荡或搅拌，K⁺就不断地从水相中转移到有机相中。基于静电作用，高锰酸根离子也被从水相中转移到有机相中，冠醚不与高锰酸根离子结合，使游离或裸露的高锰酸根离子反应活性很高，从而使氧化反应迅速发生。

2 实验创新

18-冠-6为白色晶体，可溶于水。教材中描述了冠醚对碱金属离子有识别作用，但未安排相关实验加以验证。基于教材知识，笔者决定对实验进行如下设计：向氯化钾溶液中加入18-冠-6，测定电导率的变化，分析原因，比较并得出结论。基于冠醚识别钾离子的知识点，能帮助学生认识离子半径对冠醚识别的影响，笔者利用18-冠-6设计以下实验，并进行相关研究。

【实验仪器】磁力搅拌器、电导率传感器、数据采集器、计算机、烧杯、电子天平。

【实验试剂】18-冠-6、氯化钾、蒸馏水。

实验说明：向氯化钾溶液中加入18-冠-6，借此测定电导率的变化。

【实验装置】实验装置如图2所示。

【实验步骤】

（1） 按图2所示组装好实验装置，固定好电导率传感器并将其与数据采集器、计算机相连接。

（2） 先向烧杯中加入0.01 g氯化钾，再用60 mL蒸馏水将其溶解。

（3） 把电导率传感器的探头插入烧杯中，使其末端浸泡在氯化钾溶液中，即可开始采集数据。

（4） 向烧杯中加入约0.1 g 18-冠-6，观察计算机屏幕上的曲线变化。

【实验现象及解释】氯化钾溶液的电导率明显下降，K⁺离子被18-冠-6络合，形成较大体积的阳离子，让迁移速率变慢，相当于溶液中氯化钾的浓度变低，溶液的电导率显著下降。

【实验评价】

（1） 凭借电导率传感器，就使溶液中电解质浓度的变化达到了可视化、直观化的效果，一方面解决了是否有离子转移的困惑，另一方面为离子转移提供了有力的证据，增强了实验的说服力；手持技术数字化实验的运用，为学生提供了一个新的观察视角，提高了学生利用科学手段分析和解决问题的能力。

（2） 实验过程具有宏微结合特点，符号和曲线表征能帮助学生进一步增强证据意识。

（3） 从“三重表征”上升到“四重表征”，培养了学生观察、描述、分析、归纳总结实验现象的能力，树立了学生的科学探究与创新意识，提高了学生的宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养。

参考文献

[1] 苏成勇，潘梅.配位超分子结构化学基础与进展［M］.北京：科学出版社，2010.

[2] 王晶，郑长龙.普通高中教科书化学选择性必修2·物质结构与性质［M］.北京：人民教育出版社，2020. （上接第73页）

[3] 使红色纸花褪色，而氯水却具有漂白性，对比效果明显，易于被学生所接受。随着时间的推移，发现干花也有褪色现象，分析原因：①KMnO₄固体与浓盐酸反应本身就有水生成。②水分子是在不断运动的。在密封体系中，湿花上的水分子会少部分转移到干花上。③夏天的高温会加速水分子的运动。

[4] 改进优点

[5] 利用生活中常见物品进行实验设计和探究，兼具生活化和趣味性，符合化学实验的绿色化和微型化要求。

[6] 实验简单易行，节约药品，现象明显，展现了化学实验的美，既可用于学生分组实验，也可用于演示实验（可以加大药品用量）。

[7] 自封袋能创设一个密封环境，避免了有毒气体的泄漏。该装置还可用于不需加热的气体制备和性质实验，尤其是有毒气体，如二氧化硫、硫化氢等。