基于主线式实验情境探究水溶液中多变的配合物

摘要

以人教版（2019版）高中化学选择性必修二《物质结构与性质》中“配合物”相关内容为依托，创设以［Cu（NH₃）₄］SO₄溶液作为工业电解液的情境，引导学生观察、认识多种颜色的含铜化合物，从颜色、溶解度等性质差异入手，辨析Cu^2＋在水溶液中的不同存在形式。通过设计实验探究配离子与沉淀之间的转化，揭示该转化过程的本质是化学平衡的移动。这种基于情境与问题驱动的教学模式，能够帮助学生深入理解配合物的形成与解离原理，并促进他们在知识整合、批判性思维、实验探究及解决实际问题能力等方面的综合发展。该案例力求在知识理解、思维训练与实践应用3个层面推动学生化学学科核心素养的落实，从而为高中配合物相关内容的课堂教学提供具有可操作性、启发性的有效范例与教学参考。

Graphical abstract

关键词

主线式实验情境 / 水溶液 / 配合物 / 平衡移动

许多化学课堂，被“实验视频”“口头实验”所充斥，学生往往失去了做实验的机会，逐步导致实验操作能力下降，虽然中考在重视实验考查，但“杯水车薪”。如何更好地实施实验教学，是一个值得思考的问题，这也反映出社会各界重视实验教学的意识正在普遍提升。通过阅读文献，笔者发现实验教学的研究正处在不断深入的阶段，主要集中在教学工具、实验呈现形式、纸笔测试、教学方法等领域^［1-4］。主线式实验情境教学是一种创新且富有成效的教学策略。该教学策略通过精心设计一条连贯的实验主线，创设沉浸式情境，引导学生在完整的实验探究过程中，深刻理解化学学科的本质。

1 教材内容分析

笔者以人教版（2019版）高中化学选择性必修二《物质结构与性质》第三章第四节配合物与超分子的第一部分内容为研究对象，分析其在教学中存在的问题，希望从中找出解决之道。

目前，课程标准对配合物与超分子的学业要求并不高，即对配合物的学业要求仅是知道配合物的特点，认识简单的配位化合物的成键特征，了解配位化合物的存在与应用；而对超分子的学业要求是从原子、分子、超分子等不同尺度认识物质结构的意义。教材以实验的方式引出问题，从解释实验现象的变化出发，阐述配位键和配位化合物等内容；对超分子的介绍是通过典型例子阐述超分子的重要特征。这一对比结果说明，教材对配合物的学业要求应高于超分子。课程标准由此提出了具体的学业要求：能说出配位键的特征；凭借配位键去解析配合物的一些典型特质；能够列举出配合物在生物学、化学等方面的运用实例。此部分的学业标准高于超分子，也就是要能举例阐述物质在原子、分子、超分子以及聚集态等不同尺度上的结构特性给物质性质带来的影响。

教材通过铜离子与水、氯离子、氨的配位，铁离子与硫氰根离子的配位，以及银离子与氨的配位等多个演示实验，展示了多种配离子的形成，进而介绍了配位键的形成条件、特征以及配合物的概念。基于这一教材内容与结构，笔者设计相关课例，旨在引导学生从反应原理的层面去认识配合物，最终达成对配合物形成原理的深入理解^［5］。

【教学目标】认识水溶液中铜离子的不同存在形式；初步学会配合物的制备，即学生能进行规范的实验操作，从而为实验探究奠定操作基础；能够理解配合物形成的原理，并能设计实验方案展开探究，即通过定量计算，掌握从计算角度论证化学反应发生的可能性以及比较配合物稳定性的方法。

2 教学流程

针对该课例，笔者以“颜色变幻”这一极具吸引力的宏观现象为明线，以“配位平衡移动”这一微观本质为暗线，精心设计了“初见多色的含铜化合物”“探秘配合物的形成”“形成配合物的原理”的主线式情境，从而成功地将一个抽象的微观概念（配合物）转化为一段可视、可探、可思的科学探究旅程，让学生在解决真实问题的过程中，自主建构知识，深刻理解化学平衡思想的强大解释力，最终实现对配位化学世界从“知其然”到“知其所以然”的认知飞跃。其教学流程如图1所示。

3 课堂实录

【演示】分别以硫酸铜溶液和硫酸四氨合铜溶液作为电解液，借此电镀铜，并对比两者的镀铜效果。

【现象】硫酸四氨合铜溶液作为电解液，在实验过程中会形成更致密的铜层。

【设问】硫酸四氨合铜溶液的溶质为［Cu（NH₃）₄］SO₄，其结构是怎样的呢？

【设计意图】在学生掌握了用硫酸铜溶液电解精炼铜的原理后，教师引出工业上更多采用硫酸四氨合铜（Ⅱ）溶液的事实，通过这一认知落差，激发学生对其优越性的探究兴趣。

环节一：初见多色的含铜化合物。

【问题】你了解哪些固态含铜化合物，分别呈什么颜色？

【实验1】将表1中的少量固体溶于足量的水中^［6］，观察实验现象并将相关情况填写于表1之中。

【追问】CuSO₄·5H₂O的颜色是什么？

【结论】实验结果证明，上述实验中呈蓝色的物质是四水合铜离子，其结构如图2所示。

【练习】试根据以上存在形式改写CuSO₄·5H₂O化学式_____________________。

【设计意图】通过实验证明，Cu^2＋在水溶液中或有水存在的情况下，以［Cu（H₂O）₄］^2＋的形式存在；在通常情况下，一般是将［Cu（H₂O）₄］^2＋简写为Cu^2＋。

环节二：探秘配合物的形成。

【引入】在工业上，常用的硫酸四氨合铜（Ⅱ）溶液是如何制取的呢？

【实验2】向盛有4 mL 0.1 mol/L CuSO₄溶液的试管里滴加几滴1 mol/L氨水，首先形成难溶物，继续添加氨水并振荡试管，观察实验现象；再向试管中加入极性较小的溶剂（如加入8 mL 95%乙醇），并用玻璃棒摩擦试管壁，观察实验现象。

【任务】请书写上述过程中发生反应的反应方程式。

【符号表征】反应①：Cu²⁺+2NH₃·H₂O=Cu（OH）₂↓+ 2NH₄⁺；反应②：Cu（OH）₂+4NH₃=［Cu（NH₃）₄］（OH）₂， ［Cu（NH₃）₄］（OH）₂全部电离产生［Cu（NH₃）₄］²⁺、OH^－；总反应：Cu²⁺+4NH₃=［Cu（NH₃）₄］²⁺。

【设计意图】从实验角度，得到配离子与沉淀之间、沉淀与配离子之间、配离子与配离子之间均存在转化现象，且本质上是化学平衡的移动的结论。

环节三：再探形成配合物的原理。

【思考与讨论1】分析上述实验过程，比较四水合铜离子与四氨合铜离子稳定性的强弱。

【学生】从结果看，四氨合铜离子的稳定性更强。

【原因分析】四水合铜离子在加入氨水后，转化为氢氧化铜沉淀，说明沉淀要更为稳定；而四氨合铜离子由氢氧化铜转化而来，说明四氨合铜离子的稳定性更强。

【思考与讨论2】已知CuS为黑色沉淀，请讨论如何得出四氨合铜离子与CuS稳定性强弱的方法。试剂：0.1 mol/L CuSO₄溶液、饱和氨水、1 mol/L氨水、CuS粉末、0.1 mol/L Na₂S溶液。

【实验3】取少量0.1 mol/L CuSO₄溶液，向其中逐滴滴入1 mol/L氨水，得到深蓝色溶液后再滴加Na₂S溶液，观察实验现象。

【实验现象】向深蓝色溶液中滴入Na₂S溶液后，得到黑色沉淀。

【实验4】取一定量CuS粉末并置于试管中，向管中加入少量水，再滴入饱和氨水，观察实验现象。

【学生分组实验】学生以小组为单位按实验4方法操作。

【实验现象】黑色粉末没有明显变化。

【结论】四氨合铜离子的稳定性弱于CuS（四氨合铜离子易转化为CuS）。

【思考与讨论3】已知［Cu（NH₃）₄］²⁺存在平衡，则有：

Cu²⁺+4NH₃\rightleftharpoons［Cu（NH₃）₄］²⁺，K=\frac{c\{\mathrm{C}\mathrm{u}[(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{)}_{\mathrm{4}}{]}^{\mathrm{2}+}\}}{c(\mathrm{C}{{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}}}^{+})c^{\mathrm{4}}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}})}=10^13.32；K_sp［Cu（OH）₂］=c（Cu²⁺）c²（OH^-）=2.6×10^-19；K_sp（CuS）=c（Cu²⁺）c（S^2-）=1.27×10^-36。

进而，反应Cu（OH）₂+4NH₃=［Cu（NH₃）₄］²⁺+2OH^-的K=。

【追问】结合上述数据论证反应：［Cu（NH₃）₄］²⁺＋S^2-=CuS↓＋4NH₃能否发生？

【思考与讨论4】通过上述练习，你的收获是什么？

【学生】可以通过平衡常数的公式计算出转化反应的平衡常数，据此判定转化反应的进程，继而判定反应能否发生。

【学以致用】①预测：向硫酸四氨合铜（Ⅱ）溶液中加入铁钉，能否产生红色固体；②工业上常用硫酸四氨合铜（Ⅱ）溶液作为电解液，为何能形成更致密的铜层。

【结束语】今天所学的内容，只是无比丰富的配合物世界的冰山一角。配合物刷新了我们对化学反应本质的理解，对此，我们应在深耕已知知识过程中不断探索未知的世界。配位键的智慧告诉我们，卓越的人生既要有担当核心的定力，也要有协同合作的胸怀。

【设计意图】提出问题，引导学生设计实验，在实践中得出结论，进一步证明转化现象的存在；再通过提供配离子的“电离常数”、沉淀的溶度积常数，从计算的角度得出沉淀与配离子之间的转化原理。教学实践证明，先有计算模拟与预测，再有实验验证与优化，符合现代化学的认知思路。将直观的实验教学引向定量数据分析，能培养学生的高阶思维，从而将学生的学习引向深度学习。

【板书设计】笔者设计的板书如图3所示。

【课后作业】查阅资料，了解配合物在医药科学、化学催化剂、新型分子材料等领域的应用情况。

4 教学反思

4.1 构建主线情境，深化知识理解

以“探秘配合物的形成”为主线，串联基础知识、性质与应用。例如：从蓝色硫酸铜溶液切入，通过滴加氨水等实验，引导学生探究颜色变化背后的配位键原理；联系电镀工业等真实情境，阐释硫酸四氨合铜（Ⅱ）为何能使镀层更致密，让学生超越理论，理解学科的社会价值，促进核心素养发展。

4.2 强化实验操作，夯实实践根基

增加学生动手机会是关键。教师可通过开放实验、组织社团、优化小组合作实验等方式实现，如利用课余时间开放科学实验室，鼓励学生参与项目式学习与兴趣小组活动。加强实验考核与反馈，将学生的操作能力、团队协作与创新表现纳入评价体系，通过实验报告、操作考试、过程性记录等方式促使学生规范操作，从而有针对性地提升其实践能力与科学素养。

4.3 论证指引实操，实操深化探究

在高二教学阶段，教师应该着力培养学生的实验设计与科学论证能力。为此，教师在教学中需要进行分层设计，通过搭建问题支架、提供必要的信息等方式，引导大多数的学生达成核心素养水平2至3级的要求；还需要大力推行团队合作探究的方式，使步骤实施、现象观测与结论分析协同并进；通过“论证”（如计算推理）指导“实操”，再以“实操”验证和修正理论，从而培养学生的创新意识，推动其科学思维发展。

核心素养导向下的传感器系列自制教具，坚持以教材为依托、以学生为中心、以生活为素材，将抽象的物理原理与规律转化为可观察、可操作、可探究的具体学习载体。教具的设计、制作与教学应用，不仅丰富了物理实验教学的形式与内容，有效提升了课堂质量，更在引导学生进行知识建构、能力发展与价值体认的过程中，有机渗透并培育了其物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任等核心素养。作为中学物理教师，我们应该持续挖掘现实生活中的物理教学资源，通过开发与应用自制教具，将抽象知识转化为直观体验，为核心素养导向下的物理教学注入更多活力，激发学生的科学探究兴趣，从而助力学生全面发展。

参考文献

[1] 谭宇凌，温金菊，何宇宁.Arduino开源电子平台在化学实验教学中的应用［J］.化学教育（中英文），2025，46（15）：86-89.

[2] 田宗明，徐丽萍，王叶.智慧仿真基础化学实验设计及教学实践研究［J］.化学教育（中英文），2025，46（14）：87-94.

[3] 袁丽娟，卢颖，何少萍.促进科学探究实践与思维模型建构的微型化学实验装置的开发与应用［J］.化学教育（中英文），2025，46（15）：105-109.

[4] 庞红梅，刘江田.化学实验与定量计算复习大单元教学设计：以“硫酸铜晶体制备与相关测定”为例［J］.中学化学教学参考，2024（10）：54-57.

[5] 彭志勇，钟得洪，黄梅.探究配位键的形成条件［J］.化学教育（中英文），2023，44（21）：97-100.

[6] 高誉.《物质结构与性质》三版本教科书的比较研究：以高中化学“课标”中该模块两主题的编排为例［D］.桂林：广西师范大学，2010. （上接第51页）

[7] 后续工作将通过补充传感器在现代农业、智能生活等前沿领域的应用案例，丰富教学情境，有针对性地完善课程内容，最终构建更系统化的核心素养培育路径。

[8] 结语

基金资助

首届湖南省基础教育教学改革研究项目“高中化学主线式情境教学设计与实施的实践研究”(Y20230669)

第三届湖南省基础教育教学改革研究项目“核心素养背景下的高中化学实验教学设计案例研究”(25JGYB0363)

第三届湖南省基础教育改革重点项目“核心素养导向下初中物理实验‘四链’教学实践研究”(25JGZD0053)