林曉輝，董 建，陳紅余，葛燕青，王曉雁，方紹杰

（泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院，山東泰安 271016）

“廠旁”實驗
——三草酸合鐵酸鉀實驗的設(shè)計與實踐

林曉輝，董 建，陳紅余，葛燕青，王曉雁，方紹杰

（泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院，山東泰安 271016）

將經(jīng)典無機(jī)化學(xué)實驗——三草酸合鐵（III）酸鉀設(shè)計成一個超長學(xué)時的大綜合“廠旁”實驗，面向化學(xué)工程類專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)，對培養(yǎng)卓越化學(xué)工程師具有重要意義。除了涵蓋了大學(xué)階段所學(xué)的大量的化學(xué)實驗技能和眾多課程的理論知識，該實驗更是從生產(chǎn)廠家的角度滲透了項目考察、項目設(shè)計、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品檢驗、廢棄物處理等問題，同時體現(xiàn)了綠色化、探究性、設(shè)計性。

廠旁；大綜合；卓越工程師；綠色化；探究性；設(shè)計性

教育部提出的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”項目，是國家振興工程教育進(jìn)行的一次重大舉措，對提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量、促進(jìn)工程教育和工程師的國際互認(rèn)具有重要意義［1］。許多教育工作者在如何進(jìn)行卓越工程師培養(yǎng)方面做了大量研究，如建設(shè)化工專業(yè)聯(lián)盟［2］、畢業(yè)設(shè)計面向企業(yè)需求［3］等，但是能夠涵蓋大量大學(xué)階段所學(xué)實驗技能及理論的、體現(xiàn)工廠生產(chǎn)實踐的、超長學(xué)時的大綜合“廠旁”實驗研究及實踐未見報道。

三草酸合鐵（III）酸鉀實驗涵蓋較多無機(jī)化學(xué)實驗操作和理論，在南開大學(xué)［4］、上海交通大學(xué)［5］以及我校等眾多高校中開設(shè)。該實驗傳統(tǒng)、經(jīng)典，隨著新技術(shù)和新思想的發(fā)展，有關(guān)該實驗的探索、改進(jìn)、思考仍在進(jìn)行［4－6］。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對該實驗進(jìn)行了較多方面的綠色化、探究性、設(shè)計性改進(jìn)，同時豐富整合了該實驗的內(nèi)容，其理論知識除了涉及無機(jī)化學(xué)外，還涉及到了分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理、結(jié)構(gòu)化學(xué)等課程，并滲透工廠生產(chǎn)模式，形成了一個大綜合化“廠旁”實驗，面向化學(xué)工程類專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)。本文主要以教學(xué)順序為線索，在實驗綠色化探究性設(shè)計性改進(jìn)、大綜合化角度整合、工廠化生產(chǎn)模式及實驗?zāi)K安排方面加以論述。

1 預(yù)習(xí)實驗報告的要求與考核

該部分相當(dāng)于進(jìn)廠崗前培訓(xùn)及項目考察。一個大綜合化實驗涉及的知識技能比較多，有的是多年前所學(xué)，有的學(xué)習(xí)時間不長但不一定學(xué)得精，有的是新問題，有的涉及到安全問題，有的涉及到健康問題，因此課前必須充分預(yù)習(xí)。在本實驗開課之前一周左右的時間，布置學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報告與本實驗的設(shè)想，并指出具體的要求與問題。

（1）預(yù)習(xí)實驗，不能局限于實驗教材，要充分理解教材內(nèi)容，要翻閱過往教材或同類教材，利用網(wǎng)絡(luò)、圖書館等，盡量避免對知識似是而非、囫圇吞棗。

（2）明確集熱式恒溫水浴加熱磁力攪拌器的使用注意事項及適用范圍。

（3）回流裝置的用途及注意事項。

（4）熟悉不同尾氣的吸收裝置。

（5）析出晶體的常用操作。

（6）物料衡算的基本原理。

（7）指出實驗中哪些部分體現(xiàn)了沉淀溶解平衡、氧化還原反應(yīng)、配位平衡、電離平衡。

（8）確定產(chǎn)品組成的方法。

（9）原子吸收法測定鐵含量的原理和方法。

（10）氧化還原滴定法的原理及注意事項。

（12）熱重分析法的原理及使用注意事項。

（13）離子交換柱的使用方法。

（14）紅外光譜檢測的注意事項，并分析三草酸合鐵（III）酸鉀的特征吸收峰以及有無結(jié)晶水的譜圖差別。

（15）晶體結(jié)構(gòu)檢測方法。

（16）廢棄物的處理方法。

（17）產(chǎn)品的用途。

2 實驗準(zhǔn)備

該模塊相當(dāng)于廠家的項目設(shè)計及設(shè)備的購置、安裝、調(diào)試及原料的購置、檢測等工作。該實驗方法較多，無論哪種方法所涉儀器藥品都較多，許多材料需要學(xué)生自己領(lǐng)取、整理、清洗，實驗地點(diǎn)也有多個。在實驗動手之前要求學(xué)生從現(xiàn)有技術(shù)水平、儀器設(shè)備、原料價格、環(huán)保問題以及教育功能等角度理解教材中提供的制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，要明確將要用到哪些試劑、設(shè)備，哪一步到哪里去做。在這一模塊里，教師需要講解整個實驗的目的、原理、基本過程、注意事項、基本要求等諸多內(nèi)容，同時要評判預(yù)習(xí)報告，課時定為3學(xué)時。

3 三草酸合鐵（III）酸鉀的制備

從工廠化和教育功能的角度，本實驗選擇三草酸合鐵（Ⅲ）酸鉀的合成路線如下：由廢舊鐵屑出發(fā)制備硫酸亞鐵，之后加入硫酸銨形成硫酸亞鐵銨（摩爾鹽），硫酸亞鐵銨與草酸反應(yīng)生成草酸亞鐵，再加入草酸鉀與雙氧水即可得到三草酸合鐵（Ⅲ）酸鉀。

該制備過程基本操作多，涉及化學(xué)原理較多，時間長，內(nèi)含綠色化改進(jìn)、科學(xué)探究過程，所以分成2個模塊。第一模塊為摩爾鹽的制備，第二模塊為三草酸合鐵（III）酸鉀的制備。每一模塊均為4學(xué)時。

3．1 由廢鐵屑制備摩爾鹽

圖1為摩爾鹽制備模塊的主要操作流程。

圖1 摩爾鹽制備流程圖

反應(yīng)方程式如下：

本模塊的改進(jìn)主要集中在硫酸亞鐵的制備裝置上。傳統(tǒng)教材中硫酸亞鐵的制備體系是敞開的，產(chǎn)生的所有氣體都擴(kuò)散到大氣中，同時需要間歇補(bǔ)充水分，并用玻璃棒不時攪動，因此存在較多的問題，例如氣體產(chǎn)物的任意排放、反應(yīng)體系的溫度難以準(zhǔn)確控制、耗費(fèi)勞動力等。問題最大的是氣體產(chǎn)物的任意排放。產(chǎn)物中主要?dú)怏w是氫氣，同時還混有一些硫化氫、磷化氫等氣體。氫氣是許多科學(xué)家絞盡腦汁研究的清潔能源［710］，任意的排空相當(dāng)于浪費(fèi)，同時它的易燃易爆性也帶來很大的安全隱患。硫化氫、磷化氫都是劇毒氣體［911］，任意的排放都是對操作人員和環(huán)境的侵害。實驗改進(jìn)裝置見圖2。

本裝置中加熱裝置為集熱式恒溫水浴加熱磁力攪拌器，三通管及干燥管為經(jīng)過研究后定做的玻璃儀器。干燥管內(nèi)裝活性炭顆粒負(fù)載的硼氫化鉀，氣體吸收瓶內(nèi)裝前期除油用氫氧化鈉廢液，吸收瓶出口連接普通氣球。本裝置的使用相對充分地體現(xiàn)了綠色化學(xué)原則：

圖2 硫酸亞鐵制備裝置圖

（1）相對密封且?guī)в形矚馕盏难b置減少了環(huán)境污染及對操作人員健康的危害，也降低了易燃易爆的安全隱患，同時給對氫氣能源的充分回收及利用帶來了希望。當(dāng)然，利用活性炭負(fù)載硼氫化鉀對氫氣的吸收的實際意義并不明顯，因為常壓吸氫目前在世界上都是難題，在這里的使用主要在于教育意義，引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注并不斷完善氫能的利用問題。

（2）集熱式恒溫水浴加熱及溫度計使體系溫度準(zhǔn)確可控。

（3）磁力攪拌省去了玻璃棒手動攪拌；相對密封的裝置省去了間歇加水的操作。

（4）本實驗裝置的意外收獲之處在于磁力攪拌子對鐵屑的吸附。這樣在反應(yīng)時疏松的吸附結(jié)構(gòu)加速了反應(yīng)接觸面積，進(jìn)而加速了反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)結(jié)束后剩余的鐵屑吸附在攪拌子上，直接稱量攪拌子的質(zhì)量變化，即可得到鐵屑的剩余量，進(jìn)而算出下一步所需硫酸銨的量，同時也加速了熱過濾進(jìn)程。

3．2 三草酸合鐵（III）酸鉀的制備

三草酸合鐵（III）酸鉀制備模塊的主要操作流程見圖3。

圖3 三草酸合鐵（III）酸鉀制備流程圖

反應(yīng)方程式如下：

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生所制備的最終產(chǎn)品不甚理想，如雜質(zhì)較多、顏色發(fā)黃，晶粒顆粒度小等，究其原因是這個實驗的影響因素很多，諸如加料多少、加料速度、加料順序、酸堿環(huán)境、加熱溫度等。告訴學(xué)生最優(yōu)制備條件固然重要，但是指導(dǎo)學(xué)生去探究最優(yōu)條件更有意義。由于課時有限，我們設(shè)計的探究性實驗是通過分組協(xié)作方式完成的。分組協(xié)作的方式是指一個班級內(nèi)分成不同的實驗小組，不同小組采用不同的反應(yīng)條件，最后各組數(shù)據(jù)資源共享，最終總結(jié)出最佳條件，同時產(chǎn)品也是資源共享，這樣在實驗成績評判上避免了“以成敗論英雄”的偏見。

3．2．1 探究雙氧水滴加速度對產(chǎn)率的影響

在雙氧水氧化過程中，雙氧水滴加速度的快慢對結(jié)果影響很大。從理論上講，若加入速度太慢，體系中雙氧水濃度一直偏低，氧化過程較長；若太快則會因局部過濃，造成部分雙氧水分解，氧化不完全。雙氧水滴加速度的答案由學(xué)生分組協(xié)作來探究。我們安排由5組學(xué)生分別按5min、10min、15min、20min、25min的時間滴加完成，觀察記錄現(xiàn)象，并粗略計算生成氫氧化鐵沉淀的質(zhì)量。

3．2．2 探究酸溶溫度對產(chǎn)率的影響

在使用草酸溶解沉淀時，溫度過低不利于溶解過程，溫度過高容易引起副反應(yīng)，安排7組學(xué)生分別在25℃、35℃、45℃、55℃、65℃、75℃、85℃溫度下進(jìn)行反應(yīng)觀察記錄現(xiàn)象，并計算產(chǎn)率。

3．2．3 探究酸溶pH值對產(chǎn)率的影響

pH值由加入草酸的量決定，而草酸的量在原教材中是固定的，這本身就不科學(xué)。學(xué)生按同樣的要求做實驗，但是實驗中卻存在大量人為因素，造成不同組的學(xué)生實際所需草酸量并不相同。到底加入多少草酸，應(yīng)該由一個合理的pH值來確定。因為實驗室pH計較少，所以安排了4組學(xué)生進(jìn)行pH值分別為2、3、4、5的實驗，并觀察記錄現(xiàn)象，計算產(chǎn)率。

3．2．4 探究結(jié)晶方式對產(chǎn)率及結(jié)晶效果的影響

借鑒姜述芹［5］和盧季紅［12］的做法，我們安排7組學(xué)生分別采用7種不同的結(jié)晶方式：A避光自然風(fēng)干結(jié)晶；B濃縮自然結(jié)晶；C不濃縮加乙醇結(jié)晶；D濃縮后放入裝有濃硫酸的干燥器中結(jié)晶；E濃縮后放入裝有變色硅膠的干燥器中結(jié)晶；F濃縮后放入裝有無水氯化鈣的干燥器中結(jié)晶；G濃縮后加入4A分子篩結(jié)晶。觀察、記錄現(xiàn)象并計算產(chǎn)率。

4 產(chǎn)品表征

該模塊相當(dāng)于廠家的產(chǎn)品質(zhì)量檢測工作。產(chǎn)品質(zhì)量的好壞不僅要檢測宏觀的理化指標(biāo)，準(zhǔn)確的化學(xué)結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)才更有說服力。本模塊實驗綜合性很強(qiáng)，不僅用到大量的基本操作和理論知識，同時要使用到不少貴重儀器（往往在不同的地點(diǎn)），所以本模塊的實驗順序可以結(jié)合貴重儀器使用情況進(jìn)行調(diào)整。

（1）化學(xué)式的確定（4學(xué)時）。高錳酸鉀滴定草酸根的含量；原子吸收光譜測定鐵含量；熱重分析測定結(jié)晶水含量。

（2）化學(xué)式的驗證（4學(xué)時）。測定配離子的電荷數(shù)，借鑒胡鍇［13］的一些先進(jìn)做法，采用間接法測定配離子的電荷數(shù)；判定組成離子所處的內(nèi)外界，借鑒秦建芳［14］的一些先進(jìn)做法，采用對照實驗法判定鉀離子、草酸根離子、鐵離子是處于配合物的內(nèi)界還是外界。

（3）化學(xué)式的光譜驗證（4學(xué)時）。紅外光譜的檢測，實行小型探究性實驗。全班分為2組，一組做水合樣品，另一組做脫結(jié)晶水樣品，實行數(shù)據(jù)共享，分析異同；晶體結(jié)構(gòu)的檢測，由于XRD儀器的貴重性及對晶體樣品的要求較高，只選擇結(jié)晶最好的2組樣品進(jìn)行檢測，最后數(shù)據(jù)共享。

5 實驗廢棄物處理及產(chǎn)品的用途

學(xué)生實驗的廢棄物一般被要求放在指定位置，然后就與學(xué)生無關(guān)了，而工廠的廢棄物則必須要由工廠處理?，F(xiàn)今眾多企業(yè)廢棄物亂排放，也許和做學(xué)生時沒有被訓(xùn)練如何處理廢棄物有關(guān)。廠旁性實驗的設(shè)計必須要有實驗廢棄物如何處理這一環(huán)節(jié)。工廠產(chǎn)品的銷售與生存有關(guān)，能不能銷售出去，與產(chǎn)品的現(xiàn)有用途和未來用途有關(guān)。開設(shè)三草酸合鐵（III）酸鉀實驗，是因為該實驗?zāi)芎芎玫嘏嘤?xùn)學(xué)生的實驗技能與科學(xué)精神，并且該物質(zhì)有非常重要的用途和許多待開發(fā)的用途。不管是廢棄物的處理還是產(chǎn)品的用途，都是開放性較強(qiáng)的實驗，都有利于充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，由學(xué)生自己設(shè)計實驗。設(shè)計性實驗采用”教師引導(dǎo)—學(xué)生主導(dǎo)—教學(xué)互動”的模式［15］。該模塊課時為4學(xué)時。

5．1 廢棄物處理實驗

引導(dǎo)學(xué)生分析整個實驗的廢棄物，并按有無循環(huán)利用價值分類，對有價值循環(huán)利用的，設(shè)計回收方式，對無價值循環(huán)利用的，設(shè)計丟棄方式，經(jīng)教師批準(zhǔn)后，主要由學(xué)生進(jìn)行操作。學(xué)生操作過程中遇有問題，教師及時指導(dǎo)。

5．2 產(chǎn)品的用途

三草酸合鐵（III）酸鉀是一種經(jīng)典光敏劑，常用作化學(xué)光量計，是制備某些負(fù)載活性鐵催化劑的主要原料。由于實驗條件限制，能做的用途性實驗有限，主要是利用經(jīng)典的顯色實驗來體會它的光敏性。反應(yīng)方程式如下：

引導(dǎo)學(xué)生利用反應(yīng)原理，結(jié)合各物質(zhì)的顏色特點(diǎn)，設(shè)計合理的實驗步驟，并根據(jù)自己的意愿，設(shè)計出自己喜歡的字或圖案，附在實驗報告上。

6 實驗討論與總結(jié)

該模塊相當(dāng)于廠家的生產(chǎn)技術(shù)總結(jié)，在綜合化“廠旁”實驗中是很有必要的。在做一般學(xué)生實驗時，學(xué)生往往進(jìn)度不一，做完自己的實驗后，陸續(xù)離開，幾乎沒有總結(jié)討論的過程，造成很多學(xué)生做完實驗后看著教材能“知其然”，不看教材則什么也不知，更談不上“知其所以然”了。

我們專門拿出3學(xué)時來完成這一模塊。教師鼓勵學(xué)生積極發(fā)言，同時進(jìn)行指導(dǎo)點(diǎn)評，答疑解惑，最后強(qiáng)調(diào)實驗報告的書寫。實驗報告的書寫有兩大要求：一是實驗報告按照科研論文格式書寫；二是以工廠技術(shù)負(fù)責(zé)人的身份寫一篇三草酸合鐵（III）酸鉀生產(chǎn)的可行性報告，附在實驗報告后面。

7 結(jié)束語

整個大綜合“廠旁”實驗涵蓋無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理、結(jié)構(gòu)化學(xué)等課程的理論及相關(guān)實驗技能，內(nèi)含綠色化、探究性、設(shè)計性實驗，實驗流程參照工廠生產(chǎn)化模式，共有30學(xué)時，面向高年級學(xué)生在獨(dú)立的實驗周開設(shè)。在實驗周里，學(xué)生白天在實驗室，晚上預(yù)習(xí)、設(shè)計、整理、討論，整個過程充滿了對大學(xué)前半段所學(xué)較多課程的回顧提高與靈活運(yùn)用，對工廠生活有了初步的認(rèn)識，也相當(dāng)于畢業(yè)設(shè)計的演練，提高了化工職業(yè)素養(yǎng)，為實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、工廠工作與研究，為成為一名化工領(lǐng)域的卓越工程師打下了堅實的基礎(chǔ)。

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Design and practice of“beside factory”experiment：Taking Potassium Ferrioxalate as an example

Lin Xiaohui，Dong Jian，Chen Hongyu，Ge Yanqing，Wang Xiaoyan，F(xiàn)ang Shaojie
（College of Chemical Engineering，Taishan Medical University，Taian 271016，China）

The classic inorganic chemistry experiment of Potassium Ferrioxalate（Ⅲ）is integrated into a large comprehensive“beside factory”experiment which demands long class hours，and is established for the chemical engineering major seniors，which is of great significance to the cultivation of outstanding engineers．Besides covering a lot of chemical experiment skills and theoretical knowledge of huge range of course，the experiment penetrates many items such as investigation of project，designing of project，production process，production test，waste treatment from a factory viewpoint，and it embodies greening，exploring，designing meanwhile．The“beside factory”experiment not only makes the students consolidating and improving a lot of chemical experiments skills and theoretical knowledge，but also is beneficial to cultivate students’professional quality of chemical engineering and the scientific research consciousness，which can lay the foundation for production practice and graduation project and accomplish the transform from the students to the outstanding engineers successfully．

beside factory；large comprehension；outstanding engineer；greening；exploring；designing

G642．423

A

1002－4956（2015）3－0203－04

2014－08－15 修改日期：2014－09－27

山東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于PBL的臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)化學(xué)類基礎(chǔ)課程實踐教學(xué)模式研究”（2013GG172）；2013年山東省高等醫(yī)學(xué)教育研究中心項目“中外合作辦學(xué)醫(yī)學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課程（以醫(yī)用化學(xué)為例）BLearning教學(xué)研究”；2012年泰山醫(yī)學(xué)院大學(xué)生科研基金項目；2013年泰山醫(yī)學(xué)院教育教學(xué)研究課題“改良PBL教學(xué)法在大綜合實驗課程中的應(yīng)用研究”

林曉輝（1974—），男，山東泰安，碩士，講師，研究方向為精細(xì)化學(xué)品的綠色化合成，有機(jī)化學(xué)、合成化學(xué)、醫(yī)用化學(xué)等理論及實驗教學(xué)．

E－mail：xhlin＠tsmc．edu．cn