賴 瑢*　戴 宗　羅學軍　鄒小勇　陳六平(中山大學化學與化學工程學院，廣州 510275)

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電分析化學實驗教學改革探索與實踐
——以伏安法實驗為例

賴 瑢*戴 宗羅學軍鄒小勇陳六平
(中山大學化學與化學工程學院，廣州 510275)

摘要：以伏安法實驗教學為例，分析探討了電分析化學實驗教學的改革歷程。改革后的實驗內容融入了先進的實驗技術，增強了其應用性和體驗性；改進后的實驗項目緊扣社會需求，實用性強，有效地提高了學生對電分析化學實驗的學習興趣和實驗教學效果。

關鍵詞：電分析化學實驗；實驗教學；教學改革；伏安法

中圖分類號：O657；G64

目前，我院為化學、應用化學、材料化學、化學生物學專業(yè)開設了基礎化學實驗、現(xiàn)代化學實驗與技術和綜合化學實驗或化學生物學綜合實驗課程。作為必修內容的儀器分析實驗是現(xiàn)代化學實驗與技術課程的重要組成部分[1]，也是許多高校化學類專業(yè)的基礎必修課[2]，主要包括光譜分析法、電分析化學法和色譜分離分析法三部分實驗內容。電分析化學法是根據物質在溶液中的電化學性質及其變化而建立的一類分析方法，將測定的對象構成一個化學電池的組成部分，通過測量電池的某些物理量(如電位、電流或電量等)，求得物質的含量或測定物質的電化學性質[3]。電分析化學實驗教學雖然是儀器分析的一個重要組成部分，但在很多高校卻并沒有得到足夠重視，很多人更注重于色譜、光譜、質譜等大型貴重儀器的教學。電分析化學實驗教學普遍存在如下問題：① 實驗儀器落后。常規(guī)電化學實驗(如伏安分析、電位分析、庫侖滴定等)的實驗儀器簡單、小巧，相比于光譜、色譜等大型儀器則顯得寒酸；另外，許多學校的電化學儀器常年不更新，學生無法接觸到最新的儀器技術，容易使學生產生電分析化學技術比光譜或色譜分析技術檔次低、重要性差的錯覺。② 實驗內容陳舊。傳統(tǒng)的電分析化學實驗設立的實驗項目基本為驗證性實驗，實驗內容陳舊，且多數沒有涉及對實際樣品的分析，導致學生認為電分析化學技術簡單、沒有實用性。③ 實驗技術更新慢。如經典的極譜法和伏安法都使用汞電極。汞是一種典型的具有強毒性的重金屬元素，長期使用對實驗人員和學生的健康有害，并會對環(huán)境也造成很大的污染。雖然現(xiàn)在有許多技術可降低或消除伏安法中汞的污染，但由于不及時更新技術，仍然使用大量汞，給學生造成很大心理負擔；更有甚者，因噎廢食，取消伏安分析技術的相關實驗內容，影響學生的知識完整性。這些問題嚴重影響了學生對電分析化學實驗的認識和積極性，使學生在實驗過程中應付了事，實驗教學效果差，最終不能達到發(fā)展學生思維和提高學生創(chuàng)新實踐能力的目的。

實際上，電化學分析方法具有儀器簡單、微型化程度高、 測定速度快、價格相對低廉等特點。相比于光譜和色譜儀器，更易于實現(xiàn)設備更新，讓學生每人使用一臺儀器。而且，電分析化學發(fā)展迅速，應用范圍廣泛，不僅可以進行組分的定量分析，而且可進行形態(tài)分析以及機理探討等。要提高電分析化學實驗的教學效果，就要充分發(fā)揮電分析化學的特點，改變學生對電分析化學實驗的學習觀念：① 豐富實驗內容，加強實驗體驗性。實驗增加樣品前處理過程，實驗對象盡量采用來自食品、藥品、生活用品等學生感興趣的樣品。學生通過樣品選擇、采樣、樣品處理、檢測和實驗結果分析評價等，還原相應電分析化學技術在實際應用中的過程，可激發(fā)學生的實驗積極性，加深對實驗技術的理解，培養(yǎng)解決實際問題的能力。② 改善實驗技術，踐行綠色實驗理念。將科研工作的最新研究成果引入實驗教學，改善方法的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性，或克服常規(guī)方法的缺點和不足，讓學生感受到電分析化學實驗技術的發(fā)展和應用。③ 加強儀器聯(lián)用，引入分析新技術。實驗項目立足于基礎，并結合現(xiàn)今的科研趨勢，開設新儀器、新技術的實驗，或加強儀器聯(lián)用技術的實驗項目，體現(xiàn)電化學實驗技術的發(fā)展。

基于上述想法，我們在改革電分析化學實驗的教學內容和教學手段方面進行了探索和嘗試。下面以伏安法實驗為例，介紹我們近幾年來的改革和教學實踐效果。

作為一個重要的電化學分析方法，線性掃描伏安法和溶出伏安法是儀器分析實驗課必開的實驗項目。我院過去一直開展經典的單掃描極譜法測定廢水中的鎘實驗，該實驗采用滴汞電極作為工作電極。滴汞電極表面周期性更新，有再現(xiàn)性好和氫超電壓大的獨特優(yōu)點，但教學實驗都是沿用傳統(tǒng)的電極裝置，即汞池懸掛在高處，汞依靠重力作用在毛細管口生成汞滴；通過調節(jié)貯汞瓶的高度或用機械方法(敲擊器)來控制汞滴的滴下時間。這種汞池是敞口結構，表層用水封住汞，實驗時若稍不注意，表層水就會揮發(fā)干凈，汞完全暴露在空氣中，導致實驗室空氣中存在大量的汞蒸氣，直接威脅實驗人員的健康。據統(tǒng)計，每學期要消耗超過1000 g的汞，對環(huán)境造成了嚴重的二次污染。

2005學年，本課程教學小組從綠色化學實驗理念出發(fā)，緊密結合國內外先進實驗技術的發(fā)展，對該極譜法實驗項目做了一些改進，采用屏蔽性較好的懸汞電極來替代傳統(tǒng)實驗方法中的工作電極即滴汞電極。懸汞電極是一種靜止的滴汞電極，它既有滴汞電極的優(yōu)點，也具有固體電極的優(yōu)點。采用懸汞電極后的實驗不僅能大幅降低汞污染，而且使電極維護操作更簡便。然而，懸汞電極也存在一些問題：由于電磁閥的氣密性和控制精度不夠，難以保證汞滴大小一致；容易出現(xiàn)汞滴不通暢或懸掛不住等現(xiàn)象，最終影響實驗結果的準確性和精密度。2007學年，本課程教學小組引入了汞膜修飾電極技術[4]，利用金電極表面與汞的良好親和力，在金盤電極的端面蘸涂上一層汞膜，由此研制的金基汞膜電極能完全滿足實驗的要求，可以替代滴汞電極或懸汞電極作為工作電極。新的實驗方法顯著降低了實驗對重金屬試劑汞的需要量，又大幅度降低了污染。但是，在教學實驗過程中也發(fā)現(xiàn)，有少部分學生制作的修飾汞膜電極的實驗結果并不理想，學生實驗成績因此受到影響而提出不同意見。鑒于此，我們在2010學年開始，對學生實驗成績評定方式做了修正，不僅強調實驗結果的重要性，而且更強調重視實驗過程，強調學生在實驗過程中得到的具體訓練和綜合受益，提出允許適度“失敗”[5]；針對各自實驗，要求學生細致分析汞膜電極的修飾過程及其測試數據不理想的原因。這種實驗教學評價方式更為科學，有利于保護和提高學生實驗的積極性，激發(fā)學生學習興趣和創(chuàng)新意識。

以上實驗是使用金基汞膜作為工作電極，而作為基電極的金盤電極需要在每次實驗后用“0”號細金相砂紙將電極表面打磨拋光至鏡面光亮，其損耗嚴重且實驗重現(xiàn)性不夠穩(wěn)定。這種狀況需要進一步改進。

近年來，鉍膜電極[6]作為一種綠色環(huán)保的電極材料受到化學工作者的青睞，并被廣泛地用于重金屬離子的檢測。這是因為鉍和鉍鹽的毒性基本可以忽略，鉍能與多種重金屬生成二元或多元合金，且氫在鉍膜電極上的過電位高，鉍膜電極背景電流幾乎不受溶解氧的影響；再有，鉍膜是一層穩(wěn)定的固態(tài)薄膜，其穩(wěn)定性也比液態(tài)的汞膜好。我們注意到鉍膜電極在科研中的廣泛應用和優(yōu)越性，于是思考將其應用于實驗教學的可行性。為此，就鉍膜電極應用于伏安法實驗的問題，本課程教學小組經過多次探索和預實驗后，提出和實施了新的實驗方案，即采用預鍍鉍膜玻碳電極作為工作電極，以醋酸-醋酸鈉緩沖液(pH = 4.7)為底液，在–0.3 – –0.9 V進行線性電勢掃描，Cd2+在鉍膜上還原為Cd，和鉍形成類似于汞齊的合金；實驗所得的數據中，電流峰高與濃度成正比，據此可進行定量分析；為了更好地消除鉍膜電極的記憶效應，在測試廢水樣品前，先做空白實驗。以上實驗方案于2012學年正式開始采用，迄今的實驗教學情況表明，這種實驗改進非常成功，修飾鉍膜電極制作過程簡便、電極性能穩(wěn)定、實驗數據重現(xiàn)性好，提高了實驗教學質量。

進一步，我院完成了對儀器分析實驗的教學體系改革，將實驗教學分為兩個階段[7]。第一階段是以基礎知識和基本訓練為目標的必做實驗，要求學生以實驗為載體，學習基本的分析技術和儀器操作技能。第二階段是研究性實驗，要求學生選定一些與現(xiàn)實生活密切相關的實驗題目，預先查閱文獻，搜集分析方法，設計包括采樣、樣品前處理、測定和數據處理等各環(huán)節(jié)的實驗方案，在教師的引導下完成整個實驗。教學小組配合實驗教學體系改革，增設了研究性實驗——溶出伏安法測定食品中鉛鎘鋅，并將微波消解技術、旋轉圓盤電極技術、同位鍍鉍膜技術[8–10]等引入實驗。近3年的教學實踐表明，改進后的實驗方法更簡便、快速、可靠，不僅能滿足實驗教學的要求，提高學生的學習興趣和教學效果，而且可在食品微量元素的分析中廣泛推廣。學生認為這個實驗很有意思，能了解到許多日常食品的品質，普遍反應實驗儀器簡單、分析成本低，卻具有靈敏度高、結果準確、易于推廣的優(yōu)點。表1比較了掃描伏安法改進過程中不同工作電極的實驗教學效果。

表1　掃描伏安法采用不同工作電極的比較

近年來，在線性掃描伏安法實驗中，先后采用了滴汞、懸汞、汞膜、鉍膜電極，這段逐步改進實驗項目的歷程充分說明實驗教學必須遵循綠色化學理念，緊跟科學技術的發(fā)展，及時地將新方法、新技術引進到實驗項目中，使實驗教學保持活力和生命力。

伏安法實驗教學的改進歷程表明，將實驗教學研究成果應用于實際教學不僅能使學生直接受益，而且在這一過程中教師也能得到進步和提高。我院電分析化學實驗經過一系列的改進后，這部分實驗教學得到了逐步的加強和完善，促進了學生實驗操作能力的培養(yǎng)和獨立思考能力的提升；學生做實驗不再盲目跟從，開始考慮電化學實驗與實際社會生活應用的關聯(lián)，對電分析化學及其實驗的學習興趣也得到顯著提高。我們深知，教學是一個不斷發(fā)展的過程，今后將繼續(xù)推進實驗教學改革，如：在氟離子選擇電極實驗中增加對市面幾種常用牙膏的含氟量測定；在重金屬測定中盡可能用微型電解池，減少重金屬用量，減少污染等。只有不斷努力探索和實踐，電分析化學實驗教學才能保持強大的持久活力，為化學創(chuàng)新人才培養(yǎng)做出應有貢獻。

參 考 文 獻

[1]陳六平, 鄒世春. 現(xiàn)代化學實驗與技術. 北京: 科學出版社, 2007.

[2]陳培榕, 李景虹, 鄧 勃. 現(xiàn)代儀器分析實驗與技術. 北京: 清華大學出版社, 2006.

[3]姚玉堂. 赤峰學院學報, 2005, 21 (5), 26.

[4]謝天堯, 賴 瑢, 朱 芳. 大學化學, 2009, 24 (3), 53.

[5]戴 宗, 肖小華, 胡玉玲, 凌連生, 謝天堯, 朱 芳, 鄒小勇, 李攻科, 陳六平. 大學化學, 2011, 26 (2), 19.

[6]李冬月, 郟建波, 王建國. 分析化學, 2012, 40 (2), 321.

[7]戴 宗, 李占潮, 肖小華. 分析測試學報, 2010, 29 (增刊), 41.

[8]賴 瑢, 朱 芳, 謝天堯. 大學化學, 2011, 26 (2), 54.

[9]Wang, J.; Lu, J. M.; Hocevar, S. B.; Farias, P. A. M. Anal. Chem. 2000, 72 (14), 3218.

[10]李建平, 彭圖治, 張雪君. 分析化學, 2002, 30 (9), 1092.

? 教學研究與改革?

Exploration and Practice on the Teaching Reform of the Electroanalytical Chemistry Experiment: Taking Voltammetry Experiment as an Example

LAI Rong*DAI ZongLUO Xue-JunZOU Xiao-YongCHEN Liu-Ping
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, P. R. China)

Abstract:In this paper, the voltammetry experiment is taken as an example to explore how to reform the electroanalytical chemistry laboratory. The modified experiments involve advanced experimental techniques, have a better applicability and practicability, and can more effectively raise the learning interest of undergraduates in study of electroanalytical chemistry laboratory, as well as improve the teaching effect.

Key Words:Electroanalytical chemistry experiment; Laboratory course; Teaching reform; Voltammetry

基金資助：中山大學實驗教學研究(改革)基金項目(YJ201315)；中山大學首批校級課程教學團隊建設項目(2014)

*通訊作者，Email: lairong@mail.sysu.edu.cn

doi:10.3866/pku.DXHX20160107www.dxhx.pku.edu.cn