黃曉東

(閩江學(xué)院 海洋學(xué)院 化工系，福建 福州 350108)

無機與分析化學(xué)實驗是化工、化學(xué)、環(huán)境等專業(yè)的一門基礎(chǔ)實驗課程，自2006年以來，我院的應(yīng)化專業(yè)一直在大一下學(xué)期開設(shè)的分析化學(xué)實驗中滲入設(shè)計性實驗。開設(shè)設(shè)計性實驗的初衷，一方面是希望學(xué)生能將理論課程所學(xué)的知識，通過設(shè)計性實驗展示出來，驗證學(xué)生掌握理論知識及應(yīng)用的程度。另一方面希望通過設(shè)計性實驗調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和獨立解決問題的能力。但從多年的所指導(dǎo)的設(shè)計性實驗效果來看，設(shè)計性實驗實際效果不是太好，學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實踐的能力不甚理想，基本沒有達到預(yù)期所設(shè)的設(shè)計性實驗的目的。究其原因是多方面，但最主要原因是學(xué)生對滴定分析理論知識掌握不牢，不懂如何應(yīng)用各章節(jié)的理論知識來設(shè)計實驗，對設(shè)計實驗無從下手,許多學(xué)生從網(wǎng)上搜索一些資料，胡亂拼湊敷衍了事。如何才能達到開設(shè)設(shè)計性實驗的目的，如何才能讓學(xué)生對設(shè)計實驗有頭緒，這需要理論課老師與實驗課老師融合，更需要滴定分析理論知識與設(shè)計實驗全面的融合[1-2]。

1 理論老師與實驗教師一體化或高度融合

許多高校的教師由于受編制及實驗場所的限制，往往一個大班配一個理論課老師，實驗則由教研室的老師分組上課，通常理論課的老師與實驗課的老師不是同一人。理論課老師負責(zé)講授理論部分，有的沒有帶實驗課。實驗課只負責(zé)帶實驗課，由于實驗課教師沒有擔任理論課程，難免對實驗理論理解不夠深入，有的只對實驗原理簡單介紹，沒有進行深入剖析，甚至只講解一些基本的操作。造成分析化學(xué)理論課教學(xué)和實驗課的教學(xué)出現(xiàn)了嚴重脫節(jié)，正是這嚴重脫節(jié)，造成學(xué)生對理論課和實驗課都不重視，學(xué)生往往認為學(xué)那么多理論沒啥用處，做實驗時也常照方抓藥，不求甚解，嚴重影響他們創(chuàng)造力的培養(yǎng)。為此筆者認為，在條件許可下盡量小班化教學(xué)，盡量使理論課的老師與實驗課的老師是同一人，條件不許可下，盡量讓教研室老師輪流上理論課，做到理論老師與實驗教師一體化或高度融合，使理論教學(xué)和實驗教學(xué)能夠更好地融合起來[3]。

2 滴定分析理論與設(shè)計實驗全面的融合

2.1 酸堿滴定理論與設(shè)計性實驗融合

酸堿滴定這一章理論知識主要內(nèi)容有：(1)溶液酸度的計算；(2)強堿滴定強酸、弱酸的問題，或強酸滴定強堿、弱堿的問題；(3)滴定曲線突躍范圍；(4)指示劑選擇；(5)多元酸或混合酸滴定；(6)一步滴定與分布滴定。這一章也有許多設(shè)計性實驗項目可以用酸堿滴定理論來指導(dǎo)設(shè)計工作，如 “NaH2PO4-Na2HPO4”，“NaOH-Na3PO4”，“NaOH-Na2CO3”，“HCl-NH4Cl”，“HCl-H3PO4”，“HCl-H3BO3”混合組分的各自測定。咋看起來這些項目有點難度，但學(xué)生如果掌握酸堿滴定這一章理論重點內(nèi)容，就能得心應(yīng)手進行設(shè)計[4]。

以“HCl-H3PO4”混合組分的各自測定為例，顯然HCl-H3PO4是兩種酸混合，HCl是一元強酸，H3PO4是三元中強酸，根據(jù)H3PO4的三級的Ka值，又根據(jù)(Kai/Kai+1)>105，磷酸是可以分步滴定的，所以要一次性滴定求出它們各自含量顯然是不可能的，必須分步滴定求出含量。從題意來看，HCl與H3PO4的第一級電離出的H+都是強酸，可以同時被NaOH進行第一步滴定，但又如何選擇指示劑？酸堿滴定指示劑選擇原則是指示劑變色點pKHIn應(yīng)處于滴定突躍范圍內(nèi)，即：pKHIn∈ΔpH。但計算滴定突躍范圍的pH值比較繁瑣，為此常使用指示劑的理論變色點時的pKHIn與酸堿反應(yīng)化學(xué)計量點時的pHsp相接近的方法來選擇指示劑，即pKHIn≈pHSP。顯然NaOH第一步滴定HCl至NaCl，滴定H3PO4至H2PO4-，這樣化學(xué)計量點時溶液組成為NaCl與H2PO4-，溶液的pH值由H2PO4-決定，如果以0.1 mol/L濃度的NaOH為滴定劑，化學(xué)計量點時的pH值約為4.7，因此可選擇“溴甲酚氯或甲基紅”為指示劑，根據(jù)第一步滴定的的NaOH體積，可計算出HCl-H3PO4的總摩爾量。接著進行第二步滴定，即用NaOH滴定H2PO4-至HPO42-，這時化學(xué)計量點時的pH值約為9.6，因此指示劑可選“酚酞或百里酚酞”。根據(jù)第二步滴定的的NaOH體積，可計算出HCl-H3PO4混合組分中H3PO4的摩爾量，再根據(jù)第一步測出HCl-H3PO4的總摩爾量，兩者相減就可得出HCl摩爾量，這樣混合組分中各自含量就可求出。綜上所述，學(xué)生如果掌握的酸堿滴定重點內(nèi)容，就能設(shè)計出實驗來，當然要使學(xué)生有如此設(shè)計能力，需要理論課和實驗課的融合。

2.2 絡(luò)合滴定理論與設(shè)計性實驗融合

而絡(luò)合滴定這一章理論知識主要內(nèi)容有：(1)副反應(yīng)及酸效應(yīng)理論；(2)條件穩(wěn)定常數(shù)理論；(3)絡(luò)合滴定曲線及酸效應(yīng)曲線；(4)金屬指示劑選擇及金屬指示劑隨酸效應(yīng)和金屬離子效應(yīng)的變化而變化的問題；(5)準確滴定與分別滴定判別式；(6)絡(luò)合滴定中酸度的控制問題；(7)終點誤差。 這一章也有很多設(shè)計性實驗項目，如“胃舒平藥片中Al2O3和MgO含量的測定”，“Bi3+-Fe3+混合液中Bi3+和Fe3+的含量的測定”，“硫酸鋁中鋁和硫的測定”，“Fe2O3-Al2O3混合物中Fe3+，Al3+含量的測定”，“蛋殼中鈣含量測定”等等[5]。如何才能應(yīng)用絡(luò)合滴定理論知識來指導(dǎo)這些項目的設(shè)計，也需要絡(luò)合滴定理論與設(shè)計性實驗融合。

以“胃舒平藥片中Al2O3和MgO含量的測定”為例，顯然是Al3+、Mg2+兩組份的滴定，是Al3+、Mg2+分別滴定？還是一起被EDTA滴定？根據(jù)分別滴定理論，如果Δlg(Kc)≥5，就能分別滴定。Al3+的lgKAiY=16.3，Mg2+的lg KMgY=8.7，因而它們的Δlg(Kc)≥5，說明滿足分別滴定的條件。那么先滴定Al3+？還是先滴定Mg2+？則要根據(jù)酸效應(yīng)曲線理論，位于曲線右方的金屬離子產(chǎn)生干擾，位于曲線左方的金屬離子不干擾，Al3+位于Mg2+的右方，滴定Mg2+時，Al3+會產(chǎn)生干擾，所以必須先滴定Al3+，接著再滴定Mg2+。滴定Al3+時溶液的pH值必須大于4.2，否則會有酸效應(yīng)的影響終點誤差。而且Al3+易水解，易形成多核羥基化合物，同時Al3+與EDTA絡(luò)合速度較慢，在較高溫度煮沸才容易絡(luò)合，所以滴定Al3+一般采用返滴定法。因此取一份試液，用緩沖溶液控制溶液pH值為5，加入過量的EDTA，加熱煮沸，使Al3+與EDTA反應(yīng)完全，再用二甲酚橙做指示劑，用Zn標準溶液滴定過量的EDTA，從而測出Al含量。那么為什么要選擇二甲酚橙做指示劑，主要考慮指示劑變色點的pMep應(yīng)與化學(xué)計量點的pMsp相接近時，即pMep≈pMsp，終點誤差較小，且二甲酚橙指示劑使用于pH值<6。

對溶液中Mg2+的測定，則另取一份試液，采用直接滴定的方式，根據(jù)酸效應(yīng)曲線理論，滴定酸度必須pH值≥10，在此酸度下，指示劑需選鉻黑T做指示劑。為此先調(diào)節(jié)溶液pH值約為9，使得Al3+生成Al(OH)3沉淀而分離，再調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用EDTA溶液滴定溶液中Mg2+含量。綜上所述，“胃舒平藥片中Al2O3和MgO含量的測定”設(shè)計性實驗雖有點復(fù)雜，但學(xué)生如掌握絡(luò)合滴定理論內(nèi)容，還是能夠設(shè)計出方案來。

2.3 氧化還原滴定理論與設(shè)計性實驗融合

氧化還原滴定跟酸堿滴定、絡(luò)合滴定類似也有相關(guān)的滴定理論，但氧化還原滴定更注重于實際的氧化還原滴定方法的理論原理與應(yīng)用，主要有高錳酸鉀法、重鉻酸鉀法與碘量法[6]。學(xué)生如果能掌握有關(guān)的滴定原理，那么也很容易設(shè)計出相關(guān)的實驗來。如“漂白粉中有效氯和總鈣量的測定”的設(shè)計性實驗，這個題目中總鈣量的測定可采用絡(luò)合滴定法，而有效氯測定則采用間接碘量法，其原理就基于漂白粉中的次氯酸鹽具有氧化能力，其酸化時放出的氯：

Ca(ClO)2+ 4HCl = CaCl2+ 2H2O + 2Cl2↑

氯與過量的KI作用可定量產(chǎn)生I2，而析出的I2可用Na2S2O3標準溶液進行滴定。反應(yīng)如下：

Cl2+ 2I-= 2Cl-+ I2

I2+ 2S2O32-= 2I-+ S4O62-

當然要完成有效氯測定還需要掌握Na2S2O3溶液的配制、標定以及間接碘量法測定的條件的理論原理知識。如滴定為什么要在中性或弱酸性條件下進行，為什么防止I2的揮發(fā)和I-的氧化，又如何操作？如果這些知識都能掌握，設(shè)計也就不會遇到什么困難。

2.4 沉淀滴定理論與設(shè)計性實驗融合

沉淀滴定理論以銀量法為代表講述滴定的原理，主要有摩爾法、佛爾哈德法、法揚司法。其中摩爾法滴定原理比較簡單，而佛爾哈德法又有直接滴定法和返滴定法，滴定對象與滴定原理都不相同。學(xué)生掌握這些理論，就能夠輕松地搞定簡單的設(shè)計性實驗，如“生理鹽水中氯含量的測定”。然而大多的沉淀滴定法的設(shè)計實驗常與酸堿滴定、絡(luò)合滴定及氧化還原滴定融合，形成綜合性很強的設(shè)計性實驗。如“H2SO4-HCl”混合酸的測定，采用酸堿滴定法先滴定酸的總量，然后以沉淀法測定其中Cl-含量，差減法求出H2SO4的量。又如“醬油中氨基酸態(tài)氮及氯化鈉含量的測定”，也是利用酸堿滴定法先測出醬油中氨基酸態(tài)氮含量，然后以沉淀法測定其中氯化鈉含量。總之，要完成這些綜合設(shè)計性實驗需要學(xué)好滴定分析各章節(jié)的理論知識，只有將這些理論知識融于設(shè)計性實驗中才能做好設(shè)計性實驗。

3 結(jié)論

要讓學(xué)生完成好定量分析設(shè)計性實驗的任務(wù)，必須進行滴定分析理論與定量設(shè)計性實驗的有機融合，不僅需要理論課老師與實驗課老師融合，更需要滴定分析理論與設(shè)計實驗全面的融合。