盧愛黨,楊 珊,王鐵男,李紅巖,張東升

（1河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300130）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是使學(xué)生將理論知識過渡到實(shí)踐能力的橋梁,能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力,具有實(shí)踐性、開放性、多樣性、系統(tǒng)性和綜合性[1],是融知識、能力、素質(zhì)于一體,培養(yǎng)創(chuàng)新能力最有效的手段之一[2]?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)理論教學(xué)的延續(xù)和深化。無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)等是化學(xué)、材料、食品、環(huán)境、等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程,為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)技能的提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該類課程的核心,其教學(xué)質(zhì)量直接影響課程在專業(yè)人才培養(yǎng)支撐體系中作用的發(fā)揮[3]。

目前,大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問題,如實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系設(shè)置混亂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊等[4]。我校化工學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部負(fù)責(zé)無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)的理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué),化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程統(tǒng)一進(jìn)行,根據(jù)學(xué)時(shí)的不同選擇的實(shí)驗(yàn)數(shù)量不同,但是對應(yīng)知識模塊開設(shè)的實(shí)驗(yàn)基本上是相同的,普遍存在教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)結(jié)合不夠緊密的問題[3]。在基礎(chǔ)教學(xué)工作中融入專業(yè)特色,更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合專業(yè)特色對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整,全面加強(qiáng)學(xué)生綜合能力和專業(yè)能力的培養(yǎng)是非常必要的。

1 EDTA配位滴定法實(shí)驗(yàn)分析

以配位反應(yīng)為基礎(chǔ)的配位滴定法是常用的滴定分析方法之一。有機(jī)配位劑中常含有兩個(gè)及以上的可鍵合原子,形成的配合物穩(wěn)定性高,且可以減少甚至消除分級配位的現(xiàn)象,因此廣泛用于滴定分析[5]。有機(jī)配位劑乙二胺四乙酸(簡稱EDTA）應(yīng)用最為廣泛,筆者結(jié)合不同專業(yè)以 “EDTA配位滴定法”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容討論。

圖1 EDTA配位滴定法實(shí)驗(yàn)分析Fig.1 Analysis of experiment by EDTA titration

1.1 實(shí)驗(yàn)原理[5]

EDTA是一種含有4個(gè)羧酸的六元酸,常用H4Y表示；在溶液中,總是以 H6Y2+、H5Y+、H4Y、H3Y-、H2Y2-、HY3-和Y4-七種物種同時(shí)存在,僅在pH＞10.3時(shí)才主要以Y4-物種存在,可以與金屬離子直接配位只有Y4-。EDTA中含有2個(gè)氨氮原子和4個(gè)羧氧原子,且大多形成1∶1配位比且具有多個(gè)五元環(huán)結(jié)構(gòu)的螯合物,配合物穩(wěn)定性高、水溶性好。金屬離子(M）與EDTA(簡寫為Y）發(fā)生配位的反應(yīng)方程式為:

配位滴定中所涉及的化學(xué)平衡比較復(fù)雜,除了被測金屬離子M與滴定劑EDTA之間的主反應(yīng)外,還再存其他副反應(yīng),如M有絡(luò)合效應(yīng)和水解效應(yīng),Y有酸效應(yīng)和共存離子效應(yīng)。因此,進(jìn)行實(shí)際樣品分析過程中,除了需要利用緩沖溶液控制酸度外,還需要考慮其它金屬離子的干擾；結(jié)合金屬離子指示劑與金屬離子形成顯色絡(luò)合物的穩(wěn)定性,還需要采用不同的滴定方式。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作

目前普遍開設(shè)的實(shí)驗(yàn)為 “實(shí)驗(yàn)一EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制與標(biāo)定”和 “實(shí)驗(yàn)二水中鈣、鎂含量的測定”。在實(shí)驗(yàn)一中標(biāo)定好的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液在實(shí)驗(yàn)二中用作滴定劑,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為順承關(guān)系。具體實(shí)驗(yàn)步驟包括:EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制與標(biāo)定、Ca2+含量的測定、Ca2+和Mg2+總量的測定、結(jié)果與計(jì)算等[6]。

2 結(jié)合不同專業(yè)實(shí)施化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例分析

表1 實(shí)驗(yàn)名稱及實(shí)驗(yàn)原理Table 1 Titles and principles of the experiments

續(xù)表1

全國高校每年有多個(gè)專業(yè)開設(shè) “EDTA配位滴定法”實(shí)驗(yàn),涉及化學(xué)、化工、制藥、海洋、生物、食品、環(huán)境等學(xué)科,結(jié)合專業(yè)的特色特點(diǎn),依據(jù)不同專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,不僅能順利開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),也能使學(xué)生學(xué)到更多和專業(yè)緊密結(jié)合的知識和分析方法。

查閱高等教育本科生實(shí)驗(yàn)教材,涉及 “EDTA配位滴定法”的實(shí)驗(yàn)主要有以下12個(gè),其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)原理及指示劑具體見表1所示[5,7-10]。

2.1 化學(xué)與化工類專業(yè)

根據(jù)化學(xué)類及化工類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn),其培養(yǎng)目標(biāo)旨在學(xué)生 “較好地掌握化學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能,具有創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力…”[11]。因此需要強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的基本知識、基本理論和基本技能方法,可以開設(shè) “EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定”、“水的總硬度測定”及 “鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續(xù)測定”。通過 “EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)的練習(xí),使學(xué)生掌握EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和標(biāo)定方法,學(xué)會判斷配位滴定的終點(diǎn),并了解緩沖溶液的應(yīng)用。通過 “水的總硬度測定”實(shí)驗(yàn)的練習(xí),學(xué)生掌握配位滴定的基本原理、方法和計(jì)算,掌握鉻黑T、鈣指示劑的使用條件和終點(diǎn)變化。通過 “鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續(xù)測定”實(shí)驗(yàn)的練習(xí),讓學(xué)生進(jìn)一步熟練滴定操作和滴定終點(diǎn)的判斷,并掌握通過酸度的控制實(shí)現(xiàn)多種離子分別滴定的方法,同時(shí)也掌握了XO指示劑的使用條件和終點(diǎn)變化。3個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層層遞進(jìn),由基本技能訓(xùn)練,到簡單應(yīng)用檢測,最后到復(fù)雜問題的解決。

2.2 制藥工程類專業(yè)

根據(jù)制藥工程類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn),制藥工程是綜合運(yùn)用化學(xué)、藥學(xué)等相關(guān)學(xué)科的原理與方法,研究解決藥品規(guī)范化生產(chǎn)過程中的工藝、工程、質(zhì)量等問題的工學(xué)學(xué)科[11]。因此,針對制藥工程類專業(yè)的學(xué)生,建議開設(shè) “EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定”、“胃舒平片劑中鋁和鎂含量的測定”或 “葡萄糖酸鈣含量測定”,避免化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與制藥工程專業(yè)的缺乏銜接,讓學(xué)生明白該類實(shí)驗(yàn)的目的是什么?從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到藥物含量的測定,學(xué)生基本技能及實(shí)際應(yīng)用能力都得到鍛煉。與 “水的總硬度測定”實(shí)驗(yàn)相比, “胃舒平片劑中鋁和鎂含量的測定”和“葡萄糖酸鈣含量測定”分析對象與專業(yè)結(jié)合度更高,另外“胃舒平片劑中鋁和鎂含量的測定”實(shí)驗(yàn)中由于Al3+與EDTA的絡(luò)合反應(yīng)速度慢,對XO等指示劑有封閉作用,且在酸度不高時(shí)會發(fā)生水解,因此采用返滴定法進(jìn)行測定,也讓學(xué)生學(xué)會分析測定不同金屬離子含量需要注意的事項(xiàng),并掌握多種滴定方式。

2.3 生物工程類專業(yè)

根據(jù)生物科學(xué)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn),其培養(yǎng)目標(biāo)旨在學(xué)生“較系統(tǒng)地掌握生物學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能,……”[11]。因此需要強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生理論知識在生物方面中的應(yīng)用,建議開設(shè) “蛋殼中鈣鎂總量測定”或 “香蕉皮中單寧含量的測定”。雞蛋是常吃食品,蛋殼中鈣鎂含量測定更能激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。通過 “蛋殼中鈣鎂總量測定”不僅能讓學(xué)生完成從定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)變,也能與專業(yè)結(jié)合提問是否可以吃蛋殼補(bǔ)鈣為什么?另外,單寧是植物體內(nèi)含有結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多酚類化合物,具有殺菌、抗炎、止血等藥理活性,其含量的測定不僅能鞏固配位滴定相關(guān)知識、鍛煉配位滴定實(shí)驗(yàn)操作,還能為專業(yè)課程做好知識鋪墊。

2.4 海洋科學(xué)類專業(yè)

海洋科學(xué)類專業(yè)是研究海洋中的自然現(xiàn)象、基本性質(zhì)及其變化規(guī)律的自然科學(xué),研究對象是包括海水、溶解和懸浮于海水中的物質(zhì)的海洋[11]。因此,在選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)要突出 “海味”,建議開設(shè) “海水或貝殼中鈣鎂總量的測定”,雖然名稱上與 “水中的總硬度測定”實(shí)驗(yàn)只有一字之差,但是測定的對象有很大的不同,測定海水樣品必須需要了解海水的特點(diǎn),因此要考慮干擾離子的影響和提高滴定準(zhǔn)確度采取的措施。另外,貝類食品不僅是生活中常見的食物,而且貝類生物是海洋科學(xué)專業(yè)學(xué)生認(rèn)識最早的海洋生物,將重要經(jīng)濟(jì)漁業(yè)資源的貝類作為分析對象,與專業(yè)聯(lián)系更加緊密。

2.5 材料科學(xué)類專業(yè)

材料是人類用于制造物品、器件及其他產(chǎn)品的物質(zhì),包括材料化學(xué)、冶金工程、高分子材料與工程等專業(yè)[11],建議開設(shè)“鋁合金中鋁含量的測定”。由于鋁離子易水解,且與EDTA反應(yīng)慢,絡(luò)合比不恒定,常用返滴定法測定鋁含量,但是鋁合金中含有多種金屬離子,會對配位滴定有干擾,為了提高選擇性,常采用置換定法測定合金、硅酸鹽、水泥和爐渣等復(fù)雜試樣中的鋁。

2.6 食品科學(xué)類專業(yè)

“民以食為天”,人類對食品關(guān)注不僅包括食品的供給與營養(yǎng),還包括食品的安全與健康[11]。在食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、乳品工程等專業(yè)中,為了緊扣食品專業(yè)的特點(diǎn),調(diào)整該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,可以選擇日常生活中常見的材料,除了進(jìn)行“自來水中鈣、鎂含量的測定”實(shí)驗(yàn)外,還可以選擇生活中經(jīng)常食用的水果、蔬菜、雞蛋等為分析對象,也可選擇常用食品添加劑明礬為分析對象,開展 “明礬中鋁含量的測定”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容結(jié)合生活實(shí)際,既達(dá)到了學(xué)習(xí)絡(luò)合滴定法和掌握滴定單元操作的目的,同時(shí)更貼合專業(yè)特點(diǎn),讓學(xué)生意識到化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程所學(xué)的知識和他們的專業(yè)是緊密聯(lián)系的,提高其主觀能動(dòng)性。

2.7 環(huán)境科學(xué)及自然保護(hù)類專業(yè)

無論是環(huán)境科學(xué)類專業(yè)還是自然保護(hù)與環(huán)境生態(tài)類專業(yè),均需要通過環(huán)境檢測評價(jià)環(huán)境污染情況,保護(hù)生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)等和諧發(fā)展[11]。結(jié)合環(huán)境專業(yè)的特點(diǎn),開設(shè) “EDTA絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在 “水的總硬度測定”實(shí)驗(yàn)時(shí)水樣可以是實(shí)驗(yàn)室中的自來水、學(xué)校人工湖中的水、學(xué)校附近自來水廠的水,亦可為工業(yè)污水,不僅把所學(xué)的專業(yè)知識運(yùn)用在實(shí)際中,這也為保護(hù)環(huán)境提供了一些依據(jù)。另外也可選擇 “鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續(xù)測定”實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢液如果直接排放對環(huán)境和人體的危害極大,而且還浪費(fèi)了寶貴的資源,為此可先采用課前讓學(xué)生查閱鉛、鉍的危害及廢液處理方法后,做完實(shí)驗(yàn)后再直接回收并循環(huán)使用,提高環(huán)境意識、增強(qiáng)環(huán)境素質(zhì)的培養(yǎng)。

2.8 小 結(jié)

通過對比12個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,測定的金屬離子主要有Zn2+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Bi3+和Pb2+；指示劑主要有鉻黑 T、鈣指示劑和二甲酚橙；涉及的操作均需要EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定、樣品的測定,有些待測樣品需要預(yù)處理；主要儀器為錐形瓶、滴定管、容量瓶等?；A(chǔ)部公用實(shí)驗(yàn)室開設(shè)不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,不會增加過多種類的試劑、儀器和操作步驟。因此,結(jié)合專業(yè)特色開設(shè)EDTA配位滴定法實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的可行性。結(jié)合專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容很好的解答了在教學(xué)過程中學(xué)生提出的 “這些實(shí)驗(yàn)的目的是什么?”、 “這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q什么問題”、“這些實(shí)驗(yàn)與專業(yè)培養(yǎng)有什么聯(lián)系?”等問題,提高教學(xué)效果。因此,化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容凸顯專業(yè)特色具有很強(qiáng)的緊迫性和必要性。

3 結(jié) 語

加大化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與專業(yè)培養(yǎng)的銜接和融合是非常必要的。該文結(jié)合專業(yè)特色實(shí)施化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行分析,以“EDTA配位滴定法”實(shí)驗(yàn)為例對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化并加以分析,讓學(xué)生學(xué)到更多與專業(yè)結(jié)合緊密的知識和研究方法,不僅能有助于理解和掌握課程相應(yīng)的知識,還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情,訓(xùn)練和提高學(xué)生的科研思維及分析、解決問題的能力。