黃利華，李愷，余旻，盧有彩，武杰，何占航

鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，鄭州 450001

由教育部高等學(xué)校化學(xué)教育研究中心主辦，國(guó)家自然科學(xué)基金委支持，鄭州大學(xué)承辦的“第12屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽”(后文簡(jiǎn)稱邀請(qǐng)賽)于2021年7月8-11日在鄭州大學(xué)舉行。來(lái)自全國(guó)43所高校的129位選手和180余位老師匯聚黃河之濱，交流學(xué)習(xí)。本屆邀請(qǐng)賽延續(xù)了往屆邀請(qǐng)賽的競(jìng)賽模式，所有參賽學(xué)生統(tǒng)一參加實(shí)驗(yàn)筆試后，抽簽決定參加無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)或物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作考試。由于有1名考生在筆試之后因身體原因退賽，本次無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的參賽學(xué)生共42人。本文分析了本次邀請(qǐng)賽無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題的特點(diǎn)和命題思路，總結(jié)競(jìng)賽結(jié)果，并分析了競(jìng)賽過(guò)程發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。希望能為深化化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供參考，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的化學(xué)人才做出貢獻(xiàn)。(無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)試卷及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)“補(bǔ)充材料”，可通過(guò)網(wǎng)站http://www.dxhx.pku.edu.cn免費(fèi)下載。)

1 命題思路

本屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的試題是“熱鍍鋅鋼構(gòu)件酸洗廢液資源回收”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生：(1)搭建蒸餾裝置，從酸洗廢液中盡可能多地回收鹽酸，同時(shí)得到氯化亞鐵粗產(chǎn)物；(2)將所得鹽酸定容、滴定、計(jì)算回收鹽酸的總量；(3)重結(jié)晶得到FeCl2·4H2O；(4)與標(biāo)準(zhǔn)色階對(duì)比，確定FeCl2·4H2O中三價(jià)鐵離子含量；(5)利用K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定亞鐵離子，確定FeCl2·4H2O的純度；(6)通過(guò)電感耦合等離子光譜(ICP)對(duì)重結(jié)晶FeCl2·4H2O樣品中鋅含量進(jìn)行測(cè)定。

該試題來(lái)源于我院何占航教授承擔(dān)的一項(xiàng)資源回收利用合作項(xiàng)目。試題瞄準(zhǔn)環(huán)境保護(hù)和資源回收的時(shí)代主題，聚焦綠色化學(xué)和節(jié)能減排的社會(huì)熱點(diǎn)，注重考查學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)和分析化學(xué)基本原理、基本知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能的掌握情況，以及將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合的能力。本試題所涉及的實(shí)驗(yàn)操作都是大學(xué)生們做過(guò)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作，不偏不怪，注重基礎(chǔ)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的能力要求較高，既要求學(xué)生具有扎實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能，又能夠體現(xiàn)出考生的科學(xué)素養(yǎng)和處理問(wèn)題的綜合能力，符合全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的宗旨[1-3]。

2 試題分析

該實(shí)驗(yàn)所涉及的操作均為學(xué)生們熟知的常規(guī)操作，如蒸餾、重結(jié)晶、稱量、定容、酸堿滴定、氧化還原滴定等。對(duì)參賽的本科生來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單。但是試題在實(shí)驗(yàn)步驟中僅提供了簡(jiǎn)單操作步驟，沒(méi)有提供操作細(xì)節(jié)，因此要求學(xué)生能夠利用自身化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備和基本技能，自主設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容。另外，實(shí)驗(yàn)步驟中設(shè)計(jì)了一些難點(diǎn)，需要學(xué)生先思考計(jì)算，然后才能進(jìn)行合理正確的操作，能夠考查學(xué)生利用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

首先，在蒸餾操作過(guò)程中，考慮到鹽酸易揮發(fā)等特點(diǎn)，未采用常規(guī)的蒸餾裝置，而是通過(guò)凱氏定氮頭和蛇形冷凝管搭建冷凝效果更好的蒸餾裝置。雖然大多數(shù)同學(xué)對(duì)該裝置不太熟悉，但是按照試卷中給出的明顯提示，同學(xué)們也都順利地完成了蒸餾裝置的搭建。同時(shí)，從試卷上提供的水和鹽酸T-x相圖中，同學(xué)們可以提取到鹽酸和水混合物恒沸點(diǎn)的信息，用以估算甘油浴的溫度。

其次，蒸餾過(guò)程要求盡可能多地回收鹽酸和氯化亞鐵。理論上，同學(xué)們需要根據(jù)酸洗廢液的大概組成(100 mL酸洗廢液中含有約50 g FeCl2·4H2O以及2 g ZnCl2)，考慮到FeCl2結(jié)晶時(shí)會(huì)結(jié)合一部分水，以及抽濾操作時(shí)需要一定母液，蒸出鹽酸的量應(yīng)該在60 mL左右為佳。若沒(méi)有進(jìn)行估算，蒸出鹽酸量過(guò)多，會(huì)造成更多Fe2+被氧化為Fe3+，以及FeCl2·4H2O的結(jié)晶水?dāng)?shù)量不確定等問(wèn)題；若蒸出鹽酸量過(guò)少，則會(huì)由于FeCl2的溶解度過(guò)大造成析出的FeCl2·4H2O晶體過(guò)少，甚至無(wú)晶體析出。

第三，在用碳酸鈉基準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定鹽酸濃度的操作中也設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)考查點(diǎn)：(1)鹽酸定容時(shí)有250 mL和100 mL容量瓶可供選擇，有個(gè)別同學(xué)選擇了用100 mL容量瓶定容鹽酸，導(dǎo)致鹽酸潤(rùn)洗滴定管后，所剩的鹽酸不夠進(jìn)行三次滴定操作。(2)甲基橙指示劑和酚酞指示劑的選擇。根據(jù)指示劑的選擇原則，如考慮滴定液顏色變化應(yīng)由淺到深、反應(yīng)終點(diǎn)pH處于指示劑變色范圍等因素，在鹽酸滴定碳酸鈉的過(guò)程中，甲基橙是最佳的指示劑選擇。反應(yīng)按照2HCl + Na2CO3= 2NaCl + H2O + CO2(g)的化學(xué)反應(yīng)方程式定量發(fā)生反應(yīng)。

第四，F(xiàn)eCl2·4H2O重結(jié)晶過(guò)程主要難點(diǎn)是考生需要通過(guò)給出的FeCl2溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定加入酸的體積。由于FeCl2在水中的溶解度較大，同時(shí)FeCl2·4H2O樣品中自帶一部分結(jié)晶水，因此若重結(jié)晶25 g的FeCl2·4H2O樣品，加水8 mL左右就可以了，同時(shí)加入鐵粉抑制Fe2+在加熱過(guò)程中被氧化。

最后，在使用K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定亞鐵離子的操作中，考慮到若用烘箱烘干FeCl2·4H2O會(huì)造成Fe2+在加熱過(guò)程中被氧化以及結(jié)晶水?dāng)?shù)量的變化，我們要求考生在重結(jié)晶FeCl2·4H2O后盡量抽干。有考生的樣品含水量過(guò)高，導(dǎo)致FeCl2·4H2O純度偏低。

3 成績(jī)分析

實(shí)驗(yàn)規(guī)定完成時(shí)間為8小時(shí)(包括午餐時(shí)間)。本次無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的42位參賽學(xué)生中，85%以上的考生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成了實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，其余考生在延時(shí)10 min左右完成實(shí)驗(yàn)。

本試題總分150分，其中實(shí)驗(yàn)結(jié)果115分，思考題15分，實(shí)驗(yàn)操作20分，評(píng)分規(guī)則更注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖1為總成績(jī)分布情況，表1為各部分的得分情況。本實(shí)驗(yàn)是資源回收實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣品的回收量有一定的要求。在氯化亞鐵回收步驟中，若蒸出鹽酸過(guò)少導(dǎo)致氯化亞鐵回收少于20 g會(huì)有扣分，氯化亞鐵回收越少，扣分越多?；厥整}酸量低于0.2 mol會(huì)有扣分，鹽酸回收量越少，扣分越多。在考試過(guò)程中，該步驟出現(xiàn)較多問(wèn)題。大多數(shù)同學(xué)蒸出酸溶液量過(guò)少，從而導(dǎo)致FeCl2·4H2O晶體過(guò)少，甚至沒(méi)有晶體析出，不得不重新進(jìn)行蒸餾。FeCl2·4H2O晶體過(guò)少的同學(xué)會(huì)在后續(xù)重結(jié)晶操作中由于產(chǎn)品較少影響得分?？梢?jiàn)，參賽的選手都知道不能蒸干溶液來(lái)避免Fe2+被氧化，但沒(méi)有進(jìn)行認(rèn)真的計(jì)算分析，在解決實(shí)際問(wèn)題方面有較大的進(jìn)步空間。

圖1 無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布

表1 無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題各部分的得分分布情況(共150分)

重結(jié)晶FeCl2·4H2O也是同學(xué)們失分較多的一個(gè)步驟。如果沒(méi)有考慮FeCl2的溶解度數(shù)據(jù)以及FeCl2·4H2O本身帶的結(jié)晶水，會(huì)造成加入的水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于所需水量，不僅重結(jié)晶所得FeCl2·4H2O過(guò)少，而且由于長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)造成Fe3+含量過(guò)高，在色階實(shí)驗(yàn)中也會(huì)被扣分。部分同學(xué)在第一步回收的氯化亞鐵量較少，導(dǎo)致重結(jié)晶時(shí)得到的產(chǎn)品少，個(gè)別同學(xué)甚至無(wú)法得到重結(jié)晶產(chǎn)品。另外，重結(jié)晶這一步驟完成不好也會(huì)導(dǎo)致Zn/Fe比過(guò)高，在后續(xù)鋅含量測(cè)定步驟中也會(huì)失分。

本次實(shí)驗(yàn)涉及酸堿滴定操作和氧化還原滴定操作，滴定相關(guān)的數(shù)據(jù)也是考試扣分較多的地方。例如，有部分同學(xué)選用酚酞作為鹽酸滴定碳酸鈉指示劑造成滴定終點(diǎn)判斷不夠準(zhǔn)確，有效數(shù)字錯(cuò)誤等。另外，我們對(duì)滴定精度和滴定劑體積也有具體的扣分規(guī)定。滴定精密度小于1‰得滿分；1‰-1.5‰扣2分；1.5‰-2‰扣4分；大于2.5‰扣8分。滴定體積小于10 mL或大于40 mL扣5分；滴定體積10 mL至20 mL扣3分；滴定體積20 mL至30 mL得滿分；30 mL至40 mL扣1分。

思考題共有3題，每題5分，共15分?？傮w來(lái)看，思考題的得分情況不太理想。思考題1的答案包含兩部分：(1)蒸干導(dǎo)致Fe2+被氧化；(2)蒸干導(dǎo)致FeCl2·4H2O結(jié)晶水水量偏低。多數(shù)考生沒(méi)有考慮到第二部分。思考題2是考查考生對(duì)K2Cr2O7滴定亞鐵離子時(shí)加入硫磷混酸的作用的了解，不少學(xué)生對(duì)該思考題的回答也不全面。最后一道思考題的得分情況最差，只有少部分考生考慮到KMnO4氧化能力強(qiáng)，與氯離子發(fā)生反應(yīng)會(huì)影響滴定。說(shuō)明多數(shù)考生并未牢固地掌握相關(guān)理論知識(shí)，不能正確地運(yùn)用所學(xué)理論來(lái)解決稍微復(fù)雜的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)操作分值為20分，主要涉及安全(如衣著、護(hù)目鏡)，衛(wèi)生(如桌面整潔、廢液回收、樣品回收等)，以及在蒸餾、滴定、重結(jié)晶操作過(guò)程中的一些明顯錯(cuò)誤。除此之外，儀器破損、藥品灑出、實(shí)驗(yàn)超時(shí)、實(shí)驗(yàn)重做等都會(huì)扣分。

4 從實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

第12屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽已圓滿結(jié)束。本次邀請(qǐng)賽的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題考查的內(nèi)容立足基礎(chǔ)，所涉及的操作也較簡(jiǎn)單，但能夠考查出考生理論與實(shí)踐相結(jié)合，手腦并用處理實(shí)際問(wèn)題的能力，能夠反映學(xué)生的真實(shí)水平。通過(guò)本次賽事，我們也發(fā)現(xiàn)在學(xué)生中存在的一些問(wèn)題，主要有：(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺少思考，難以做到手腦并用。盡管考生們的實(shí)驗(yàn)基本操作比較規(guī)范，但沒(méi)有透徹領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理。例如，忽略無(wú)機(jī)鹽本身結(jié)晶水的影響，不能夠通過(guò)思考確定蒸餾出鹽酸的量和重結(jié)晶時(shí)酸液加入的量，這都造成較多的扣分。(2)部分考生實(shí)驗(yàn)補(bǔ)救能力弱。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，沒(méi)有能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上積極補(bǔ)救，而是選擇重做。按照賽事要求，重做一次扣10分。(3)一些基礎(chǔ)知識(shí)的掌握仍不夠扎實(shí)。例如酸堿滴定和氧化還原滴定操作雖然很常見(jiàn)，但仍有不少考生選錯(cuò)指示劑、滴定精密度不夠。另外思考題均為基礎(chǔ)的理論知識(shí)，考生們的得分卻不高。因此，我們今后需要在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)置及課程評(píng)價(jià)等方面對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，切實(shí)提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。