對(duì)化工滴定分析教學(xué)中四重關(guān)系的剖析

化工分析的主要任務(wù)是定量分析。滴定分析是定量分析的基礎(chǔ)和重點(diǎn),它是根據(jù)物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系,通過滴定操作實(shí)現(xiàn)定量分析的化學(xué)分析方法,是化工專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本操作技能之一。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),學(xué)生普遍感到滴定分析知識(shí)雜亂,計(jì)算繁瑣,實(shí)驗(yàn)無章可尋,盡管也能依葫蘆畫瓢地完成一些實(shí)驗(yàn)和習(xí)題,但最后仍理不清頭緒。

筆者認(rèn)為,在教學(xué)實(shí)踐中注重滲透幾個(gè)重要關(guān)系,可以收到高屋建瓴地把握教材內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量的效果。

理清縱橫的關(guān)系,掌握滴定分析的共同特點(diǎn)

從滴定過程上看,滴定分析一般包括采樣與制樣(包括粉碎、縮分等),試樣處理(包括試樣的溶解、必要的分離等),對(duì)指定成分進(jìn)行定量測(cè)定,計(jì)算和報(bào)告分析結(jié)果四個(gè)步驟。從化學(xué)反應(yīng)是否適用于直接滴定的基本條件上看,要具備反應(yīng)按化學(xué)計(jì)量關(guān)系定量進(jìn)行、反應(yīng)必須進(jìn)行完全、反應(yīng)速率要快、有適合的指示劑或其他方法簡(jiǎn)便可靠地確定終點(diǎn)等四個(gè)條件,否則可考慮采用間接滴定。從儀器和操作技術(shù)上看,每個(gè)具體滴定要包括:滴定管、容量瓶、吸管、錐形瓶、分析天平等儀器及使用技術(shù)。這些都是貫穿在每一滴定分析中的縱線。

滴定分析方法主要有四種:酸堿滴定法、配位滴定法、氧化還原滴定法和沉淀滴定法。四種方法是并列平行的橫向關(guān)系。這些橫向內(nèi)容中隱含著縱向關(guān)系。四種方法都是建立在相應(yīng)的四大溶液平衡理論基礎(chǔ)上的(如酸堿滴定法以酸堿平衡理論為基礎(chǔ)),特點(diǎn)各異,但是在各個(gè)部分內(nèi)容上都是圍繞著“平衡理論→滴定原理→定量分析”這個(gè)從“面”到“線”再到“點(diǎn)”的“縱”主線展開的。

理清滴定分析知識(shí)的縱橫關(guān)系,可以起到整體性抓住教材的作用。不論是滴定分析的方法、方式(采用直接滴定還是間接滴定)的選擇,還是具體儀器的使用和操作技術(shù)、滴定過程的實(shí)施,都是為了完成一個(gè)具體的、完整的滴定分析任務(wù)。隨著這樣一個(gè)又一個(gè)的滴定分析任務(wù)學(xué)習(xí)(章節(jié)學(xué)習(xí)),不斷滲透這種縱橫關(guān)系,就會(huì)使學(xué)生有種既見樹木又見森林的頓悟。這時(shí),再趁熱打鐵要求學(xué)生歸納出滴定分析的共同特點(diǎn),就會(huì)完成知識(shí)的順應(yīng)、同化。

要利用適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)和課型,幫助學(xué)生建構(gòu)滴定分析知識(shí)的縱橫關(guān)系。學(xué)期初、各章節(jié)學(xué)習(xí)前、考試前后、實(shí)驗(yàn)前后、作業(yè)時(shí)以及復(fù)習(xí)課上、習(xí)題課上,學(xué)生質(zhì)疑詢問之時(shí),甚至交流談心之時(shí),均是建構(gòu)知識(shí)縱橫關(guān)系的良機(jī)。應(yīng)鼓勵(lì)、幫助學(xué)生利用列表格比較、畫滴定分析流程示意圖和關(guān)系圖等方法理清這些縱橫關(guān)系。

理清質(zhì)量關(guān)系,細(xì)化具體滴定操作

滴定分析是通過標(biāo)準(zhǔn)溶液(滴定劑,用A表示)與待測(cè)組分(用B表示)進(jìn)行定量反應(yīng),利用指示劑確定化學(xué)計(jì)量點(diǎn),再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液A消耗的體積和濃度計(jì)算待測(cè)組分B的含量的方法,是一種定量分析。每一個(gè)具體滴定,都發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),A、B乃至指示劑都發(fā)生了質(zhì)的變化。A與B的定量反應(yīng),由指示劑的質(zhì)變指示判斷。這些質(zhì)變最終由A消耗的體積量(用VA表示)來反映并進(jìn)而計(jì)算B的含量。從這個(gè)意義上講,A消耗的體積量的準(zhǔn)確測(cè)定是分析過程的出發(fā)點(diǎn)和著重點(diǎn),是提高分析結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度的關(guān)鍵。

理清滴定分析的質(zhì)量關(guān)系,就能細(xì)化具體滴定操作。不同的滴定方法,同一種滴定方法中的具體滴定實(shí)例,涉及的反應(yīng)和條件控制大相徑庭。這時(shí)怎樣準(zhǔn)確測(cè)定VA這個(gè)量是一直伴隨在滴定過程中的關(guān)鍵。如用鹽酸標(biāo)液滴定氨水時(shí),采用返滴定法,用甲基紅——亞甲基藍(lán)混合液作指示劑效果較好。這與用鹽酸標(biāo)液滴定NaOH溶液時(shí),用甲基紅作指示劑就可以達(dá)到效果不一樣。認(rèn)識(shí)了這些差異性,通過嚴(yán)格控制量來實(shí)施好滴定條件和步驟,就能完成一項(xiàng)滴定操作。

正確、規(guī)范的滴定操作是準(zhǔn)確測(cè)定A消耗的體積量的前提和保證。滴定操作有共性要求和差異性要求。共性要求如正確進(jìn)行儀器洗滌和使用儀器;取固體試樣時(shí)至少的質(zhì)量(如常量分析中不小于0.1g);標(biāo)液濃度配制范圍(如酸堿滴定一般為0.1~1.0mol/L);A消耗的體積量(一般為20~30mL)等等。差異性要求如:指示劑的選擇(如強(qiáng)酸滴強(qiáng)堿用甲基橙,強(qiáng)堿滴強(qiáng)酸用酚酞);指示劑的加入時(shí)間(如直接碘量法與間接碘量法中,何時(shí)加淀粉溶液);酸度的控制(如測(cè)定水中鈣鎂離子總量時(shí)與測(cè)定水中鈣離子含量時(shí)的PH)等等。這些要求的正確、規(guī)范、合理的實(shí)施,能保證VA的準(zhǔn)確可靠。有些要求本身即有量的要求,它也能幫助理解有哪些因素制約VA和B含量的準(zhǔn)確測(cè)定。當(dāng)然,由于滴定分析注重定量,學(xué)生沒有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、精益求精的精神是難以做好的,這些需要教師的重視、培養(yǎng)。

理清主次關(guān)系,提高計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

滴定分析內(nèi)容有主次之分,如滴定操作就是主要內(nèi)容。每一具體滴定也有主次之分,如A、B的反應(yīng)計(jì)量關(guān)系、滴定操作條件的控制等等是主,副反應(yīng)關(guān)系、緩沖劑或掩蔽劑發(fā)生的反應(yīng)可能是次。

理清主次關(guān)系,對(duì)解決困擾學(xué)生的“計(jì)算煩瑣、實(shí)驗(yàn)無章可尋”兩大問題會(huì)有所幫助。比如在用滴定碘法測(cè)定試樣中銅含量時(shí),主要反應(yīng)關(guān)系有:2Cu2++4I-=2CuI↓+I2,I2+2S2O32-=2I-+S4O62-;次要反應(yīng)關(guān)系有:掩蔽劑NaF掩蔽干擾離子Fe3+的反應(yīng)Fe3++6F-=FeF63-,指示劑淀粉與I2的反應(yīng)等。理清了這些主次關(guān)系,易得計(jì)算時(shí)的計(jì)量關(guān)系為2Cu2+~(I2)~2S2O32-。另外,在此實(shí)驗(yàn)中,還加入了一些氧化性、酸堿性物質(zhì)(如硝酸、飽和碳酸鈉溶液、乙酸溶液)來去除試樣中其他還原性物質(zhì)和調(diào)節(jié)酸度。認(rèn)識(shí)了這些,實(shí)驗(yàn)時(shí)就知道其所以然了。

為了提高學(xué)生的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?一方面要提高學(xué)生對(duì)主次關(guān)系的認(rèn)識(shí),另外,還可以從以下幾方面著手:(1)總結(jié)出列一個(gè)總計(jì)算式的技巧(如關(guān)系式aA~bB中nB=(b/a)nA的計(jì)量系數(shù)b/a的記憶方法)和注意點(diǎn)(如單位);(2)歸納一些常見的計(jì)算類型(如直接滴定與返滴定的計(jì)算公式的式樣);(3)比較分析結(jié)果的表示方法與換算方法(如質(zhì)量濃度ρB與滴定度T的表示及換算);(4)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)巡視指導(dǎo);(5)分要求、分步驟的強(qiáng)化基本操作訓(xùn)練;(6)實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生一直圍繞關(guān)鍵點(diǎn)、提高VA的準(zhǔn)確度操作;(7)布置實(shí)驗(yàn)思考題等等。主次關(guān)系是一對(duì)矛盾,在抓住主要矛盾或矛盾的主要方面的時(shí)候,不要忽略次要矛盾或矛盾的次要方面對(duì)它們的影響,否則可能會(huì)欲速則不達(dá)。

理清理論與實(shí)踐的關(guān)系,提高學(xué)生對(duì)滴定分析的應(yīng)用能力

滴定分析是建立在溶液平衡理論基礎(chǔ)上,根據(jù)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系,通過滴定操作實(shí)現(xiàn)定量分析的化學(xué)分析方法。但是,A與B理論上能反應(yīng)并不代表二者在實(shí)際操作中就能反應(yīng),這涉及滴定分析的可行性問題。A與B如能建立起較好的定量關(guān)系,一方面在理論上滴定平衡常數(shù)K是決定因素。K越大,滴定反應(yīng)越完全,滴定的準(zhǔn)確度越高,理論上越具有可行性;另一方面是在實(shí)驗(yàn)上如何控制合適的條件來實(shí)現(xiàn)A、B兩者間的計(jì)量關(guān)系,如滴定方式的選擇、反應(yīng)物濃度大小的確定、正確選擇指示劑和其他條件等,從而保證滴定終點(diǎn)和計(jì)量點(diǎn)較好吻合,使誤差滿足具體工作要求,才能在實(shí)踐上具有可行性。

滴定理論的學(xué)習(xí)是為了完成滴定操作,是為了應(yīng)用。較好地理清上述理論與實(shí)踐關(guān)系,就能把握、體會(huì)理論在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的具體應(yīng)用,提高學(xué)生的應(yīng)用能力。例如在氧化還原滴定中,根據(jù)lgK′=■(25℃時(shí)),如能知道影響K′的因素是兩可逆電對(duì)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)和條件電勢(shì)差,而與氧化劑、還原劑的濃度無關(guān)。就可以理解在K2Cr2O7滴定Fe2+的實(shí)驗(yàn)中,為什么用加入H3PO4來降低Fe3+/Fe2+電對(duì)的條件電勢(shì)(即E02′),增大K′和滴定突躍范圍,從而提高二苯胺磺酸鈉指示劑的靈敏度的。理清理論與實(shí)踐關(guān)系使學(xué)生知道了“為什么”和“應(yīng)怎樣”,為有目的、有主見、能動(dòng)地滴定分析指明了方向,有“更識(shí)廬山真面貌”之效。

對(duì)滴定分析基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和強(qiáng)化基本操作技能訓(xùn)練,是提高應(yīng)用能力的主要途徑。建構(gòu)主義認(rèn)為:學(xué)習(xí)是積極主動(dòng)的意義建構(gòu)和社會(huì)互動(dòng)過程。教學(xué)要引導(dǎo)學(xué)生從原有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā),建構(gòu)起新的經(jīng)驗(yàn)。為此,教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生在社會(huì)互動(dòng)過程中主動(dòng)建構(gòu)兩類聯(lián)系:一是當(dāng)前所學(xué)知識(shí)成分之間的聯(lián)系,二是新舊知識(shí)之間的聯(lián)系。將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的整合,融會(huì)貫通,形成知識(shí)鏈、思維鏈,能使這些聯(lián)系有效快捷地建立。這樣,學(xué)生就能建構(gòu)起新經(jīng)驗(yàn)、高能力。同時(shí),由于滴定分析以實(shí)驗(yàn)操作為主,要提高應(yīng)用能力,平時(shí)強(qiáng)化基本操作是必不可少的。知識(shí)的系統(tǒng)梳理和基本操作技能的強(qiáng)化,為解決開放性、綜合性的滴定分析問題做出了較好的鋪墊工作。要盡量在實(shí)驗(yàn)室、校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行教學(xué),讓學(xué)生在真實(shí)情境中建構(gòu)起新的經(jīng)驗(yàn),提高應(yīng)用能力。

總之,滴定分析的各個(gè)章節(jié)之間相互聯(lián)系,各滴定方法之間有異同。教師唯有在科學(xué)方法指引下,幫助學(xué)生理清章節(jié)內(nèi)容之間的關(guān)系,本著理實(shí)結(jié)合、提高應(yīng)用能力的宗旨,不斷堅(jiān)持,才能使學(xué)生內(nèi)化知識(shí),從而提高化工滴定分析的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[1]賴國(guó)松,張海麗.滴定分析學(xué)習(xí)方法探討[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,(4).

[2]李蓉.淺談化工滴定分析教學(xué)[J].內(nèi)蒙古石油化工,2002,(4).

[3]陳琦,劉儒德.教育心理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2005.

作者簡(jiǎn)介:

張曙光(1968—),男,江蘇揚(yáng)州人,江蘇省江都市職教集團(tuán)講師,主要從事化工教學(xué)與教學(xué)管理。

(本文責(zé)任編輯:謝良才)