以培養(yǎng)研究型人才為導向的基礎化學實驗教學設計與實踐

王靜，李會平，王小燕，羅世忠，王書文

青島科技大學化學與分子工程學院，山東 青島 266042

新時代全國高等學校本科教育工作會議指出，人才培養(yǎng)是大學的本質(zhì)職能，一流大學建設必須聚焦人才培養(yǎng)[1]。各高校把握人才培養(yǎng)工作的新形勢和新任務[2,3]，將培養(yǎng)具有科研和創(chuàng)新能力的研究型人才作為高等教育戰(zhàn)略目標[4,5]。研究型人才是指在具有扎實的理論知識、系統(tǒng)的研究方法和能力、掌握先進科學技術(shù)的同時，具有嚴謹求實的科研能力和勇于探索的創(chuàng)新能力，今后主要從事各專業(yè)的科學研究和創(chuàng)新工作[6]。對培養(yǎng)研究型人才具有重要作用的研究性教學模式，不同于單向的知識傳授方式，而是以學生為主體，教師通過多方位啟發(fā)，引導學生主動探究，充分參與，提倡學生自主學習，將所學理論與實踐充分結(jié)合[7–9]。

基礎化學實驗作為面向大一新生的一門必修實踐課程，在鍛煉學生綜合運用理論和實驗知識、培養(yǎng)分析和解決問題能力，以及養(yǎng)成良好科學素養(yǎng)和習慣等方面起著不可替代的作用[2]。在傳統(tǒng)的化學實驗教學過程中，教師為學生準備好所需濃度的試劑和儀器，準確的實驗步驟，詳細的注意事項，確切的實驗結(jié)果。學生進入實驗室后，只需要“照方抓藥”，驗證實驗結(jié)果，不利于思考、動手、總結(jié)，實驗教學效果遠遠達不到預期的目標，創(chuàng)新能力難以得到培養(yǎng)[10]。實驗課堂作為研究性教學環(huán)節(jié)的重要載體，要求融合知識傳授、技能鍛煉、能力培養(yǎng)、思維更新、素質(zhì)提升于一體[11]。那么，如何將研究性教學模式應用于基礎化學實驗的課堂，就要求對基礎化學實驗的授課內(nèi)容、傳授方式、教學環(huán)境等環(huán)節(jié)進行縝密的設計和充足的準備。

“硫代硫酸鈉溶液標定實驗”是基礎化學實驗課程開設的氧化還原法滴定分析實驗“硫代硫酸鈉溶液的配制、標定及間接碘法測定銅含量”的一部分。在間接碘法標定硫代硫酸鈉溶液的實驗中，指示劑的加入時機、酸度、反應時間等因素均對實驗結(jié)果有較大影響。本實驗源于學生在標定過程中對基準物的思考，提出對反應條件、指示劑、滴定終點等實驗條件如何確定的問題。教師根據(jù)學生提出的疑問，引導學生首先查閱文獻，結(jié)合氧化還原滴定的理論知識，在理論分析計算的基礎上，設計實驗方案。學生以分組形式，各小組合理分工、相互配合完成實驗動手操作、數(shù)據(jù)記錄和整理。學生通過多次實驗操作和總結(jié)分析，解決所提出的疑問，考查驗證實驗方案設計的合理性。在研究性教學模式的實施過程中，實驗教學與系統(tǒng)科學研究方法相互滲透，學生在自主探索和研究中感受實驗的樂趣和魅力，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W思維和良好的科學素養(yǎng)，有利于研究型人才的培養(yǎng)[12]。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

(1) 掌握間接碘法標定Na2S2O3溶液的基本原理和方法。

(2) 學習考查實驗條件的方法，掌握標定終點的判斷方法。

(3) 培養(yǎng)學生查閱文獻，分析、解決問題，綜合運用理論與實踐相結(jié)合的能力。

1.2 儀器與試劑

(1) 儀器：分析天平(Mettler Toledo，型號EL104100)，酸度計(Mettler Toledo，型號EL20K)，磁力攪拌器，臺秤，燒杯(100 mL、500 mL)，量筒(10 mL、20 mL、50 mL)，250 mL容量瓶，25 mL移液管，250 mL碘量瓶。

(2) 試劑：Na2S2O3·5H2O (A.R.，s)，Na2CO3(A.R.，s)，K2Cr2O7(A.R.，s)，KIO3(A.R.，s)，10%KI溶液，6 mol·L?1HCl，3 mol·L?1H2SO4，1 mol·L?1H2SO4，0.5 mol·L?1H2SO4，0.2 mol·L?1H2SO4，1%淀粉溶液。

1.3 實驗方法

1.3.1 0.1 mol·L?1Na2S2O3溶液的配制

稱取20 g Na2S2O3·5H2O于500 mL燒杯中，加入200–300 mL新煮沸已冷卻的去離子水，再加入0.2 g Na2CO3，待完全溶解后，用新煮沸已冷卻的去離子水稀釋至800 mL，儲于棕色試劑瓶中。

1.3.2 0.1 mol·L?1Na2S2O3溶液的標定

方法一：

準確稱取已烘干的K2Cr2O7(Mr= 294.2) 0.11–0.16 g于250 mL碘量瓶中，加入10–20 mL水使之溶解，再加入20 mL 10%KI溶液和5.0 mL 6 mol·L?1HCl，混勻后蓋好塞子，水封，暗處放置5–10 min。反應結(jié)束后加50 mL水稀釋一倍，用0.1 mol·L?1Na2S2O3溶液滴定至呈淺黃綠色，加入1 mL 1%淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍色變?yōu)榫G色，即為終點。平行測定 3次，計算 Na2S2O3溶液的濃度c(Na2S2O3)[13]。

方法二：

準確稱取質(zhì)量為m(KIO3) = 1.0008 g (誤差±0.0001g)的KIO3(Mr= 214.0)于100 mL燒杯中，加適量去離子水完全溶解后，轉(zhuǎn)移，定容至250 mL容量瓶中。

準確移取25.00 mL上述碘酸鉀溶液于250 mL碘量瓶中，加入體積V(KI)的10% KI溶液和濃度為c(H2SO4)的硫酸 V(H2SO4)，混勻后蓋好塞子并水封，暗處放置一定時間 t。反應結(jié)束后加體積為V(H2O)的去離子水稀釋，立即用待標定的0.1 mol·L?1Na2S2O3溶液滴定至淡黃色，加入1 mL 1%淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍色恰好褪去呈無色溶液即為終點。記錄消耗的Na2S2O3溶液的體積V(Na2S2O3)，并計算Na2S2O3溶液的濃度c(Na2S2O3)。

1.4 反應方程式及計算公式

2 實驗教學過程

實驗教學中將學生分成小組，每個小組根據(jù)考查實驗條件的影響因素分工操作，完成實驗操作后，整理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果。

2.1 方法一標定Na2S2O3溶液

采用 K2Cr2O7作為基準物標定 Na2S2O3溶液的實驗方案(方法一)在基礎化學實驗課堂中已開展多年。實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 K2Cr2O7作為基準物標定Na2S2O3溶液實驗數(shù)據(jù)

實驗過程中發(fā)現(xiàn)：(1) 使用6 mol·L?1鹽酸作為酸性介質(zhì)時，標定終點為CrCl3亮綠色。但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)由于鹽酸的揮發(fā)性較強，極易形成酸霧。(2) 改為使用3 mol·L?1硫酸后，標定終點時反應產(chǎn)物有、I-和藍綠色Cr2(SO4)3溶液。標定終點由淀粉與碘生成的藍墨色突變到藍綠色，顏色變化不顯著，不利于終點觀察。(3) K2Cr2O7毒性強，有強致癌性，污染嚴重。學生總結(jié)實驗時提出是否可以采用KIO3作為基準物標定Na2S2O3溶液以解決這三個問題。

2.2 方法二標定Na2S2O3溶液

考慮到采用KIO3作為基準物標定Na2S2O3溶液，基準物反應條件和滴定過程均發(fā)生變化。這就要求對整個實驗過程的條件重新進行摸索。學生首先查閱文獻，小組分析討論，最終確定需要考查的實驗條件有：酸度、加水量、反應時間、KI溶液的加入量，以及滴定終點的判斷方法。

2.2.1 溶液酸度的影響

在考查pH對實驗的影響時，10%KI溶液的加入量為10 mL，反應時間3 min，基準物反應結(jié)束后加入50 mL水。由公式3計算可知基準物反應理論需要H2SO42.806 × 10?3mol，pH為4.3 (公式4)，即滴定反應時pH最大為4.3。

基準物KIO3與KI在酸性條件下反應生成I2，滴定過程中必須考慮降低I2的揮發(fā)。同時為了實時測試反應溶液的pH，學生借鑒實驗“乙酸離解常數(shù)的測定——電位滴定法”中pH的測定方法[13]，搭建標定實驗裝置(圖1)。

圖1 Na2S2O3溶液標定實驗裝置圖

結(jié)合計算結(jié)果，選擇不同濃度和不同體積的硫酸溶液考查pH的影響，實驗數(shù)據(jù)見表2。

在滴定過程中，考慮到減小I2揮發(fā)，滴定開始時攪拌速度較慢，加入淀粉指示劑后可增大攪拌速度。從表2中可以看出不同濃度的H2SO4對pH影響較大。濃度為3 mol·L?1時酸度較強，濃度為1 mol·L?1時體積從1 mL到2 mL的pH由5.89急劇減小為1.67，酸度驟然增強。而濃度為0.5 mol·L?1時體積從3 mL到4 mL的pH由5.15急劇降低為2.15?？梢妼尤胍欢舛鹊腍2SO4溶液，體積應嚴格控制在一定范圍。從實驗數(shù)據(jù)計算得到的c(Na2S2O3)來看，pH為0.8–4.3時標定得到的c(Na2S2O3)與方法一結(jié)果相近。

表2 溶液pH對Na2S2O3溶液標定的影響

2.2.2 加水量的影響

基準物反應條件是中性或弱酸性條件，實際實驗操作的條件偏酸性。而滴定反應需要在中性或弱酸性條件下進行，以防止酸性過強Na2S2O3分解和I-被氧化。所以，基準物反應結(jié)束后需要降低溶液的酸度。標定實驗過程中考慮加入一定體積的水來達到降低溶液酸度的目的。

統(tǒng)計顯示，近五年來，遵醫(yī)附院累計獲國家自然科學基金112項，批準立項數(shù)連續(xù)7年在貴州省醫(yī)療機構(gòu)中排名第一；2015-2017年，累計開展新技術(shù)、新項目426項，各級科技成果獎27項，連續(xù)獲得2015年、2016年貴州省科技進步一等獎；先后榮獲“全國優(yōu)秀全科專業(yè)住培基地”“H7N9防控工作先進單位”“2018年度群眾滿意的醫(yī)療機構(gòu)”等榮譽。

由公式6理論分析可以看出，加入少量水對溶液pH影響不大。學生通過實驗考查滴定開始前加入不同體積水對pH的影響，數(shù)據(jù)見表3。

表3 滴定開始前加入不同體積水對Na2S2O3溶液標定的影響

2.2.3 反應時間影響

基準物KIO3作為氧化劑與KI反應中，在酸性條件下氧化性增強，且酸性越強，氧化性越強，反應速率也越快。而反應時間過長，會發(fā)生副反應，增加I2的揮發(fā)。表4是加入10 mL 10% KI溶液時，不同pH條件下，不同反應時間的實驗數(shù)據(jù)。

表4數(shù)據(jù)顯示，pH分別為2、3、4時，反應時間為3 min和5 min的實驗數(shù)據(jù)基本一致。而不同pH時，反應時間為0 min時與方法一的實驗結(jié)果最相近。說明KIO3作為基準物，與KI和H2SO4溶液的反應速率快，反應物混勻后無需放置，可立即開始滴定。

表4 不同pH條件下反應時間對Na2S2O3溶液標定的影響

2.2.4 KI加入量的影響

基準物反應需加入過量的KI，以增加反應物濃度，促使反應進行得更完全。而且過量I-與I2反應生成，增加I2溶解度，確保滴定反應定量進行。但若KI過量較多，會造成滴定反應產(chǎn)物I-濃度增加，致使反應進行不完全。為提高KI的加入速率，選擇加入10% KI溶液。由公式7–9理論計算得出與KIO3反應需要KI的質(zhì)量為0.6210 g，10% KI溶液體積約為5.6 mL。即基準物反應最少需要約5.6 mL的10% KI溶液。表5考查了不同pH條件下，加入不同體積的10% KI溶液的影響。

分析表5可以看出，加入5 mL 10% KI溶液時，由于KI量不足造成產(chǎn)生較多無法溶解的I2，滴定實驗無法正常進行。pH為2–4時，10% KI溶液體積大于8 mL標定所得c(Na2S2O3)與方法一相近。pH為3，加入10 mL 10% KI溶液，以及pH為2，加入13 mL 10% KI溶液時標定所得Na2S2O3濃度與方法一最相近。

表5 不同pH時10%KI溶液的加入體積對Na2S2O3溶液標定的影響

2.3 實驗數(shù)據(jù)討論分析

將方法二與方法一的實驗數(shù)據(jù)相比較可以看出，選擇KIO3為基準物標定Na2S2O3溶液的條件是溶液pH小于4，硫酸的加入量應嚴格控制，以防止pH驟變。加入10% KI溶液的體積應大于10 mL，基準物反應速率快，反應物混合均勻后可立即開始滴定。滴定開始前水的加入對pH影響不大。滴定過程中，淀粉指示劑在滴定至溶液呈淡黃色時加入，繼續(xù)滴定至藍色恰好消失呈無色，即為滴定終點。

3 教學建議及總結(jié)

(1) 實驗以學生為主體，教師主要起到引導作用，通過觀察實驗現(xiàn)象提出問題，引導學生整理所學理論知識，結(jié)合學習的實驗內(nèi)容，融會貫通，設計有理有據(jù)的實驗方案。

(2) 根據(jù)基準物的不同和需要考查的實驗影響因素，將全班分成小組進行實驗。小組間積極開展針對實驗基本操作技能和實驗方案設計、實施的介紹和討論。

(3) 該實驗屬于滴定分析中的氧化還原滴定，在實驗方案的實施中，引導學生借鑒電位滴定法的實驗裝置，全面培養(yǎng)學生的綜合實驗技能。

(4) 培養(yǎng)學生學習整理實驗數(shù)據(jù)，對比分析數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論的能力。實驗報告以論文的形式完成，訓練學生整理數(shù)據(jù)和撰寫科技論文的能力。

(5) 實驗內(nèi)容具有較強的可操作性和研究性。教學實踐證明能夠激發(fā)學生的實驗熱情，有利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和勇于探索的研究精神。