綜合設(shè)計性實驗的開發(fā)及教學(xué)實踐

王方闊，于美愛，謝冬，董華澤，徐奧運，程雪晴

（合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥 230601）

隨著中國高等教育改革持續(xù)推進，學(xué)科專業(yè)建設(shè)更加注重內(nèi)涵式發(fā)展。其中，化工行業(yè)在國家經(jīng)濟社會發(fā)展和民生保障領(lǐng)域中逐步凸顯其重要地位和作用。因此，建設(shè)“一流”化工專業(yè)，為國家和社會培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實，綜合實踐能力強的應(yīng)用型人才就成為化工教育工作者的重要責(zé)任。為了培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)實驗中基本操作技能的綜合應(yīng)用能力，通常會開設(shè)部分綜合設(shè)計性項目，而在為化工專業(yè)開設(shè)的綜合實踐性實驗項目中，應(yīng)該注重與化工生產(chǎn)和生活實際相結(jié)合[1,2]。在開展《分析化學(xué)實驗》課程“鐵礦石全鐵含量的測定”實驗教學(xué)中，用鹽酸加熱溶解時發(fā)現(xiàn)：1）鹽酸容易揮發(fā)產(chǎn)生的氣味難聞，即使在通風(fēng)櫥內(nèi)操作，也不利于安全環(huán)保；2）溶解速度較慢且溶解效率不高。隨著人們的環(huán)保意識不斷增強，在實驗教學(xué)中需要注重培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保節(jié)能意識，對于化工專業(yè)學(xué)生更要加強引導(dǎo)他們充分利用“變廢為寶”的思路去進行化工技術(shù)改進或產(chǎn)品開發(fā)。在實驗教學(xué)及文獻調(diào)研中受到啟發(fā)，先以廢鐵粉為原材料，常溫下，在加入單一鹽酸、硝酸或硫酸溶液只能部分溶解時，選擇鹽酸和硝酸混合溶液進行溶解，當鹽酸/硝酸體積比為1∶5 時可以快速全部溶解。但是當把廢鐵粉換成1.5g/根規(guī)格的廢鐵釘時，就只能部分溶解，隨后進一步探究發(fā)現(xiàn)，硫酸和硝酸以不同體積比時可以較快完全溶解，且改變配比或添加助溶劑可以使2.5、5、7.5g/根不同規(guī)格的鐵釘較快地完全溶解。同時還對溶解后的混合溶液進行分離、純化處理，可以得到純度較高的鐵化合物，所得氯化鐵和硫酸鐵等產(chǎn)品在水凈化、工業(yè)催化及拋光刻蝕等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為此，設(shè)計開發(fā)“廢鐵溶解、粗產(chǎn)品制備及提純”為主題的綜合性實驗并進行教學(xué)實踐具有重要的實用價值，不僅可以提升學(xué)生的綜合實驗水平，還可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識。

1 實驗方法

1.1 廢鐵粉溶解及產(chǎn)品制備

1.1.1 廢鐵粉溶解

先量取30mL 濃鹽酸置于100mL 燒杯中，再稱取約5g 廢鐵粉，緩慢加入到上述溶液中，邊加入邊攪拌使其溶解。然后在4 個100mL 燒杯內(nèi)按照濃鹽酸/濃硝酸體積比分別為20∶10、15∶15、10∶20、5∶25 依次配置30mL 混合溶液4 份，再稱取4份5g 鐵粉分別緩慢加入到上述溶液中，邊加入邊攪拌使其溶解。（上述實驗均在通風(fēng)櫥內(nèi)操作）

1.1.2 產(chǎn)品的制備方法

將溶解反應(yīng)完全的溶液趁熱過濾，濾液轉(zhuǎn)移至干凈的坩堝中，在電加熱套上加熱、蒸發(fā)、濃縮，注意控制加熱溫度，不時用玻璃棒攪拌，防止爆沸，待溶液中出現(xiàn)結(jié)晶時，停止加熱，冷卻至室溫，待結(jié)晶完全后，抽濾減壓過濾，干燥，得氯化鐵粗產(chǎn)品。再以水為溶劑進行重結(jié)晶純化，得到純度較高得黃色氯化鐵晶體。

1.2 廢鐵釘溶解及產(chǎn)品制備

實驗流程圖如圖1 所示。

圖1 廢鐵釘溶解及產(chǎn)品制備實驗流程

1.2.1 廢鐵釘溶解

按照體積比分別為10∶5∶15、10∶10∶10、5∶5∶20、5∶10∶15、10∶15∶5 配置5 份水/硝酸/硫酸混合溶液（分別編號為A、B、C、D、E），配置過程先將濃硝酸在攪拌下緩慢加入水中充分溶解后，再在攪拌下緩慢加入濃硫酸充分混合溶解，再用鑷子夾住1.5g/根規(guī)格的廢鐵釘放入上述混合溶液中，每份溶液放入2 根，使其充分反應(yīng)。

1.2.2 產(chǎn)品制備

對于A 反應(yīng)溶液中，加入乙醇溶液對沉淀進行充分洗滌，通過傾析法進行分離，將固體在熱水浴上烘干，得到的粗產(chǎn)品用水進行重結(jié)晶，得到純度較高的硫酸鐵晶體。

1.3 質(zhì)量檢測與分析

依據(jù)參考文獻[2]通過分光光度法測定產(chǎn)品中鐵含量，先配制系列濃度硫酸鐵銨標準溶液，測定其最大吸收波長510nm 處的吸光度，以吸光度A 為縱坐標，標準溶液濃度為橫坐標進行標準曲線繪制。再準確配制待測樣品的溶液（0.1g/L)100mL,測試其吸光度，對照標準曲線求解其濃度，計算產(chǎn)品制鐵含量。同時依據(jù)參考文獻[3]可采用氯化亞錫—甲基橙容量法通過氧化還原滴定求解其鐵含量。通過兩種方法對比實驗分析證明檢測結(jié)果可信度。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢鐵粉溶解、產(chǎn)品制備及純度測定

觀察實驗現(xiàn)象，濃鹽酸中的廢鐵粉30min 后還剩余較多固體，濃鹽酸/濃硝酸體積比分別為20 ∶10 時，30min后還剩余少量固體、15 ∶15 時30min 后內(nèi)基本溶解完，10∶20 時需要10min 可以基本溶解完、5∶25 時，只需要3min 就能完全溶解。然后，將5∶25 時得到的溶液蒸發(fā)濃縮得到的粗產(chǎn)品為顏色較深固體顆粒，重結(jié)晶之后可得到黃色晶體。通過光譜法和滴定法分別對產(chǎn)品的鐵含量測定，結(jié)果基本一致，并且基本符合六水合氯化鐵的組成，表明可通過廢鐵粉回收反應(yīng)制備氯化鐵產(chǎn)品。

2.2 廢鐵釘溶解、產(chǎn)品制備及純度

如圖2 所示：A 和B 燒杯內(nèi)反應(yīng)較快，20min內(nèi)基本反應(yīng)完全，得到淡黃色海綿狀固體，B 反應(yīng)相對較慢；C 和D 燒杯內(nèi)無明顯反應(yīng)現(xiàn)象；E 燒杯內(nèi)反應(yīng)比較劇烈，大量放熱，反應(yīng)溶液沸騰直至反應(yīng)結(jié)束，10min 基本反應(yīng)完全。利用硫酸鐵和硝酸鐵在乙醇中的溶解度差異，在A 中加入30mL 乙醇洗滌，固液分層明顯（如圖2-f），通過傾析法得到顏色較淺的固體，然后再用水重結(jié)晶得到細顆粒狀淡黃色固體硫酸鐵。通過光譜法和滴定法分別對產(chǎn)品的鐵含量測定，結(jié)果基本一致，并且基本符合硫酸鐵的組成，純度達95%以上，可能含有一定量的水。

圖2 a-e 圖為廢鐵定在混合酸中的溶解情況，f 圖為A燒杯中加入乙醇后的分離情況

3 教學(xué)實踐

上述實驗內(nèi)容作為綜合設(shè)計性實驗在化工專業(yè)《基礎(chǔ)化學(xué)實驗》課程中進行教學(xué)實踐過程中[4]，將教學(xué)班級25 人，分為5 組，每組5 人，設(shè)1名組長，負責(zé)組織確定具體實驗方案，然后分工操作，相互協(xié)助，比如在溶解過程中每人完成1組實驗，然后比較實驗現(xiàn)象，產(chǎn)品制備時，蒸發(fā)，濃縮，減壓過濾等操作分工協(xié)作完成，測定時每2人一組嘗試一種測定方法，組長負責(zé)數(shù)據(jù)記錄及處理，最后完成實驗報告。通過對近3 年4 個實驗教學(xué)班的教學(xué)情況總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)：1）學(xué)生的操作參與度明顯提高，比如在用光譜法和滴定法測定含量時，數(shù)據(jù)記錄和處理時學(xué)生都比較認真，經(jīng)常會多次反復(fù)驗算；2）觀察分析實驗現(xiàn)象更加仔細，比如在鐵粉或鐵定溶解時，學(xué)生對各種情況下出現(xiàn)現(xiàn)象差異性分析比較認真，還會主動查閱相關(guān)資料，并且能夠與老師積極交流討論；3）實驗方法可行，可操作性強，實驗現(xiàn)象清楚，結(jié)果科學(xué)合理。4）安全環(huán)保意識增強，因為在實驗中用到強酸，大家在操作時特別小心，相互幫助，并且對于產(chǎn)生的有害氣體還能自行設(shè)計尾氣吸收裝置，效果良好。綜合情況表明：通過“廢鐵溶解、粗產(chǎn)品制備及提純”綜合設(shè)計性實驗教學(xué)可以充分調(diào)動學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生主動思考，認真參與實驗。而且通過該實驗還可以引導(dǎo)學(xué)生對化工生產(chǎn)中的一些工藝技術(shù)開發(fā)及改進問題進行思考和探索。