滴定分析化学实验的小量化和减量化改革与实践

2013-09-06钟国清

实验技术与管理 2013年10期

钟国清

（西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621010）

多年来，滴定分析化学实验一直采用常量分析法，存在着试样量大、滴定用试液多、化学废物排放量多、实验费时费药、不利于环保等问题[1]。在化学实验教学中加强绿色化学教育，对传统化学实验内容进行绿色化改革，并推行绿色化学实验是大势所趋[2]。如何把绿色化学的理念融合于大学化学教学，在化学实验中减少环境污染，增强广大师生环保意识，使绿色化学成为化学教育的重要组成部分，也是化学实验课程改革的新课题[3]。绿色滴定分析化学实验新体系的建立和完善，有利于与化学相关专业的大一学生牢固树立绿色化学观念和环保意识。从有关院校实验教学改革的经验看，寻找替代品、推行微型实验、发展封闭式实验和串联实验、开发模拟实验、回收利用实验产物是实现定量分析化学实验绿色化的重要途径[4]。因此，放弃污染严重的传统化学实验，探索化学实验的“绿色化”改造，是化学实验教育工作者的奋斗方向。而目前的微型化学实验，基本上需要使用与之相配套的微型滴定实验仪器，这样常量化学分析所使用的仪器有相当的一部分将被闲置，造成一定的浪费[5]。为此，我们对传统的滴定分析化学实验进行了“小量化、减量化、绿色化”改造。改进后的实验方法更有助于学生掌握滴定分析的基本操作，缩短实验时间，增加实验课的课堂容量，大幅度降低实验消耗和节省实验经费，在教学实践中取得了良好的效果。

1 滴定分析化学实验的改革概述

长期以来，国内教材中滴定分析实验一直沿用50mL滴定管、25mL移液管、250mL锥形瓶等玻璃器皿，标准溶液的浓度采用0.1～0.2mol·L－1，不仅试剂用量大，实验费用高，而且对环境的污染较大，对部分使用KI、AgNO3等贵重药品较多的实验，因费用消耗太大而很难继续开出。近年来，人们对微型滴定实验研究较多[6－12]，主要采用市售双管式滴定管（规格5mL±0.002mL）、10mL（最小刻度0.05mL）微型滴定管、自制微型滴定装置等进行滴定[13]，有些装置采用计滴数来确定消耗标准溶液的体积，但多数微量滴定管不具备滴定分析要求的精密度和准确度，或仪器结构复杂、操作麻烦、价格偏高[14]，同时因试样用量少、称量误差大，有的实验准确度达不到定量分析的要求，例如采用5mL吸量管自制的微型滴定装置就难以达到常量滴定的准确度[15]。此外，罗明辉等[16]还研究了微型称量滴定法在定量化学分析实验中的应用条件和步骤，并应用于14个教学实验中。

微型化学实验是以尽量少的化学原料和试剂获取尽量多的化学信息，具有减少试剂用量、节约实验费用、降低实验室排废量、减少实验室污染等优点，是实现化学实验绿色化的一个重要途径。微型化学实验的试剂用量比对应的常规实验节约90%以上，时间缩短1／3左右。采用微型化学实验技术，可以减少试剂用量、缩短实验时间、降低环境污染，但重新购置微型实验仪器，也会增加较多经费，并且微型滴定实验仪器的操作方法与教科书中常规仪器的操作方法不同，因此推广难度大。

在推广微型化学实验的基础上，应着重进行减量化实验改革，即在保证实验教学效果的前提下，用常量仪器通过减少试剂浓度及用量来进行实验[17]。根据滴定分析化学实验的特点，从加强环境教育入手，我们用绿色化学的观念对传统实验教学内容进行改造，建立了“小量化、减量化、绿色化”实验内容，在常规仪器中完成滴定分析化学实验教学，不仅可以大量减少化学试剂和药品的消耗、节省实验消耗费用，而且也可加强学生的环保意识、减轻环境污染，同时提高教学质量和效益。

在实验原理、方法、操作与常量滴定分析相同的情况下，采用常规的小容量仪器（如10mL移液管、100 mL锥形瓶、25mL滴定管），同时将标准溶液的浓度降低到0.01～0.05mol·L－1，基本上可以保证测定结果的精密度和准确度[18]。由于小量化实验所用仪器较传统仪器小，操作起来更轻松，并可减轻实验强度、缩短实验时间、降低仪器破损率、大幅度节省实验经费[19－20]。为了验证减量化滴定分析法的精密度和准确度，以及在实验教学中的可行性，我们选择了几个典型的教学实验，用常量法做了对照实验。

2 胆矾中铜含量测定的减量化

碘量法测定胆矾或铜矿中铜的含量是一个经典的教学实验，传统教材采用的是0.10mol·L－1甚至是0.20mol·L－1硫代硫酸钠标准溶液，学生平行做3次实验，一般消耗碘化钾的量超过6g。碘化钾较贵（约240元／500g）且耗量多，使得实验成本高，有的学校便放弃做该实验。在小容量仪器基础上进行减量化实验，把硫代硫酸钠标准溶液浓度降至0.020mol·L－1，3次平行实验消耗碘化钾总量不到1g。改进后的实验操作如下：

（1）0.02mol·L－1Na2S2O3溶液的标定。用减量法准确称取已干燥过的K2Cr2O70.1～0.13g（本实验称取0.1156g）于100mL烧杯中，用适量蒸馏水溶解后，定量转入100mL容量瓶中，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀。用移液管取10.00mL K2Cr2O7溶液于100 mL碘量瓶中，加入5mL 5%KI溶液和5mL 1mol·L－1H2SO4溶液，混匀。在暗处放5min，然后用10 mL蒸馏水稀释，用Na2S2O3标准溶液滴定至浅黄绿色，加入0.5mL 0.5%淀粉溶液，继续滴定至蓝色刚好消失（呈Cr3＋的绿色）为终点，记录滴定所消耗的Na2S2O3溶液的体积，按下式计算Na2S2O3溶液的浓度，实验结果见表1。

表1 Na2S2O3溶液的标定结果

（2）胆矾中铜含量测定。用减量法准确称取胆矾试样约0.1g（本实验称取的5份样品质量分别为0.1043g，0.1058g，0.1081g，0.0986g，0.1095 g）置于100mL锥形瓶中，加入1mL 1mol·L－1H2SO4溶液及10mL蒸馏水，样品溶解后，加入1mL饱和NaF溶液（若不含Fe3＋，则不加入）和5mL 5%KI溶液，摇匀后立即用0.02mol·L－1Na2S2O3标准溶液滴定至浅黄色（接近终点）。然后加入0.5mL 0.5%的淀粉溶液，继续滴定到呈浅蓝色（更接近终点），再加入2mL 5%KSCN溶液，摇匀，溶液的蓝色转深，再继续用Na2S2O3标准溶液滴定至蓝色刚好消失为止，记录所耗Na2S2O3标准溶液的体积。平行测定5次，按下式计算样品中铜的质量分数，实验结果见表2。

表2 胆矾中Cu含量测定结果

从表1和表2可以看出，无论对Na2S2O3标准溶液的标定，还是胆矾中铜含量的测定，减量法和常量法的相对平均偏差均未超过0.2%，并且2种方法的相对平均偏差和相对标准偏差没有显著差异。实验结果表明，减量法测得铜含量的准确度和精密度能达到要求，同时比传统实验节约经费80%以上。我校每年有1400余人学习分析化学、无机及分析化学课程，仅KI就可以节省大约7000g（14瓶），节约实验经费3000多元。测定胆矾中的铜含量，学生实验时可用减量法准确称取胆矾试样约0.3g，并定容为50mL，移取10.00mL进行滴定，这样可以进一步降低称量误差。

3 自来水总硬度测定的减量化

自来水的总硬度及钙镁含量测定也是一个经典的教学实验，传统教材采用的是0.01mol·L－1EDTA标准溶液，在小容量仪器基础上进行减量化实验，把EDTA标准溶液浓度降至0.005mol·L－1，改进后总硬度的实验操作如下：用移液管吸取澄清水样（若浑浊，则以中速滤纸干过滤）25.00mL于锥形瓶中，加入1∶2三乙醇胺1mL，pH ＝10的氨性缓冲溶液3 mL，铬黑T指示剂少许（米粒大小），在充分摇动下，用0.005mol·L－1的EDTA标准溶液（本实验所用浓度为0.004615mol·L－1）滴定到溶液由酒红色经紫色变为纯蓝色即为终点，记下EDTA的用量。平行测定5次，按下式计算自来水K的总硬度，测定结果见表3。

表3 自来总水硬度测定结果

从表3可以看出，减量法和常量法的相对平均偏差均未超过0.2%，2种方法的相对平均偏差和相对标准偏差没有显著差异，但减量法比传统的实验节约试剂60%以上。

4 可溶性氯化物中氯含量测定的减量化

可溶性氯化物氯含量的测定（莫尔法）实验中，许多教材的设计是：称取AgNO38.5g溶解于500mL不含Cl－的蒸馏水中（AgNO3溶液浓度约为0.1mol·L－1），若将硝酸银标准溶液浓度降低到原来的1／5（约0.02mol·L－1），可大幅度节约实验经费。改进后的实验操作如下：用减量法准确称取0.2g左右的粗食盐样品（本实验称取0.1865g）于50mL烧杯中，加蒸馏水溶解后定量转入100mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。准确移取10.00mL试液于锥形瓶中，加入10滴5%K2CrO4指示剂，在不断摇动下，用AgNO3标准溶液（本实验所用浓度为0.02012 mol·L－1）滴定至刚呈砖红色，即为终点，记下所耗AgNO3溶液的体积。平行测定5次，按下式计算NaCl的含量，实验结果见表4。

表4 粗食盐样品中NaCl含量测定结果

从表4可以看出，减量法和常量法的相对平均偏差均未超过0.2%，两种方法的相对平均偏差和相对标准偏差也没有显著差异，但减量法比传统的实验节约试剂80%以上。

5 结束语

通过对滴定分析化学实验教学内容的“小量化、减量化、绿色化”改革，在常规小容量仪器中减少标准溶液的用量和降低浓度来完成分析化学、无机及分析化学等实验课程的教学，在近2年的教学实践中取得了良好的效果。改进后的实验方法，一方面更有助于学生掌握实验的基本操作技能、减少环境污染、加强学生综合素质与创新能力的培养和提高、增强环保意识、实现实验教学的绿色化，另一方面可减少玻璃仪器的破损率，大幅度降低实验消耗、节省实验经费，全面提高人才的培养质量和效益，从而建立和完善绿色分析化学实验体系。

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