滴定分析化學實驗的小量化和減量化改革與實踐

鐘國清

（西南科技大學 材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

多年來，滴定分析化學實驗一直采用常量分析法，存在著試樣量大、滴定用試液多、化學廢物排放量多、實驗費時費藥、不利于環保等問題[1]。在化學實驗教學中加強綠色化學教育，對傳統化學實驗內容進行綠色化改革，并推行綠色化學實驗是大勢所趨[2]。如何把綠色化學的理念融合于大學化學教學，在化學實驗中減少環境污染，增強廣大師生環保意識，使綠色化學成為化學教育的重要組成部分，也是化學實驗課程改革的新課題[3]。綠色滴定分析化學實驗新體系的建立和完善，有利于與化學相關專業的大一學生牢固樹立綠色化學觀念和環保意識。從有關院校實驗教學改革的經驗看，尋找替代品、推行微型實驗、發展封閉式實驗和串聯實驗、開發模擬實驗、回收利用實驗產物是實現定量分析化學實驗綠色化的重要途徑[4]。因此，放棄污染嚴重的傳統化學實驗，探索化學實驗的“綠色化”改造，是化學實驗教育工作者的奮斗方向。而目前的微型化學實驗，基本上需要使用與之相配套的微型滴定實驗儀器，這樣常量化學分析所使用的儀器有相當的一部分將被閑置，造成一定的浪費[5]。為此，我們對傳統的滴定分析化學實驗進行了“小量化、減量化、綠色化”改造。改進后的實驗方法更有助于學生掌握滴定分析的基本操作，縮短實驗時間，增加實驗課的課堂容量，大幅度降低實驗消耗和節省實驗經費，在教學實踐中取得了良好的效果。

1 滴定分析化學實驗的改革概述

長期以來，國內教材中滴定分析實驗一直沿用50mL滴定管、25mL移液管、250mL錐形瓶等玻璃器皿，標準溶液的濃度采用0.1～0.2mol·L－1，不僅試劑用量大，實驗費用高，而且對環境的污染較大，對部分使用KI、AgNO3等貴重藥品較多的實驗，因費用消耗太大而很難繼續開出。近年來，人們對微型滴定實驗研究較多[6－12]，主要采用市售雙管式滴定管（規格5mL±0.002mL）、10mL（最小刻度0.05mL）微型滴定管、自制微型滴定裝置等進行滴定[13]，有些裝置采用計滴數來確定消耗標準溶液的體積，但多數微量滴定管不具備滴定分析要求的精密度和準確度，或儀器結構復雜、操作麻煩、價格偏高[14]，同時因試樣用量少、稱量誤差大，有的實驗準確度達不到定量分析的要求，例如采用5mL吸量管自制的微型滴定裝置就難以達到常量滴定的準確度[15]。此外，羅明輝等[16]還研究了微型稱量滴定法在定量化學分析實驗中的應用條件和步驟，并應用于14個教學實驗中。

微型化學實驗是以盡量少的化學原料和試劑獲取盡量多的化學信息，具有減少試劑用量、節約實驗費用、降低實驗室排廢量、減少實驗室污染等優點，是實現化學實驗綠色化的一個重要途徑。微型化學實驗的試劑用量比對應的常規實驗節約90%以上，時間縮短1／3左右。采用微型化學實驗技術，可以減少試劑用量、縮短實驗時間、降低環境污染，但重新購置微型實驗儀器，也會增加較多經費，并且微型滴定實驗儀器的操作方法與教科書中常規儀器的操作方法不同，因此推廣難度大。

在推廣微型化學實驗的基礎上，應著重進行減量化實驗改革，即在保證實驗教學效果的前提下，用常量儀器通過減少試劑濃度及用量來進行實驗[17]。根據滴定分析化學實驗的特點，從加強環境教育入手，我們用綠色化學的觀念對傳統實驗教學內容進行改造，建立了“小量化、減量化、綠色化”實驗內容，在常規儀器中完成滴定分析化學實驗教學，不僅可以大量減少化學試劑和藥品的消耗、節省實驗消耗費用，而且也可加強學生的環保意識、減輕環境污染，同時提高教學質量和效益。

在實驗原理、方法、操作與常量滴定分析相同的情況下，采用常規的小容量儀器（如10mL移液管、100 mL錐形瓶、25mL滴定管），同時將標準溶液的濃度降低到0.01～0.05mol·L－1，基本上可以保證測定結果的精密度和準確度[18]。由于小量化實驗所用儀器較傳統儀器小，操作起來更輕松，并可減輕實驗強度、縮短實驗時間、降低儀器破損率、大幅度節省實驗經費[19－20]。為了驗證減量化滴定分析法的精密度和準確度，以及在實驗教學中的可行性，我們選擇了幾個典型的教學實驗，用常量法做了對照實驗。

2 膽礬中銅含量測定的減量化

碘量法測定膽礬或銅礦中銅的含量是一個經典的教學實驗，傳統教材采用的是0.10mol·L－1甚至是0.20mol·L－1硫代硫酸鈉標準溶液，學生平行做3次實驗，一般消耗碘化鉀的量超過6g。碘化鉀較貴（約240元／500g）且耗量多，使得實驗成本高，有的學校便放棄做該實驗。在小容量儀器基礎上進行減量化實驗，把硫代硫酸鈉標準溶液濃度降至0.020mol·L－1，3次平行實驗消耗碘化鉀總量不到1g。改進后的實驗操作如下：

（1）0.02mol·L－1Na2S2O3溶液的標定。用減量法準確稱取已干燥過的K2Cr2O70.1～0.13g（本實驗稱取0.1156g）于100mL燒杯中，用適量蒸餾水溶解后，定量轉入100mL容量瓶中，加蒸餾水稀釋至刻度，搖勻。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，混勻。在暗處放5min，然后用10 mL蒸餾水稀釋，用Na2S2O3標準溶液滴定至淺黃綠色，加入0.5mL 0.5%淀粉溶液，繼續滴定至藍色剛好消失（呈Cr3＋的綠色）為終點，記錄滴定所消耗的Na2S2O3溶液的體積，按下式計算Na2S2O3溶液的濃度，實驗結果見表1。

表1 Na2S2O3溶液的標定結果

（2）膽礬中銅含量測定。用減量法準確稱取膽礬試樣約0.1g（本實驗稱取的5份樣品質量分別為0.1043g，0.1058g，0.1081g，0.0986g，0.1095 g）置于100mL錐形瓶中，加入1mL 1mol·L－1H2SO4溶液及10mL蒸餾水，樣品溶解后，加入1mL飽和NaF溶液（若不含Fe3＋，則不加入）和5mL 5%KI溶液，搖勻后立即用0.02mol·L－1Na2S2O3標準溶液滴定至淺黃色（接近終點）。然后加入0.5mL 0.5%的淀粉溶液，繼續滴定到呈淺藍色（更接近終點），再加入2mL 5%KSCN溶液，搖勻，溶液的藍色轉深，再繼續用Na2S2O3標準溶液滴定至藍色剛好消失為止，記錄所耗Na2S2O3標準溶液的體積。平行測定5次，按下式計算樣品中銅的質量分數，實驗結果見表2。

表2 膽礬中Cu含量測定結果

從表1和表2可以看出，無論對Na2S2O3標準溶液的標定，還是膽礬中銅含量的測定，減量法和常量法的相對平均偏差均未超過0.2%，并且2種方法的相對平均偏差和相對標準偏差沒有顯著差異。實驗結果表明，減量法測得銅含量的準確度和精密度能達到要求，同時比傳統實驗節約經費80%以上。我校每年有1400余人學習分析化學、無機及分析化學課程，僅KI就可以節省大約7000g（14瓶），節約實驗經費3000多元。測定膽礬中的銅含量，學生實驗時可用減量法準確稱取膽礬試樣約0.3g，并定容為50mL，移取10.00mL進行滴定，這樣可以進一步降低稱量誤差。

3 自來水總硬度測定的減量化

自來水的總硬度及鈣鎂含量測定也是一個經典的教學實驗，傳統教材采用的是0.01mol·L－1EDTA標準溶液，在小容量儀器基礎上進行減量化實驗，把EDTA標準溶液濃度降至0.005mol·L－1，改進后總硬度的實驗操作如下：用移液管吸取澄清水樣（若渾濁，則以中速濾紙干過濾）25.00mL于錐形瓶中，加入1∶2三乙醇胺1mL，pH ＝10的氨性緩沖溶液3 mL，鉻黑T指示劑少許（米粒大小），在充分搖動下，用0.005mol·L－1的EDTA標準溶液（本實驗所用濃度為0.004615mol·L－1）滴定到溶液由酒紅色經紫色變為純藍色即為終點，記下EDTA的用量。平行測定5次，按下式計算自來水K的總硬度，測定結果見表3。

表3 自來總水硬度測定結果

從表3可以看出，減量法和常量法的相對平均偏差均未超過0.2%，2種方法的相對平均偏差和相對標準偏差沒有顯著差異，但減量法比傳統的實驗節約試劑60%以上。

4 可溶性氯化物中氯含量測定的減量化

可溶性氯化物氯含量的測定（莫爾法）實驗中，許多教材的設計是：稱取AgNO38.5g溶解于500mL不含Cl－的蒸餾水中（AgNO3溶液濃度約為0.1mol·L－1），若將硝酸銀標準溶液濃度降低到原來的1／5（約0.02mol·L－1），可大幅度節約實驗經費。改進后的實驗操作如下：用減量法準確稱取0.2g左右的粗食鹽樣品（本實驗稱取0.1865g）于50mL燒杯中，加蒸餾水溶解后定量轉入100mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻。準確移取10.00mL試液于錐形瓶中，加入10滴5%K2CrO4指示劑，在不斷搖動下，用AgNO3標準溶液（本實驗所用濃度為0.02012 mol·L－1）滴定至剛呈磚紅色，即為終點，記下所耗AgNO3溶液的體積。平行測定5次，按下式計算NaCl的含量，實驗結果見表4。

表4 粗食鹽樣品中NaCl含量測定結果

從表4可以看出，減量法和常量法的相對平均偏差均未超過0.2%，兩種方法的相對平均偏差和相對標準偏差也沒有顯著差異，但減量法比傳統的實驗節約試劑80%以上。

5 結束語

通過對滴定分析化學實驗教學內容的“小量化、減量化、綠色化”改革，在常規小容量儀器中減少標準溶液的用量和降低濃度來完成分析化學、無機及分析化學等實驗課程的教學，在近2年的教學實踐中取得了良好的效果。改進后的實驗方法，一方面更有助于學生掌握實驗的基本操作技能、減少環境污染、加強學生綜合素質與創新能力的培養和提高、增強環保意識、實現實驗教學的綠色化，另一方面可減少玻璃儀器的破損率，大幅度降低實驗消耗、節省實驗經費，全面提高人才的培養質量和效益，從而建立和完善綠色分析化學實驗體系。

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