創(chuàng)新訓(xùn)練成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐分析

王玉芹, 許 斌, 丁益民, 曹志源

(上海大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系， 上海 200444)

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創(chuàng)新訓(xùn)練成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐分析

王玉芹, 許 斌, 丁益民, 曹志源

(上海大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系， 上海 200444)

為了構(gòu)建全新的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，達(dá)到學(xué)以致用的培養(yǎng)目的，通過對一創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)出了一個儀器分析實(shí)驗(yàn)：利用自動電位滴定法測定水果中的可滴定酸，計(jì)算出總酸度，并通過回收率實(shí)驗(yàn)，考察實(shí)驗(yàn)方法的可行性。實(shí)踐表明：以學(xué)生為主導(dǎo)的創(chuàng)新訓(xùn)練成果成功轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，既能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情。

創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 自動電位滴定； 可滴定酸

0 引 言

為促進(jìn)高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀念，增強(qiáng)高校大學(xué)生的創(chuàng)新能力以及在創(chuàng)新基礎(chǔ)之上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)符合創(chuàng)新型國家建設(shè)所需要的高水平的創(chuàng)新人才，教育部在“十二五”期間開始實(shí)施“國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目[1-3]。在高校的各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練的人才培養(yǎng)計(jì)劃中，大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃注重自主性、探索性、過程性、實(shí)踐性和協(xié)作性，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了很好的平臺[4-7]。

我校作為上海市重點(diǎn)建設(shè)的高校，是上海市重要的人才培養(yǎng)基地，以特色鮮明的學(xué)分制、選課制和短學(xué)期制作為人才培養(yǎng)模式[8]。2011年起我校開始實(shí)施大類招生，大一新生入學(xué)后沒有具體專業(yè)，只分理工科、人文社科、經(jīng)濟(jì)管理三大類，并會按照大類模塊進(jìn)行一年的通識教育學(xué)習(xí)[9]。在這一年時(shí)間里，學(xué)生可以接觸多樣性的知識，并且可根據(jù)興趣自愿參與多種創(chuàng)新實(shí)踐活動。但由于每年國家級、市級訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目數(shù)量有限，高年級學(xué)生憑借扎實(shí)的理論知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)競爭力更強(qiáng)，新生參與的機(jī)會微乎其微。為了拓寬新生的實(shí)踐渠道，滿足新生參與創(chuàng)新訓(xùn)練的需求，我校于2012年開始實(shí)施校級創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃，面向社區(qū)學(xué)院的大一新生征集創(chuàng)新課題。有意向的新生則可以提出書面申請，通過組織團(tuán)隊(duì)、提交可行性報(bào)告，最終以學(xué)院選拔的形式，為自己爭取創(chuàng)新實(shí)踐平臺。

在傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)占大多數(shù)，這種教學(xué)模式束縛了學(xué)生的創(chuàng)新意識，不利于學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[10-11]。因此利用一切資源對現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行及時(shí)創(chuàng)新改革和提升很有必要。在2012年的校級創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心接待了一個由5人組成的大一新生團(tuán)隊(duì)，他們借助中心的儀器設(shè)備，通過獨(dú)立思考、提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)施方案、解決問題等，順利完成了關(guān)于“水果中有機(jī)酸的鑒定”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。作為指導(dǎo)教師，作者在征得學(xué)生同意后，把此次創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行篩選和提煉，改編成一個儀器分析實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，以達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、提升學(xué)生學(xué)以致用能力的目的。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

水果作為人類不可或缺的食品之一，源于果汁內(nèi)含有人體所需的多種礦物質(zhì)、維生素、有機(jī)酸、糖、蛋白質(zhì)等成分，堪稱營養(yǎng)豐富的佳品。其中適量的有機(jī)酸可維持人體內(nèi)酸堿平衡，刺激胃腸道消化液分泌，促進(jìn)食欲，幫助消化，益于健康。

水果中解離和未解離的有機(jī)酸可以用堿溶液滴定法計(jì)算總酸的含量，稱為可滴定酸，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示。水果中的可滴定酸含量是水果的重要營養(yǎng)指標(biāo)之一[12]，常用的測定方法有有指示劑滴定法[13]和自動電位滴定法[14]。自動電位滴定儀與手工滴定相比，具有準(zhǔn)確度高、終點(diǎn)判斷不受樣品溶液顏色的影響、自動控制滴定加液速度和數(shù)據(jù)自動處理等優(yōu)點(diǎn)，給分析測試帶來了準(zhǔn)確簡便的新途徑。

因此以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣為出發(fā)點(diǎn)，在結(jié)合自動電位滴定法的基礎(chǔ)上，引入目前較受關(guān)注的水果中可滴定酸含量的測定，設(shè)計(jì)出了“自動電位滴定法測定水果中的可滴定酸”的儀器分析實(shí)驗(yàn)。通過本實(shí)驗(yàn)的鍛煉，學(xué)生不僅可以掌握自動電位滴定法的測試原理和基本操作，還可以學(xué)習(xí)自動電位滴定法在實(shí)際分析測試中的應(yīng)用，從而更加有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 自動電位滴定法工作原理[15]

電位分析是通過在零電流條件下測定兩電極間的電位差(電池電動勢)，設(shè)法求出待測物質(zhì)含量的分析方法，可分為直接電位法和電位滴定法。

電位分析的理論基礎(chǔ)基于能斯特方程，即電極電位與溶液中待測離子間的定量關(guān)系。測定時(shí)，參比電極的電極電位保持不變，電池電動勢隨指示電極的電極電位而變，而指示電極的電極電位隨溶液中待測離子活度而變。

氧化還原體系：Ox + ne-= Red，

金屬電極(還原態(tài)為金屬，活度定為1)：

電位滴定法是用電位測量裝置指示滴定分析過程中被測組分的濃度變化，通過記錄或繪制滴定曲線來確定滴定終點(diǎn)的分析方法。和直接電位法相比，電位滴定法不需要準(zhǔn)確的測量電極電位值，因此，溫度、液體接界電位的影響并不重要，其準(zhǔn)確度優(yōu)于直接電位法。

在電位滴定實(shí)驗(yàn)中每滴加一次滴定劑，溶液體系平衡后自動測量電動勢。隨著滴定劑的加入，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，被測離子濃度不斷變化，指示電極的電位也相應(yīng)地變化。在等當(dāng)點(diǎn)附近發(fā)生電位的突躍。因此測量工作電池電動勢的變化，即可確定滴定終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要確定滴定反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，所消耗的滴定劑的體積，快速滴定尋找化學(xué)計(jì)量點(diǎn)所在的大致范圍。突躍范圍內(nèi)每次滴加體積控制在0.1 mL。記錄每次滴定時(shí)的滴定劑用量(V)和相應(yīng)的電動勢數(shù)值(E)，作圖得到滴定曲線。

通常采用三種方法來確定電位滴定終點(diǎn)，見圖1。

圖1 滴定曲線類型

2.2 水果中總酸度的計(jì)算[16]

水果中含有各種不同的有機(jī)酸，主要有蘋果酸、檸檬酸、酒石酸、草酸等。水果種類不同，含有機(jī)酸的種類和數(shù)量也不同。果汁的酸性取決于游離態(tài)的酸或酸式鹽存在的數(shù)量，這些酸都是有機(jī)弱酸，所以在測定時(shí)，用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定即能測出酸度。這樣測得的數(shù)據(jù)是總酸度，包含了未離解酸和已離解酸的濃度。用下式計(jì)算總酸度：

總酸度

式中：V樣為樣品稀釋總體積(mL)；V取樣為滴定時(shí)取樣體積(mL)；VNaOH為滴定時(shí)用去的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL)；CNaOH為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)；W樣為樣品質(zhì)量(g)；折算系數(shù)為不同有機(jī)酸的毫摩爾質(zhì)量(g/mmol)。

食品中的總酸度往往根據(jù)所含酸的不同，而取其中某種主要有機(jī)酸計(jì)量。食品中常見的有機(jī)酸及其毫摩爾質(zhì)量折算系數(shù)如下：蘋果酸：0.067(蘋果、梨、桃、杏、李子、蕃茄、萵苣)；醋酸：0.060(蔬菜罐頭)；酒石酸：0.075(葡萄)；檸檬酸：0.070(柑橘類)；乳酸：0.090(魚、肉罐頭、牛奶)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 水果的前處理

將蘋果和檸檬去皮，按四分法取對角可食部分(葡萄則直接去皮去籽即可)，于滴定塑膠杯中稱重，再于榨汁機(jī)中處理，用塑膠杯接取果汁部分，并用高純水把粘附在榨汁機(jī)上的果漿不斷洗入杯中；隨后把杯中混合物轉(zhuǎn)移至離心管中離心，最后把離心管中的清液轉(zhuǎn)移定容到250 mL的容量瓶中，待測。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液和回收率溶液的配制與標(biāo)定

滴定劑是標(biāo)準(zhǔn)溶液，即含確定量反應(yīng)劑的溶液。一般堿用鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)定，酸用三羥甲基氨基甲烷。

(1) 0.1 mol/L NaOH溶液的配制。稱取約4.4 g NaOH顆粒置于燒杯中，加入少量蒸餾水，稍微蝸旋攪拌一下以便溶解表面的Na2CO3，倒掉這少量的溶液。剩余的NaOH用無CO2蒸餾水溶解后，轉(zhuǎn)移到一個1 000 mL容量瓶中，定容，混勻。將蒸餾水煮沸，或通氮?dú)饪梢匀コ麴s水中的二氧化碳。

(2) 0.1 mol/L NaOH溶液的標(biāo)定。將鄰苯二甲酸氫鉀放入105℃ 的烘箱中烘過夜，然后置于干燥器中冷卻至少1 h。注意滴定必須在恒定溫度下進(jìn)行。一般測定3次取平均值。精密稱取約200 mg鄰苯二甲酸氫鉀(精確到0.1 mg)到滴定杯中，加入約50 mL無CO2蒸餾水溶解，立即用配好的NaOH溶液滴定到出現(xiàn)第一個終點(diǎn)。一般平行測定三次，取平均值。

(3) NaOH溶液濃度的計(jì)算。1 mL 0.1mol/L的NaOH溶液相當(dāng)于20.423 mg鄰苯二甲酸氫鉀。所以，滴定劑NaOH的濃度c(NaOH)=m0/20.423/V(EP1)×0.1 (mol/L)。其中：m0為鄰苯二甲酸氫鉀質(zhì)量(mg)；V(EP1)為滴定終點(diǎn)時(shí)所消耗NaOH的體積(mL)。

(4) 回收率溶液的配制。分別稱取固體蘋果酸0.667 9 g、檸檬酸0.698 1 g和酒石酸0.747 2 g溶于高純水，于100 mL容量瓶中定容；每次移取5 mL配制溶液至滴定杯中，用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液標(biāo)定。平行測定三次，取平均值作為三種酸溶液的標(biāo)準(zhǔn)濃度，將在回收率實(shí)驗(yàn)中作為標(biāo)樣添加。

3.3 水果中總酸濃度的測定

分別用移液管移取四種水果的定容液10、20和30 mL于塑膠杯中，進(jìn)行自動電位滴定。

3.4 水果定容液樣品的加標(biāo)回收測定

對三類不同酸轉(zhuǎn)換系數(shù)的樣品進(jìn)行加標(biāo)回收測定，蘋果樣品加標(biāo)蘋果酸，檸檬樣品加標(biāo)檸檬酸，葡萄樣品加標(biāo)酒石酸，按以下公式計(jì)算回收率：

具體方法為：各移取10 mL水果樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品于同一測試杯中，滴定時(shí)編輯公式為：DET pH{x} Vol*CV NaOH/10(x為滴定終點(diǎn)數(shù))。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及總結(jié)

由于此次試驗(yàn)中涉及到的數(shù)據(jù)比較多，因此要求學(xué)生們自主設(shè)計(jì)表格填充數(shù)據(jù)，有平行樣測定的還要進(jìn)行相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算。最終學(xué)生們能夠根據(jù)三種水果定容液樣品的滴定數(shù)據(jù)，使用Origin軟件作出滴定曲線，標(biāo)出滴定終點(diǎn)pH值以及所消耗的氫氧化鈉的體積，并計(jì)算出四種水果的總酸度。可能需要的數(shù)據(jù)表格包含了下面四項(xiàng)測試內(nèi)容的結(jié)果：

(1) 三種水果中的總酸濃度測定；

(2) 回收率實(shí)驗(yàn)中加標(biāo)溶液的濃度測定；

(3) 三種水果定容液樣品的加標(biāo)回收測定；

(4) 三種水果樣品總酸度計(jì)算。

5 實(shí)踐效果探討

此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息量豐富，內(nèi)容充實(shí)，涉及到儀器分析課程中一系列的基本理論和概念。實(shí)驗(yàn)中，首先水果前處理部分貼近生活，豐富有趣，大家爭相參與；其次儀器(見圖2(a))響應(yīng)快，靈敏度高，程序設(shè)定簡便，操作快捷，滴定過程中的現(xiàn)象也易于觀察；再次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果除了會在數(shù)據(jù)庫保存，還會生成PDF格式的文件作為測量報(bào)告(見圖2(b))，從而能充分提高學(xué)生參與和投入的積極性，在成就感中形成自我肯定意識。另外通過數(shù)據(jù)處理及繪圖過程，可以讓學(xué)生熟練使用Origin軟件作圖，加深他們對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理的理解。

圖2 實(shí)驗(yàn)效果

利用Origin軟件作出的滴定曲線見圖3，為ΔE/ΔV-V曲線法。由圖可見，三種水果可食部分經(jīng)過處理形成溶液后，在滴定過程中所消耗氫氧化鈉的體積按照葡萄、蘋果和檸檬的順序遞增，證明它們的酸度也是按照這種順序增強(qiáng)，這與現(xiàn)實(shí)中的口感規(guī)律是相似的。另外因?yàn)榻^大部分水果中含有的都是有機(jī)弱酸，如檸檬酸，酒石酸和蘋果酸等，且都是一元α羥酸，解離常數(shù)(pKa)比較接近，無法分步滴定，所以用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定測得的數(shù)據(jù)是總酸度，包含了未離解酸和已離解酸的濃度。在不斷的數(shù)據(jù)總結(jié)中，學(xué)生們期待能夠選取更多種類的水果進(jìn)行酸度測試，了解更多水果的酸度規(guī)律以及繼續(xù)探索水果的秘密。

圖3 水果中可滴定酸的滴定曲線

6 結(jié) 語

把創(chuàng)新訓(xùn)練活動的成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并實(shí)施，① 加強(qiáng)創(chuàng)新意識的輻射，激發(fā)學(xué)生們的探索熱情，② 延伸理論知識的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)生們?nèi)ブ鲃铀伎肌W(xué)會思考，③ 切實(shí)激發(fā)學(xué)生們參與實(shí)驗(yàn)過程的興趣和積極性，達(dá)到背景知識拓展和實(shí)驗(yàn)技能鍛煉的目的。如在指導(dǎo)學(xué)生處理樣品與操作儀器的同時(shí)，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考和學(xué)習(xí)日常生活中關(guān)于食品營養(yǎng)成分、有害物質(zhì)分析的測定手段，例如水果中酸度和糖度的測定，果汁中防腐劑的含量測定，可樂中咖啡因的含量測定等等。通過此次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的啟發(fā)和操作流程的訓(xùn)練，可以引導(dǎo)學(xué)生們?nèi)ブ鲃訉ふ已芯績?nèi)容，自主設(shè)計(jì)測試方法，獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的記錄、處理和分析，在潛移默化中樹立起創(chuàng)新意識，并逐漸地關(guān)注起化學(xué)學(xué)科與社會應(yīng)用的關(guān)系，真正做到學(xué)以致用。

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The Practical Analysis on the Transformation of Innovation Training Production into an Experimental Project

WANGYu-qin,XUBin,DINGYi-min,CAOZhi-yuan

(College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

In order to establish a new instrumental analysis experiment course and achieve the planned purpose of practicing the skill learned in the classroom, an instrumental analysis experiment is designed by the conversion of a school level innovation training production. The experiment describes the determination of the titratable acidity of the fruits by potentiometric titrator. The total acidity of the fruits is calculated and the feasibility of the method is studied by the recovery test. The result shows that, the experiment converted from the innovation training project which is dominated by undergraduate could optimize the experimental teaching system, and stimulate students’ interests and innovation enthusiasm of learning.

innovation training project； potentiometric titrator； the titratable acidity

2015-05-11

上海大學(xué)首批綜合改革課程立項(xiàng)項(xiàng)目(2015年度)

王玉芹(1982-)，女，江蘇大豐人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心副主任，現(xiàn)主要從事化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理方面的工作。

Tel.：021-66134732，18017860869； E-mail: yqwang@shu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)04-0223-05