數字化實驗在高中化學教學中的應用
——以醬油中總酸及氨基酸態氮含量測定為例

張原旗，盧鳳琴，王冠淇，孫艷濤

（吉林師范大學化學學院，吉林四平 136000）

化學之中重要的實驗就是酸堿中和，通過使用已經知道濃度的酸或堿來測定未知濃度的酸或堿物質。是高中階段化學學科當中重要的基本概念，也是實驗之中需要特別關注的一部分[1]。此實驗具體位置在人教版化學教材的選修四書籍之中，有關于pH內容的介紹之中，對于這部分知識的學習，學生首先應該明確pH的基本概念和測定裝置pH計的使用方法，這是實際實驗操作的前提[2]。

在酸堿滴定的實驗中，一般選用的是傳統的方式，也就是利用指示劑來進行實驗。在滴定的過程中，指示劑顏色會相應的改變，由此可以來確定是否滴定完成，但從實際來看，實驗人員因為自身在判斷顏色中存在著主觀性，所以會產生偏差，從而結果出現誤差。同時在測定某些樣品時，由于其自身就存在著有色成分，雖然滴定過程會將顏色稀釋，但仍然會存在影響，增大偏差[3]。其次，整個的滴定過程，一般是選擇恰好變色這個臨界點判斷，但學生時常理解為恰好反應完全這個節點[4,5]。而采用pH計指示終點的方法，不需要加入指示劑，操作簡便，結果明顯，讓實驗操作更好的被觀察。操作人員可以對原先僅憑眼睛無法有效判斷的現象給出合理的結果，并且具有測試效率更快、準確度更高、結果準確等特點[6]。最后，因為傳統滴定實驗是需要不斷循環的，對一個簡單操作重復進行，整體周期比較久，學生會逐漸失去耐心，一旦滴定超過限度就會讓結果誤差增大。利用數字設備來實驗，可以極大程度的節省時間，其中一方面可以讓學生不再被其他事項所分心，集中精力在滴定過程中的顏色改變，另一方面教師可以將節省出來的時間用在引導學生對實驗現象及實驗結果的分析和討論中。

醬油在整個發酵過程中，氨基酸是主要的味道來源，所以，對于評定醬油味道是否優良以及發酵過程是否滿足標準，是通過檢測氨基酸之中態氮含量，該數值越高也就說明質量越上乘，味道自然更為美妙[7，8]。據調查，目前我國的醬油合格率現狀不樂觀，一部分生產商并沒有嚴格遵照國家食品衛生標準制定的《醬油衛生標準的分析方法GB/T5009.39-2003》，《釀造醬油GB/18186-2000》產品明示標準和指標的要求進行組織生產，降低了對生產工藝和產品品質的要求，在醬油中加入銨鹽，以次充好，以銨鹽中的氮冒充氨基酸態氮的含量，最終導致流通到市場上的醬油質量參差不齊，真假難辨。因此，為落實維護消費者利益，杜絕不合格產品的生產，研究出一種簡單、快捷和準確的模式來具體測定釀造醬油之中的氨基酸態氮含量已經迫在眉睫。本次就基于這個方面來探索利用電位滴定的方式來測定相關指標，一方面利用實驗結果的直觀呈現，加強了學生的感性認識，進而對理論知識加深理解；另一方面通過對生活中實際試樣的分析，為學生創設了探究環境，同時提高了學生學習的興趣[9]。

本實驗選用學生熟知的日常調味品——醬油，吸引學生學習化學的興趣，逐步培養學生善于觀察“生活中的化學”的習慣。并且可以展示出數字化實驗模式的具體優勢，能夠幫助教學過程節約時間，讓化學過程直觀的展現在學生眼前同時也讓實驗結果更為精準。

1 實驗部分

對于釀造醬油中需要測定的總酸以及態氮的含量，可以將指示劑的選型定在酚酞之上，搭配著ZD-2型的自動滴定設備來實際評定，這樣的模式相較于傳統的實驗來說，整體過程更加效率，能夠讓學生直觀觀察過程，同時結果更為的精準[10]。符合素質化教育倡導下的教學模式。

1.1 實驗目的

1）充分明確這樣的方式最終選取滴定終點的原理；2）熟練掌握滴定檢測的儀器在測評相關參數的使用方式；3）可以實際操控ZD-2型的儀器。

1.2 試劑與儀器

1.2.1 儀器

ZD-2型自動電位滴定儀；B-10型攪拌器；復合pH電極；攪拌磁子；洗瓶；濾紙；萬分之一天平；250 mL燒杯；500 mL容量瓶；100 mL容量瓶；堿式滴定管；錐形瓶；試劑瓶；100 mL量筒；10 mL量筒；25 mL移液管。

1.2.2 試劑

氫氧化鈉（NaOH，分析純，沈陽市華東試劑廠）；37%甲醛溶液(分析純，沈陽市華東試劑廠)；鄰苯二甲酸氫鉀（KHP，分析純，沈陽市華東試劑廠）；市售醬油（海天老抽王，廣東佛山）；蒸餾水；pH=4.00標準緩沖溶液；pH=6.86標準緩沖溶液；pH=9.18標準緩沖溶液；酚酞指示劑。

1.3 實驗原理

在發酵過程中，醬油中的蛋白質經霉菌體內蛋白酶的作用，最終分解產生多種氨基酸。與蛋白質不同的是其含氮量可以直接測定，故稱氨基酸態氮[11]。《釀造醬油GB/18186-2000》中指出氨基酸態氮含量的檢測方法通常采用甲醛值法，主要的原理的是氨基酸自身具備的兩個形態。在氨基酸的構成中不僅有顯示酸性的羥基同時也有堿性的氨基基團，基于兩個基團的聯系讓氨基酸成為中性鹽。如果在氨基酸中增添甲醛就是將原本的堿性被隱藏，單純由羥基作用，對外顯酸性，這樣就可以通過氫氧化鈉試劑對其中的羥基基團進行滴定檢測，通過酸式指示劑來找出滴定的終點，有效的檢測出態氮含量[12]。在滴定過程溶液中會存在游離氫離子，其如果和標準試劑反應完全后，溶液的pH值在7.0，也就是俗稱的有效酸度；當pH值達到8.2，也就是總酸值，指的是溶液之中刨去有效酸度之外的成分與標準實際完全反應；當溶液之中的氨基酸羥基基團和標準溶液完全反應，則會將pH值拉升到9.2。反應方程式為：

式中：

x—在試樣之中100mL所對應的態氮含量，g/100 mL

c—標準試劑，氫氧化鈉的濃度，mol/L

V樣—樣品實際的體積，mL

V0—達到滴定的臨界值，也就是pH數值變為8.2時，稀釋整個過程中使用的標準試劑的體積mL

V1—試樣經過稀釋之后添加甲醛的反應結點，也就是pH值達到9.2時，耗去的標準試劑的體積，mL

V2—空白實驗中添加甲醛的反應結點，pH值達到9.2時，耗去的標準試劑的體積，mL

1.4 實驗步驟

1.4.1 NaOH溶液配制及標定

1）首先將達到標準的燒杯放置在臺秤上，對應稱量1.0 g的氫氧化鈉固體，并向其添加100 mL蒸餾水，使用玻璃棒充分攪拌均勻，等固體溶解后移至500 mL試劑瓶中，使用蒸餾水多次清潔燒杯，將沖洗過程的液體也倒入試劑瓶中，通過添加蒸餾水將總體積上升至500 mL，蓋上試劑瓶塞，充分搖動，貼簽備用。

2）使用天平精確地稱量KHP，將稱取出的4.3 g物質放入250 mL燒杯，添加蒸餾水100 mL，加熱并充分攪拌直至溶解，靜置冷卻到室溫，使用玻璃棒引流到500 mL容量瓶，加入蒸餾水充分稀釋，達到刻度為止，搖晃均勻。

3）在錐形瓶中加入25.0 mL的KHP溶液，此過程使用移液管完成，并在其中滴入1～2滴酚酞指示劑，然后采用氫氧化鈉開始滴定過程，直到溶液表現出微紅色，并且0.5min色度未褪去，即可視為終點。

4）達到終點后，利用整個過程所耗去的氫氧化鈉溶液的體積標定出標準特濃度。

1.4.2 總酸及氨基酸態氮含量的測定

1）校正儀器：接通電源，將ZD-2型自動電位滴定儀器連接好，用兩點法pH=6.86和pH=4.00或9.18標準緩沖溶液校準pH計。

2）處理醬油樣品：首先選定醬油試樣，利用移液管精準的將5.0 mL試樣轉移到100 mL容量瓶之中，通過添加蒸餾水達到相應刻度，搖動均勻，向250 mL燒杯轉入20.0 mL試樣，并且加入60 mL純水，使用電磁攪拌器來開始滴定過程，最終當pH值達到8.2時，記錄此時共耗去的氫氧化鈉標準液的體積，最終完成總酸的檢測。

3）氨基酸的滴定：將中性37%甲醛溶液向上述溶液中添加10 mL，通過玻璃棒使其混合均勻，繼續利用標準液滴定到pH達9.2，記錄所用的體積。

4）試劑空白實驗：使用量筒精確的將80 mL蒸餾水加入到250mL達到標準的燒杯之中，使用標準液再次滴定，當pH達到8.2，向其中添加等量等濃度的甲醛溶液，均勻混合后，繼續滴定pH到9.2，再次記錄耗用體積。

2 數據分析

2.1 溶液濃度的計算

平行標定NaOH標準溶液三次，結果見表1。由表1可計算出：NaOH標準溶液的濃度為0.0463mol/L，相對平均偏差為0.003%（＜0.2%）結果準確。

表1 NaOH溶液的標定

2.2 總酸含量的測定

用0.046 3 mol·L-1NaOH標準溶液對醬油的稀釋液進行三次平行滴定，結果見表2。我國食品衛生標準明確規定醬油的總酸度為每100 mL醬油不得超過2.5 g，從表2中看出：總酸含量為0.6249 g/100 mL（＜2.5 g/100 mL），說明市售醬油符合國家食品衛生標準。

表2 總酸含量的測定

2.3 氨基酸態氮含量的測定

用0.0463 mol/LNaOH標準溶液對醬油稀釋液平行滴定三次，結果見表3。我國食品衛生標準規定醬油的氨基酸態氮含量為每100 mL醬油不得低于0.4 g，從表3中看出：氨基酸態氮的含量為0.57 g/100 mL（＞0.4 g/100 mL），說明此市售醬油符合國家食品衛生標準。

表3 氨基酸態氮含量的測定

3 結論

在傳統化學教學的實驗部分，一般都是由教師口述或觀看多媒體演示實驗視頻，內容抽象，偏離生活實際，學生難以理解其實驗的原理和結論，不能將理論與實踐有機的結合。并且教學過程比較枯燥乏味，使學生對化學知識的學習興趣不高，不利于培養學生的思考創新精神與動手實踐能力。然而數字化實驗具有采集數據智能化、定量研究便捷化、實驗現象直觀化、實驗方法創新化等特點。采用數字化實驗技術手段，使用精確的電位滴定儀器來評測相關參數，實驗不僅操作便捷，現象直觀，而且易于引導學生發現并總結實驗的規律，實現學生探究能力的提升及化學素養的提高。