無機與分析化學教學內容與裝備應用結合探索*

李紅霞，吳偉昊，宋玉蘇

(海軍工程大學基礎部，湖北 武漢 430033)

無機與分析化學課程是我校本科材料科學與工程專業、管理科學與工程，等專業的必修課程。課程內容涵蓋物質結構基礎、元素化學、溶液四大反應平衡和四大滴定分析法，是一門應用性很強，培養學員科學思維能力、嚴謹科學態度的核心基礎課程[1]。該課程教學傳統上教學內容以基本理論和基本原理為主，與裝備應用聯系不突出。為貫徹新時代軍事教育方針，為戰育人，培養德才兼備的高素質、專業化新型軍事人才，對該課程教學內容進行探索與研究，拓展基本理論、實驗原理和裝備運用的結合。

1 基于成果導向的OBE理念，對教學內容體系進行重構

成果導向的教育(Outcome Based Edecation，OBE)是一種以學習者為中心、學習結果為導向的教育哲學思想，成果導向的OBE教育理念的核心是“學生中心、成果導向、持續改進”[2]，中央軍委訓練管理部也于2021年印發了《2025年前軍隊院校精品課程建設實施方案》，方案中明確對接教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》，對軍校本科課程建設提出了四性一度(“鑄魂性、為戰性、高階性、創新性、挑戰度”)的指導性的意見。OBE理念與軍校課程建設要求高度契合。近年來軍隊院校許多學者聚焦為戰育人，在教學內容中探索實戰化應用取得顯著成效[3-4]。

運用基于成果導向的OBE理念，對無機與分析化學課程教學內容體系進行重構，以基本原理、實驗理論與裝備應用的結合為切入點，準確定位教學目標、優化整合課程內容。按照任務驅動式模式，以裝備應用牽引內容優化。解決目前無機與分析化學課程教學內容中基本理論、基本原理與裝備應用聯系不緊密的問題。

2 基于溶液四大平衡與四大滴定分析法，探索基礎理論與裝備應用的結合

溶液四大平衡與四大滴定分析法是無機與分析化學課程教學的主要內容。溶液的四大平衡包括質子解離平衡、沉淀溶解平衡、氧化還原平衡與配位解離平衡，分別對應于酸堿反應、沉淀反應、氧化還原反應和配位反應。以這四種不同的反應類型為基礎的滴定分析法成為四大滴定分析法，包含酸堿滴定法、沉淀滴定法、氧化還原滴定法和配位滴定法[5]?；瘜W反應基本上都在溶液中進行的，因此溶液四大平衡及四大滴定分析法應用非常廣泛，對相關應用進行歸納與總結有利于在教學中理論聯系實際，對于教師開展教學和學生掌握知識均具有積極作用。

2.1 酸堿平衡及酸堿滴定法的應用

酸堿反應是非常普遍的一類反應，因此酸堿滴定法被廣泛地應用于工業、農業、醫學、軍事等諸多領域。

在裝備應用上，如艦用鍋爐水堿值的測定。堿值表示鍋爐水中所含碳酸鹽、磷酸鹽及氫氧化物的含量，用mg/L NaOH表示。測量堿值可用標準硫酸溶液來中和，以酚酞為指示劑。取100 mL水樣，水樣由紅色剛變為無色時即為終點，停止滴定。根據所消耗的硫酸體積可求出鍋爐水堿值[6]。

2.2 沉淀溶解平衡及沉淀滴定法的應用

根據生成沉淀、溶解沉淀或沉淀的轉化，沉淀溶解平衡及沉淀滴定法的應用主要有以下幾個方面：

(1)沉淀的溶解應用。根據溶度積規則，反應熵Qi<溶度積常數Ksp，可生成弱電解質使沉淀溶解，通過氧化還原反應使沉淀、或生成的配合物使沉淀溶解。在生活中開水瓶或燒水壺用久了，會有水垢，用醋酸或檸檬酸泡洗，可以去除水垢。在裝備應用上，如造水機除垢，常采用酸洗劑，酸與水垢中的碳酸鈣、氫氧化鎂反應，采用溶解沉淀的方法。

(2)沉淀轉化的應用。蒸汽動力艦艇，為了防止鍋爐的結垢和腐蝕，需要在鍋爐水中加入磷酸三鈉Na3PO4，Na3PO4將鍋爐內壁鍋垢(CaSO4、CaCO3)轉化為渣狀的更難溶解的Ca3(PO4)2沉淀。使水不生成水垢而生成松軟的不粘附受熱面上的水渣，水渣懸浮于水中，可用排污方法將水渣排掉。

(3)沉淀滴定法中莫爾法的應用。莫爾法以鉻酸鉀為指示劑，在中性或弱堿性介質中，用硝酸銀標準溶液測定鹵素化合物含量。如在裝備應用上，艦用鍋爐水鹽度的測定采用的是該方法。莫爾法必須控制在中性或微堿性溶液(pH值6.5～10.5)中滴定。如果溶液酸性太強，由于鉻酸銀溶于酸，使滴定結果偏高；而如果溶液堿性太強，銀離子又生成灰黑色氧化銀沉淀，影響滴定和終點的判定。

(4)莫爾法指示劑作用原理。

Ag++Cl-=AgCl↓ (白色)，Ksp(AgCl)=1.8×10-9

Ag++CrO42-=Ag2CrO4↓(橙色)，Ksp(Ag2CrO4)=2×10-12

因為Ag2CrO4的溶解度比AgCl大，當AgCl沉淀完全后，稍過量的AgNO3標準溶液與K2CrO4指示劑反應生成磚紅色Ag2CrO4沉淀即可指示滴定終點。

2.3 氧化還原平衡及氧化還原滴定法的應用

金屬腐蝕與防護與氧化還原反應直接相關，金屬的腐蝕主要產生的原因是發生化學腐蝕與電化學，其中絕大多數金屬發生的腐蝕屬于電化學腐蝕。電化學腐蝕主要是由于形成腐蝕電池。全世界每年因腐蝕損失的金屬材料約1億噸，相當于年鋼產量的20%～30%，海軍眾多裝備長期同大氣與海水接觸，腐蝕也相當嚴重。圖2、圖3分別為船體外殼和內艙發生腐蝕的圖片。

圖1 船體發生腐蝕

圖2 船體內艙發生腐蝕

圖3 血紅素化學式

氧化還原平衡中，電極電勢的應用中能斯特方程的應用，可解釋船體水線腐蝕。根據式(1)，可知船體水線以下不同部位含氧量不同，造成電極電勢不同，形成電勢差，構成腐蝕電池，造成艦船水線部位的腐蝕。在水線以上含氧量高，根據能斯特方程可知水線以上電極電勢高，作為腐蝕電池的陰極；在水線以下含氧量低，則電極電勢低，作為腐蝕電池的陽極發生腐蝕。

(1)

2.4 配位解離平衡及配位滴定法的應用

配位解離平衡應用廣泛。根據配位解離平衡，可解釋人體CO中毒，轉移至氧氣充足區域解毒的過程。血紅素是個鐵卟啉化合物，是血紅蛋白的組成部分，血紅素化學式和氧合血紅蛋白結構示意圖如圖3、圖4所示。血紅蛋白與CO分子結合形成一氧化碳合血紅蛋白，人體缺氧，氧化反應停止，產生中毒。當氧氣充足時發生如下反應，平衡向右進行，可解毒，見式(2)。

圖4 氧合血紅蛋白結構示意圖

(2)

配位滴定法的應用。在裝備應用上，艦用鍋爐水硬度的測定可采用配位滴定法。硬度指水中Ca2+、Mg2+的含量，單位是mg/L CaO。以EDTA標準溶液為滴定劑直接滴定法測的水硬度(Ca2+、 Mg2+)。在pH=10的氨性緩沖溶液中，以EBT為指示劑，測Ca2+、Mg2+總量，用EDTA標準溶液滴定水樣至出現藍色，說明達到終點，根據所消耗的EDTA的體積從而得出鍋爐水總硬度。

3 基于基礎型實驗與設計性實驗，拓展綜合創新的實踐教學環節

教育部高教司的關于《普通高等學校本科教學工作水平評估方案》(試行)明確定義：“設計性實驗是指給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以完成的實驗”。學生根據實驗目的與要求，應該有一個查閱資料和擬定實驗方案的過程，然后動腦筋思索、運用有關知識去制訂方案[7-8]。在無機與分析化學實驗類型上創建由基礎型實驗和設計實驗相結合的實踐教學模塊。

基礎型實驗開設“酸堿滴定基本操作”、“溶液的標定”、“減量法稱量基準物”等實驗項目，重在培養學生的基本操作技能。

設計性實驗根據實驗目的，要求學生認真預習和思考，通過查閱有關資料設計出實驗方案，并在實驗課前由實驗教師進行點評。在實驗內容上，將艦用鍋爐水水質與分析部分指標的測定引入到實驗中來，培養學生崗位任職的能力。設置實驗“艦用鍋爐水水質硬度的測定”、“艦用鍋爐水磷酸根的含量測定”、“艦用鍋爐水鹽度綜合測定”相關實驗。設計性實驗項目的設置，是讓學生從知道“為什么”、“怎么辦”到知道“怎么做”。以設計性實驗設置艦用鍋爐水水質與分析部分指標的測定，有助于培養學生的思考與實踐能力，同時有利于提升實驗的實戰化水平。

當磷酸根的濃度小于一定值時，磷酸根的濃度與磷鉬釩雜多酸的顏色濃度成正比，符合朗伯-比爾定律，可采用分光光度法進行測試[9]。讓學生設計實驗測定給定水樣的磷酸根含量，同時要求學生在實驗設計中包含對最大吸收波長、顯色時間、滿足朗伯-比爾定律最大標準溶液濃度進行探究，對學生崗位任職能力的提升及科研能力的提高有很大的促進作用。

4 結 語

針對無機與分析化學教學過程中教學內容與裝備應用聯系不突出的問題，對課程教學內容體系進行重構，結合溶液四大平衡與四大滴定分析法的基本原理，重點探索了酸堿平衡及酸堿滴定法、沉淀溶解平衡及沉淀滴定法、氧化還原平衡及氧化還原滴定法、配位解離平衡及配位滴定法在裝備中應用，同時，創建實驗教學新模塊拓展的實踐教學環節，提升實驗的實戰化水平。相關研究對教學中理論聯系實際、提高課程教學的為戰性、學生掌握知識與能力的提升均具有積極作用。