基于科學研究思維的本科實驗教學初探

摘 要：酸堿滴定分析在化學及相關專業本科生的分析化學學習中占有非常重要的地位。酸堿滴定分析實驗課是分析化學理論課的延伸，是學生運用分析化學理論解決實際問題的初步實踐。培養學生科學的分析化學實驗思維，養成良好的實驗習慣，是提高其解決實際問題能力的關鍵。本論文嘗試基于科學研究思維的實驗教學方法，以“鹽酸-硼酸混合液中各組分濃度的測定”為例，面向培養分析化學科學思維的全過程，開展實驗教學。通過實驗教學，將實驗結論及其獲取過程，有邏輯地表達與呈現，最終形成學術論文。通過實驗過程中的信息收集、整理與歸納，數據及圖片處理過程中的電腦軟件操作與使用，論文撰寫過程中的邏輯思考與文字表達，學生可以進一步鞏固分析化學理論知識，建立科學實驗方法，為提高實驗能力和學科素養奠定良好基礎。

關鍵詞：分析化學實驗；酸堿滴定分析；科學研究思維；本科實驗教學

中圖分類號：G642.423" 文獻標識碼：A" 文章編號：1673-260X（2025）04-0087-05

酸堿滴定分析法作為一種化學分析方法，被廣泛應用于食品分析[1，2]、藥物檢測[3]、環境監測[4，5]、地質勘察[6，7]等領域。對酸堿滴定分析法的研究及其在上述領域的應用，極大保障了人民的生命健康、食品安全，促進了工業、農業、醫藥等行業的發展。酸堿滴定分析法，就是將一種已知準確濃度的標準溶液，滴加到一定體積的被測物質的溶液中，然后根據所消耗的標準溶液的濃度和體積，計算出被測物質含量的一種分析方法[8]。酸堿滴定分析實驗，是酸堿滴定分析法在大學理論課堂的延伸，是酸堿滴定分析理論的初級應用，是大學生在本科學習期間利用滴定分析化學理論思維，解決實際問題的最直接體現[9，10]。因此，作為化學及其相關專業的大學本科生，在掌握扎實的酸堿滴定分析理論的同時，更需要具備一定的酸堿滴定分析實踐經驗，養成良好的酸堿滴定分析科學素養，這對于未來的學習、工作和科學研究具有重要的意義。

傳統的酸堿滴定分析化學實驗教學模式，教師主要以板書的形式，對實驗目的、實驗原理、儀器與藥品、實驗步驟、數據處理等內容進行講授，然后學生依據講授內容按照實驗步驟進行相應的操作，并在此過程中收集數據，處理數據，最終按照板書的形式完成實驗報告。通過傳統的實驗教學方法，能夠使學生進一步加深和鞏固酸堿滴定分析化學法的基本概念、基本原理，其中更加注重酸堿滴定分析實驗操作技能的練習[11-13]，注重實驗結果的獲取，而缺少對實驗結果獲取過程的監控意識，缺少對實驗結果邏輯表達與呈現方面的能力訓練。

因此，以酸堿滴定分析實驗課程中的“鹽酸-硼酸混合液中各組分濃度的測定”為例，初步嘗試基于科學研究思維的方法對該實驗進行本科教學。通過教學，不僅使學生進一步鞏固酸堿滴定的基本原理，強堿能夠直接滴定強（弱）酸的可行性判據，滴定分析實驗數據的準確記錄方法，正確處理和分析實驗數據等方面的知識，掌握酸堿滴定分析的基本操作技能。而且通過教師手稿的形式，提前幫助學生建立實驗的全過程意識，使其初步明確研究背景、目的和意義，以及采用的研究方法和需要采集的數據及圖片信息，還包括實驗過程中的關鍵節點以及注意事項、實驗結果及結論等。將實驗過程中的信息收集、整理與歸納，進行邏輯思考、表達與呈現，最終形成一篇基本包含摘要、關鍵詞、緒論、實驗部分、結果與討論、結論與展望以及參考文獻的小論文，全面闡述實驗過程、實驗結果以及實驗結論，有助于培養學生的分析化學科學思維，鍛煉學生思考問題、分析問題進而解決問題的能力，提升其分析化學綜合素質。

1 實驗部分

1.1 酸堿滴定分析的實驗原理及其各組分測定的前提條件

1.1.1 酸堿滴定分析的實驗原理

本酸堿滴定分析法是以質子的傳遞反應為基礎的滴定分析方法[8]，即在酸堿滴定反應中，酸失去質子總量等于堿得到的質子總量，對應的滴定反應方程式為（HA代表一元弱酸）：

強堿滴定強酸：H++OH-=H2O" （1）

強堿滴定弱酸：HA+OH-=A-+H2O" （2）

當用已知濃度的標準溶液，對待測溶液進行滴定時，隨著標準溶液的加入，待測溶液按照特定的化學計量關系與之快速反應，導致待測溶液體系中的酸堿指示劑所處的液體環境（酸性或者堿性）發生改變，引起指示劑的化學結構發生改變，從而導致光與指示劑相互作用的變化，最終表現為液體顏色的改變，相應顏色的光進入人的眼睛，引起視覺刺激，進而指示該滴定反應的終點，記錄滴定終點時所消耗標準溶液的體積，根據化學計量比關系，求算待測液體的濃度或含量。

1.1.2 鹽酸（HCl）-硼酸（H3BO3）混合液中各組分測定的前提條件

①HCl是強酸，在水溶液中完全電離。可以直接被氫氧化鈉（NaOH）滴定，滴定的反應方程式為：NaOH+HCl=NaCl+H2O，該滴定反應以甲基橙為指示劑，變色的pH值范圍為3.1～4.4，滴定終點時溶液顏色由紅色變為黃色[8]。

②H3BO3是弱酸，在水溶液中不能完全電離。當在一定溫度條件下，電離達到平衡時，各型體之間的平衡濃度存在一定的數量關系，稱之為酸在水中的解離常數，用Ka表示；對于H3BO3而言，25 ℃條件下，Ka（H3BO3）=5.8×10-10[14-17]，H3BO3在中的溶解度約為5.74 g[15]，C（H3BO3）≈0.09 mol/L，C（H3BO3）×Ka（H3BO3）=5.2×10-11＜10-8；在100 ℃時，H3BO3在水中的溶解度約為38.00 g[15]，C（H3BO3）≈0.61 mol/L，C（H3BO3）×Ka（H3BO3）=3.5×10-10＜10-8。

根據酸堿滴定分析終點誤差小于0.1%的要求，弱酸能被強堿直接滴定需滿足以下條件：Ca×Ka＞10-8[8]；因此，若弱酸（H3BO3）能被強堿（NaOH）直接滴定，需C（H3BO3）gt;17.24 mol/L，而25℃條件下，C（H3BO3）≈0.09 mol/L？塏17.24 mol/L，故H3BO3不能被NaOH直接滴定，即NaOH滴定HCl過程中，可忽略H3BO3的影響，進而可以通過計算滴定過程中消耗n（NaOH），算出鹽酸-硼酸混合酸中鹽酸的濃度。

③如何實現H3BO3的滴定？？圳Ca×Ka＞10-8

H3BO3與甘露醇按照特定的化學計量比（n（H3BO3）∶n（甘露醇）=1：2）發生化學反應，生成單一絡合酸，所得產物的Ka≈10-6[15]，從而通過特定的化學反應強化了H3BO3的酸性[15-17]，如圖1所示。根據弱酸能被強堿直接滴定的判別式（Ca×Ka＞10-8）可知，當絡合酸的濃度約為0.01 mol/L時，可以實現強堿對絡合酸的直接滴定，進一步根據化學反應計量比的關系，求得與強堿反應所消耗的硼酸物質的量n（H3BO3），最終求得鹽酸-硼酸混合酸中硼酸的濃度。

1.2 實驗材料及儀器

材料及試劑：氫氧化鈉固體（NaOH），鄰苯二甲酸氫鉀固體（KHP），酚酞溶液，甲基橙溶液，鹽酸（HCl）-硼酸（H3BO3）混合液，甘露醇等。

儀器：萬分之一電子分析天平，50 mL堿式滴定管，20 mL移液管，100 mL容量瓶，250 mL容量瓶，250 mL錐形瓶，100 mL燒杯，玻璃棒，洗耳球，鐵架臺等。

1.3 實驗內容

氫氧化鈉標準溶液的間接配制：快速稱取一定質量的NaOH固體于50 mL小燒杯中，向其中緩慢加入一定體積去離子水，將其溶解，轉移至250.0 mL容量瓶中，少量去離子水洗滌燒杯3～5次，并將洗滌液轉移至容量瓶中，然后向容量瓶中加水至刻度線，定容，搖勻，貼標簽，備用[18]。

鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）標準溶液的直接配制：準確稱取一定質量的KHP固體于50 mL小燒杯中，向其中緩慢加入一定體積去離子水，將其溶解，轉移至100 mL容量瓶中，少量去離子水洗滌燒杯3～5次，并將洗滌液轉移至容量瓶中，然后向容量瓶中加水至刻度線，定容，搖勻，所得溶液即為KHP標準溶液，貼標簽，備用[18]，見圖2。

氫氧化鈉標準溶液的標定：用20 mL移液管移取KHP標準溶液于250 mL錐形瓶中，加入2滴酚酞，搖勻，用上述配制所得NaOH溶液滴定，至錐形瓶中液體顏色呈微紅色，且半分鐘不褪色，即為終點，記錄消耗氫氧化鈉的體積（VNaOH），平行測定三次，可通過下式計算C（NaOH）[18]。

其中：C（NaOH）為經鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液標定后計算所得的分析濃度，該數值通過滴定過程中消耗的鄰苯二甲酸氫鉀，根據反應方程式（4），計算求得；m（KHP）為稱取鄰苯二甲酸氫鉀固體的質量；M（KHP）為鄰苯二甲酸氫鉀固體的摩爾質量，204.22 g·mol-1；VNaOH為滴定過程中消耗的氫氧化鈉溶液的平均體積，該數值通過三次滴定所消耗氫氧化鈉溶液體積之和，求取平均值。

鹽酸（HCl）-硼酸（H3BO3）混合液中各組分含量的測定：準確移取一定體積的鹽酸（HCl）-硼酸（H3BO3）混合液，小心轉移至250 mL錐形瓶中，并向其中加入甲基橙指示劑，輕輕搖動，然后用NaOH標準溶液進行滴定，至混合溶液的顏色發生改變，且半分鐘內不褪色，為第一滴定終點[18]，記錄次時所消耗的NaOH標準溶液的體積V1；向以上溶液中，加入一定質量的甘露醇作為酸堿指示劑，繼續用NaOH標準溶液進行滴定，至溶液顏色再次發生改變，為第二滴定終點[16，17]，記錄此時所消耗的NaOH標準溶液體積V2，上述過程均平行滴定三次，并記錄消耗NaOH標準溶液的體積。

其中：C（HCl）為鹽酸的物質的量濃度，mol·L-1； C（HCl）為鹽酸的平均物質的量濃度，mol·L-1；ρ（HCl）為鹽酸的質量濃度，g·L-1；ρ（HCl）為鹽酸的平均質量濃度，g·L-1；V1為到達第一滴終點時所消耗氫氧化鈉標準溶液的體積，mL；C（H3BO3）為硼酸的物質的量濃度，mol·L-1；C（H3BO3）為硼酸的平均物質的量濃度，mol·L-1；ρ（H3BO3）為硼酸的質量濃度，g·L-1； ρ（H3BO3）為鹽酸的平均質量濃度，g·L-1；V2為到達第二滴終點時所消耗氫氧化鈉標準溶液的體積，mL；M（HCl），為氯化氫的摩爾質量，36.5 g·mol-1；M（H3BO3），為硼酸的摩爾質量，61.83 g·mol-1。

2 結果與討論

2.1 氫氧化鈉溶液的配制與標定

由于氫氧化鈉固體在空氣中化學性質不穩定，故不能采用直接配制法制備其標準溶液。一般情況下，首先粗略配制氫氧化鈉溶液，然后選擇合適的基準物質直接配制標準溶液，并對氫氧化鈉粗配液進行標定，詳見圖3，進而計算所配氫氧化鈉溶液的濃度。經基準物質標準溶液標定后的氫氧化鈉溶液，在酸堿滴定分析中，才能稱之為氫氧化鈉標準溶液。

由圖3可知，首先稱取2.002 6 g氫氧化鈉固體，粗略配制得到250 mL氫氧化鈉溶液，其次精確稱取2.008 6 g基準物質鄰苯二甲酸氫鉀，直接配制成100 mL鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）標準溶液。用移液管移取20 mL KHP標準溶液，置于錐形瓶中，并加入2滴酚酞指示劑，液體呈無色，然后向錐形瓶中滴加氫氧化鈉溶液，錐形中的KHP與加入的氫氧化鈉按照1∶1計量比進行化學反應，當錐形瓶內液體由無色變為微紅色，且半分鐘內不褪色時，即為滴定終點[8]，記錄氫氧化鈉的消耗體積，具體數據如表1所示。

由表1數據可知，以KHP為標準溶液，對粗配氫氧化鈉溶液滴定三次，消耗氫氧化鈉溶液的體積分別為：9.79 mL，9.81 mL，9.8 mL，按照式（1）計算，求得氫氧化鈉溶液的分析濃度為0.200 7 mol·L-1，即為氫氧化鈉標準溶液的濃度。在本實驗中，以此溶液為標準溶液，測定混合溶液中鹽酸與硼酸的濃度。

2.2 混合液中鹽酸與硼酸含量的測定

如圖4所示，用移液管移取20 mL鹽酸（HCl）-硼酸（H3BO3）混合液，轉移至250 mL錐形瓶中，并向其中加入1滴甲基橙溶液，溶液呈微紅色，然后用NaOH標準溶液進行滴定，至混合溶液的顏色變為橙黃色，且半分鐘內不褪色，為第一滴定終點[8]，記錄第一滴定終點時所消耗的NaOH標準溶液的體積V1；向以上溶液中，加入約1.8 g甘露醇，2滴酚酞溶液，溶液呈深黃色，繼續用NaOH標準溶液滴定，至溶液顏色變為深紅色，為第二滴定終點[8]，記錄第二滴定終點時所消耗的NaOH標準溶液體積V2。

由表2數據可知，到達第一滴定終點時，消耗氫氧化鈉溶液的體積分別為：5.35 mL，5.37 mL，5.34 mL，求得混合液中鹽酸的分析濃度為0.053 72 mol L-1，即為待測混合液中鹽酸的分析濃度。到達第二滴定終點時，消耗氫氧化鈉溶液的體積分別為：4.42 mL， 4.43 mL，4.42 mL，按照已知公式計算，求得混合液中硼酸的分析濃度為0.044 39 mol L-1，即為待測混合液中硼酸的分析濃度。

3 結論與展望

以鹽酸-硼酸混合液中各組分濃度的測定實驗為例，通過科學研究式的酸堿滴定分析實驗本科教學，不僅能進一步鞏固傳統教學中重點關注的酸堿滴定分析的基本概念、酸堿滴定反應原理，酸堿滴定過程中標準溶液的配制與標定方法，指示劑的選擇及滴定終點的判斷等基本知識點，更加注重酸堿滴定成立的前提條件，重點關注酸堿滴定分析的全過程，進一步加深了學生對酸堿滴定分析法本質及內涵的理解。除此之外，在科學研究思維的實驗教學過程中，通過收集、整理與歸納實驗過程中的數據、圖片等反映滴定分析實驗過程及結果的信息，不僅鞏固了傳統教學中重點關注的滴定過程中的數據記錄及處理的規范和要求，還能鍛煉學生的圖片信息收集與處理技巧，培養了ChemDraw、ChemOffice等化學繪圖軟件的使用能力，初步訓練學生綜合運用圖片與數據表達實驗信息的能力，增強了學生對實驗過程多方位觀察、系統性邏輯思考與信息綜合表達能力。最終按照學術論文的格式規范要求，借助圖片信息、實驗數據等，通過語言文字的邏輯表達與呈現，形成一篇基本包含摘要、關鍵詞、緒論、實驗部分、結果與討論、結論與展望以及參考文獻的學術論文。

通過撰寫論文，既能鞏固對滴定分析理論的認識，強化學生對實驗原理的深刻理解和實際運用能力，又能鍛煉語言組織與論文寫作能力，鍛煉學生思考問題、分析問題并將上述過程借助語言文字進行組織表達的能力，有助于培養學生良好的分析化學科學思維，全面提升其分析化學綜合素質。

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收稿日期：2025-01-09

通信作者：戚昌盛（1979-），赤峰學院化學與生命科學學院，研究方向：分析化學教學與改革；碳基納米功能材料可控制備、表界面調控與應用，Email：flyingbird-21st@163.com。

基金項目：內蒙古自然科學基金面上項目（2022LHMS05003）；赤峰學院2023年度教育教學研究項目（JYJXY202330）；2024年第二批博士下基層項目（2024FWDF40）；內蒙古自治區規劃專項課題（2023NGHZX-LD113）；內蒙古自治區2023年研究生教育教學改革項目（JGCG2023146）