工業分析綜合設計性實驗的研究

田曉溪，姜 軍,2，艾 天，閆立東

(1.遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.山東華魯恒升集團有限公司，山東 德州 253024)

應用化學專業的工業分析方向專業實驗是本專業實驗教學最后一門綜合性實驗課程，是一門實踐性較強的課程。專業實驗課可以將學生所學理論知識與實踐緊密地結合，從而建立完整的理論和實踐體系，是培養學生綜合素質和專業實驗技能的重要環節。工業分析方向的專業實驗是建立在基礎化學，儀器分析等課課程實驗基礎上，要求學生能夠運用基礎化學和儀器分析知識和技能解決本專業的實際問題[1]。之前實驗教學內容當中，驗證性實驗較多，綜合設計性實驗偏少，且實驗內容之間，及與其它課程之間缺乏關聯性和延續性，學生動手操作的機會和接觸實驗儀器設備的機會都有限，限制了學生實踐能力和創新精神的發展。開設新穎、難度適中的綜合性、設計性實驗項目，是現階段實驗教學發展的必由之路，是培養學生應用、創新等綜合能力的重要手段。

1 綜合設計實驗選題

綜合設計性實驗指的是學生在掌握一定理論知識和基本操作技能基礎上，對學生的實驗設計、分析問題、實驗操作、數據處理等能力進行綜合訓練的一種復合型的實驗。綜合設計性實驗的開設，有助于學生了解完整的研究工作，對提高學生動手能力、操作技能、理論聯系實際、分析解決問題的能力均有重要作用[2]。針對本院應用化學專業的學科特點，結合本專業老師科研項目、實驗室條件和生產實際，將基礎理論知識、實驗技能和實驗方法加以歸納、融合，設計了一系列應用化學工業分析方向綜合設計性實驗，為后續的專業課程學習和畢業設計環節打下了良好的基礎。

羧甲基淀粉鈉(CMS-Na)又稱為羧甲基淀粉，它是淀粉與氯乙酸在堿性條件下反應制得的一種水溶性變性淀粉，簡稱CMS；它具有分散、乳化、增稠、粘結等多種性能，因此廣泛應用于食品、醫療、造紙、紡織、化工等行業。羧甲基淀粉的葡萄糖單元上的羥基被取代的程度，即平均每個失水葡萄糖單元上被反應試劑取代的數目，稱為CMS的取代度[3]。取代度對淀粉性質影響較大，因此，快速、方便、準確地測定羧甲淀粉的取代度顯得尤為重要。目前取代度的測定方法主要有：灰化法、電導法、間接原子吸收法、絡合滴定法、分光光度法等[4-8]。本文以羧甲基淀粉取代度測定為例，設計一個綜合設計性實驗，即在灰化法基礎上采用電位滴定法測定CMS的取代度。

2 實驗部分

2.1 實驗目的

(1) 了解羧甲基淀粉應用，取代度的測定原理和計算方法；

(2) 了解樣品的前處理方法；

(3) 掌握自動電位滴定儀使用和測定方法；

(4) 掌握E-V曲線和一階微商曲線、二階微商曲線確定滴定終點方法。

2.2 實驗原理

純化后的羧甲基淀粉樣品在高溫條件下充分灼燒，定量轉化為燃燒后的氧化物Na2O，再加入過量的鹽酸溶解，采用電位滴定法，用NaOH進行返滴定，記錄滴加體積V和溶液的電位E值，繪制電位滴定滴定曲線，在曲線上找到滴定終點，從而求出消耗NaOH體積，再根據公式計算CMS取代度。取代度計算公式如下：

B=(CHCl×VHCl-CNaOH×VNaOH)/WCMS

DS=0.162B/(1-0.08B)

DS：CMS樣品的取代度；

B：每1 g樣品含有的羧甲基量，mmol/g；

WCMS：純化后的試樣的重量，g；

CHCl：HCl的濃度，mol/L；

VHCl: 溶解灰化物所需的體積，mL；

CNaOH：NaOH的濃度，mol/L；

VNaOH：滴定液里HCl所消耗的體積，mL。

2.3 儀器和試劑

(1) 儀器：ZDJ-5自動滴定儀，馬弗爐，分析天平，烘干箱，循環水式真空泵，pH復合電極。

(2) 試劑：無水乙醇(分析純)，HCl(分析純)，NaOH(分析純)，硝酸銀(分析純)，氯化鉀(分析純)，市售羧甲基淀粉鈉。

2.4 實驗步驟

2.4.1 樣品前處理

稱取一定量的羧甲基淀粉，在70～80℃條件下用80%乙醇充分洗滌，用0.1 mol/L硝酸銀檢驗至濾液中再無白色沉淀為止(無Cl-)，將樣品轉移至烘干箱中干燥。準確稱量充分干燥后的樣品0.5000 g放入30 mL瓷坩堝中于電熱板上灰化，灰化后在馬弗爐中700℃條件下恒溫1 h，待其冷卻后取出，用少量水將殘渣轉移至100 mL錐形瓶中。

2.4.2 樣品測定

向上述100 mL錐形瓶中加入一定量的 0.1 mol/L HCl溶液溶解灰化物，放在電熱板上微熱，使溶液澄清，冷卻后插入pH復合電極，用濃度為0.1 mol/L NaOH標準溶液電位滴定過量的HCl。在滴定過程中，每滴加一次滴定劑，電位滴定儀自動測定電位值，可得到一系列滴定劑NaOH用量和相應電位的數據。平行測定三次。

2.5 數據處理

(1)滴定曲線繪制：電位滴定法可根據滴定劑體積和電極電位的變化來繪制滴定曲線，根據體系的電位突躍來確定的滴定終點，可用三種方法確定終點。①用E-V曲線法：根據E-V曲線的拐點確定終點。②△E/△V-V曲線法：取E-V曲線的一階導數曲線，根據該曲線的極值點確定終點。③△2E/△2V- V 曲線法：取E-V曲線的二階導數曲線，根據曲線與V軸的交點(即△2 E/△2V=0)確定終點。(2)將滴定終點NaOH用量帶入公式計算羧甲基淀粉取代度。(3)評價方法的準確度和精密度。

3 實驗組織與運行

為了保證實驗有序進行，對實驗過程進行了詳細的規劃，具體如下。實驗分為4人一組共同完成，整個實驗計劃8學時完成，安排在2周時間內進行。(1)實驗方案的設計：首先由老師給定選題題目范圍和實驗要求，指導學生用1周時間，通過學校圖書館館藏資料及網上電子資源進行文獻調研，經過匯總后學生自己擬定設計方案，然后論證設計實驗方案可行性，最后在老師幫助下修改完善設計方案。設計方案要求包括：實驗目的、原理、儀器、試劑配制、實驗步驟、注意事項。(2)實驗準備：根據實驗方案和實驗室管理要求準備實驗儀器和藥品，配制主要試劑，學習儀器操作和維護方法。(3)實驗實施：學生根據實驗室開放時間網上預約實驗室，自行進行實驗，并認真做好記錄，整個過程指導教師從旁指導，督促學生按計劃完成實驗。對于實驗過程中遇到的問題，要求學生應能先自行查閱資料并討論解決，特殊復雜難題可分組或與指導教師共同研究解決。(4)實驗總結：實驗結束后要求整理歸還實驗物品，并回收廢液。對實驗結果進行整理，對實驗數據進行分析，并完成實驗報告。上交實驗報告后，根據實驗結果和實驗過程進行總結和交流。通過兩輪學生的實驗，發現本實驗運行狀態良好。

4 實驗考核

實驗成績的考核則是實驗教學成果的重要體現，科學的考核辦法不僅能檢驗學生對理論知識的掌握程度和實驗操作能力，還能激發學生學習熱情，同時提高學生解決問題的能力、培養創新能力。成績考核應貫穿整個實驗的全過程，根據我們專業實際情況，本實驗成績評定由實驗方案(20%)、實驗操作(30%)、實驗記錄(20%)、實驗報告(20%)、實驗總結和創新(10%)五部分組成，成績包括優、良、中、及格、不及格五擋標準，重點培養和考查學生綜合實驗能力和素質，包括綜合運用相關專業知識、設計與研究能力、實驗操作技能、結果與分析能力等。

5 實驗總結

在計劃時間內，所有學生都能按計劃完成實驗，可以準確測定羧甲基淀粉取代度，測定方法的精確性、準確度較好，實驗效果良好。綜合設計實驗的開設，激發學生的學習興趣，提高了學生實驗積極性和自覺性，拓寬了學生專業知識。實驗開展過程中，培養了學生的創新精神、協作精神，提高了學生的設計能力、操作能力，解決實際問題的能力，提升了綜合素質。綜合設計實驗的開展是一項長期的改革、探索、實踐的過程，作為實驗指導教師應努力提高自己的知識水平和實驗教學水平，堅持不懈地推動實驗教學改革。