工业分析综合设计性实验的研究

田晓溪，姜 军,2，艾 天，闫立东

(1.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.山东华鲁恒升集团有限公司，山东 德州 253024)

应用化学专业的工业分析方向专业实验是本专业实验教学最后一门综合性实验课程，是一门实践性较强的课程。专业实验课可以将学生所学理论知识与实践紧密地结合，从而建立完整的理论和实践体系，是培养学生综合素质和专业实验技能的重要环节。工业分析方向的专业实验是建立在基础化学，仪器分析等课课程实验基础上，要求学生能够运用基础化学和仪器分析知识和技能解决本专业的实际问题[1]。之前实验教学内容当中，验证性实验较多，综合设计性实验偏少，且实验内容之间，及与其它课程之间缺乏关联性和延续性，学生动手操作的机会和接触实验仪器设备的机会都有限，限制了学生实践能力和创新精神的发展。开设新颖、难度适中的综合性、设计性实验项目，是现阶段实验教学发展的必由之路，是培养学生应用、创新等综合能力的重要手段。

1 综合设计实验选题

综合设计性实验指的是学生在掌握一定理论知识和基本操作技能基础上，对学生的实验设计、分析问题、实验操作、数据处理等能力进行综合训练的一种复合型的实验。综合设计性实验的开设，有助于学生了解完整的研究工作，对提高学生动手能力、操作技能、理论联系实际、分析解决问题的能力均有重要作用[2]。针对本院应用化学专业的学科特点，结合本专业老师科研项目、实验室条件和生产实际，将基础理论知识、实验技能和实验方法加以归纳、融合，设计了一系列应用化学工业分析方向综合设计性实验，为后续的专业课程学习和毕业设计环节打下了良好的基础。

羧甲基淀粉钠(CMS-Na)又称为羧甲基淀粉，它是淀粉与氯乙酸在碱性条件下反应制得的一种水溶性变性淀粉，简称CMS；它具有分散、乳化、增稠、粘结等多种性能，因此广泛应用于食品、医疗、造纸、纺织、化工等行业。羧甲基淀粉的葡萄糖单元上的羟基被取代的程度，即平均每个失水葡萄糖单元上被反应试剂取代的数目，称为CMS的取代度[3]。取代度对淀粉性质影响较大，因此，快速、方便、准确地测定羧甲淀粉的取代度显得尤为重要。目前取代度的测定方法主要有：灰化法、电导法、间接原子吸收法、络合滴定法、分光光度法等[4-8]。本文以羧甲基淀粉取代度测定为例，设计一个综合设计性实验，即在灰化法基础上采用电位滴定法测定CMS的取代度。

2 实验部分

2.1 实验目的

(1) 了解羧甲基淀粉应用，取代度的测定原理和计算方法；

(2) 了解样品的前处理方法；

(3) 掌握自动电位滴定仪使用和测定方法；

(4) 掌握E-V曲线和一阶微商曲线、二阶微商曲线确定滴定终点方法。

2.2 实验原理

纯化后的羧甲基淀粉样品在高温条件下充分灼烧，定量转化为燃烧后的氧化物Na2O，再加入过量的盐酸溶解，采用电位滴定法，用NaOH进行返滴定，记录滴加体积V和溶液的电位E值，绘制电位滴定滴定曲线，在曲线上找到滴定终点，从而求出消耗NaOH体积，再根据公式计算CMS取代度。取代度计算公式如下：

B=(CHCl×VHCl-CNaOH×VNaOH)/WCMS

DS=0.162B/(1-0.08B)

DS：CMS样品的取代度；

B：每1 g样品含有的羧甲基量，mmol/g；

WCMS：纯化后的试样的重量，g；

CHCl：HCl的浓度，mol/L；

VHCl: 溶解灰化物所需的体积，mL；

CNaOH：NaOH的浓度，mol/L；

VNaOH：滴定液里HCl所消耗的体积，mL。

2.3 仪器和试剂

(1) 仪器：ZDJ-5自动滴定仪，马弗炉，分析天平，烘干箱，循环水式真空泵，pH复合电极。

(2) 试剂：无水乙醇(分析纯)，HCl(分析纯)，NaOH(分析纯)，硝酸银(分析纯)，氯化钾(分析纯)，市售羧甲基淀粉钠。

2.4 实验步骤

2.4.1 样品前处理

称取一定量的羧甲基淀粉，在70～80℃条件下用80%乙醇充分洗涤，用0.1 mol/L硝酸银检验至滤液中再无白色沉淀为止(无Cl-)，将样品转移至烘干箱中干燥。准确称量充分干燥后的样品0.5000 g放入30 mL瓷坩埚中于电热板上灰化，灰化后在马弗炉中700℃条件下恒温1 h，待其冷却后取出，用少量水将残渣转移至100 mL锥形瓶中。

2.4.2 样品测定

向上述100 mL锥形瓶中加入一定量的 0.1 mol/L HCl溶液溶解灰化物，放在电热板上微热，使溶液澄清，冷却后插入pH复合电极，用浓度为0.1 mol/L NaOH标准溶液电位滴定过量的HCl。在滴定过程中，每滴加一次滴定剂，电位滴定仪自动测定电位值，可得到一系列滴定剂NaOH用量和相应电位的数据。平行测定三次。

2.5 数据处理

(1)滴定曲线绘制：电位滴定法可根据滴定剂体积和电极电位的变化来绘制滴定曲线，根据体系的电位突跃来确定的滴定终点，可用三种方法确定终点。①用E-V曲线法：根据E-V曲线的拐点确定终点。②△E/△V-V曲线法：取E-V曲线的一阶导数曲线，根据该曲线的极值点确定终点。③△2E/△2V- V 曲线法：取E-V曲线的二阶导数曲线，根据曲线与V轴的交点(即△2 E/△2V=0)确定终点。(2)将滴定终点NaOH用量带入公式计算羧甲基淀粉取代度。(3)评价方法的准确度和精密度。

3 实验组织与运行

为了保证实验有序进行，对实验过程进行了详细的规划，具体如下。实验分为4人一组共同完成，整个实验计划8学时完成，安排在2周时间内进行。(1)实验方案的设计：首先由老师给定选题题目范围和实验要求，指导学生用1周时间，通过学校图书馆馆藏资料及网上电子资源进行文献调研，经过汇总后学生自己拟定设计方案，然后论证设计实验方案可行性，最后在老师帮助下修改完善设计方案。设计方案要求包括：实验目的、原理、仪器、试剂配制、实验步骤、注意事项。(2)实验准备：根据实验方案和实验室管理要求准备实验仪器和药品，配制主要试剂，学习仪器操作和维护方法。(3)实验实施：学生根据实验室开放时间网上预约实验室，自行进行实验，并认真做好记录，整个过程指导教师从旁指导，督促学生按计划完成实验。对于实验过程中遇到的问题，要求学生应能先自行查阅资料并讨论解决，特殊复杂难题可分组或与指导教师共同研究解决。(4)实验总结：实验结束后要求整理归还实验物品，并回收废液。对实验结果进行整理，对实验数据进行分析，并完成实验报告。上交实验报告后，根据实验结果和实验过程进行总结和交流。通过两轮学生的实验，发现本实验运行状态良好。

4 实验考核

实验成绩的考核则是实验教学成果的重要体现，科学的考核办法不仅能检验学生对理论知识的掌握程度和实验操作能力，还能激发学生学习热情，同时提高学生解决问题的能力、培养创新能力。成绩考核应贯穿整个实验的全过程，根据我们专业实际情况，本实验成绩评定由实验方案(20%)、实验操作(30%)、实验记录(20%)、实验报告(20%)、实验总结和创新(10%)五部分组成，成绩包括优、良、中、及格、不及格五挡标准，重点培养和考查学生综合实验能力和素质，包括综合运用相关专业知识、设计与研究能力、实验操作技能、结果与分析能力等。

5 实验总结

在计划时间内，所有学生都能按计划完成实验，可以准确测定羧甲基淀粉取代度，测定方法的精确性、准确度较好，实验效果良好。综合设计实验的开设，激发学生的学习兴趣，提高了学生实验积极性和自觉性，拓宽了学生专业知识。实验开展过程中，培养了学生的创新精神、协作精神，提高了学生的设计能力、操作能力，解决实际问题的能力，提升了综合素质。综合设计实验的开展是一项长期的改革、探索、实践的过程，作为实验指导教师应努力提高自己的知识水平和实验教学水平，坚持不懈地推动实验教学改革。