第12屆全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽無機及分析化學(xué)實驗試題解析

黃利華，李愷，余旻，盧有彩，武杰，何占航

鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，鄭州 450001

由教育部高等學(xué)校化學(xué)教育研究中心主辦，國家自然科學(xué)基金委支持，鄭州大學(xué)承辦的“第12屆全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽”(后文簡稱邀請賽)于2021年7月8-11日在鄭州大學(xué)舉行。來自全國43所高校的129位選手和180余位老師匯聚黃河之濱，交流學(xué)習。本屆邀請賽延續(xù)了往屆邀請賽的競賽模式，所有參賽學(xué)生統(tǒng)一參加實驗筆試后，抽簽決定參加無機及分析化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗或物理化學(xué)實驗中的一項進行實驗操作考試。由于有1名考生在筆試之后因身體原因退賽，本次無機及分析化學(xué)實驗的參賽學(xué)生共42人。本文分析了本次邀請賽無機及分析化學(xué)實驗試題的特點和命題思路，總結(jié)競賽結(jié)果，并分析了競賽過程發(fā)現(xiàn)的問題。希望能為深化化學(xué)實驗教學(xué)改革提供參考，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的化學(xué)人才做出貢獻。(無機及分析化學(xué)實驗試卷及評分標準請詳見“補充材料”，可通過網(wǎng)站http://www.dxhx.pku.edu.cn免費下載。)

1 命題思路

本屆全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽無機及分析化學(xué)實驗競賽的試題是“熱鍍鋅鋼構(gòu)件酸洗廢液資源回收”。這個實驗要求學(xué)生：(1)搭建蒸餾裝置，從酸洗廢液中盡可能多地回收鹽酸，同時得到氯化亞鐵粗產(chǎn)物；(2)將所得鹽酸定容、滴定、計算回收鹽酸的總量；(3)重結(jié)晶得到FeCl2·4H2O；(4)與標準色階對比，確定FeCl2·4H2O中三價鐵離子含量；(5)利用K2Cr2O7標準溶液滴定亞鐵離子，確定FeCl2·4H2O的純度；(6)通過電感耦合等離子光譜(ICP)對重結(jié)晶FeCl2·4H2O樣品中鋅含量進行測定。

該試題來源于我院何占航教授承擔的一項資源回收利用合作項目。試題瞄準環(huán)境保護和資源回收的時代主題，聚焦綠色化學(xué)和節(jié)能減排的社會熱點，注重考查學(xué)生對無機和分析化學(xué)基本原理、基本知識和基本實驗技能的掌握情況，以及將理論知識與實驗操作相結(jié)合的能力。本試題所涉及的實驗操作都是大學(xué)生們做過的常規(guī)實驗操作，不偏不怪，注重基礎(chǔ)。同時，實驗對學(xué)生的能力要求較高，既要求學(xué)生具有扎實的化學(xué)實驗基本技能，又能夠體現(xiàn)出考生的科學(xué)素養(yǎng)和處理問題的綜合能力，符合全國大學(xué)生化學(xué)實驗競賽的宗旨[1-3]。

2 試題分析

該實驗所涉及的操作均為學(xué)生們熟知的常規(guī)操作，如蒸餾、重結(jié)晶、稱量、定容、酸堿滴定、氧化還原滴定等。對參賽的本科生來說，實驗操作相對簡單。但是試題在實驗步驟中僅提供了簡單操作步驟，沒有提供操作細節(jié)，因此要求學(xué)生能夠利用自身化學(xué)知識儲備和基本技能，自主設(shè)計一些實驗的具體內(nèi)容。另外，實驗步驟中設(shè)計了一些難點，需要學(xué)生先思考計算，然后才能進行合理正確的操作，能夠考查學(xué)生利用所學(xué)基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力。

首先，在蒸餾操作過程中，考慮到鹽酸易揮發(fā)等特點，未采用常規(guī)的蒸餾裝置，而是通過凱氏定氮頭和蛇形冷凝管搭建冷凝效果更好的蒸餾裝置。雖然大多數(shù)同學(xué)對該裝置不太熟悉，但是按照試卷中給出的明顯提示，同學(xué)們也都順利地完成了蒸餾裝置的搭建。同時，從試卷上提供的水和鹽酸T-x相圖中，同學(xué)們可以提取到鹽酸和水混合物恒沸點的信息，用以估算甘油浴的溫度。

其次，蒸餾過程要求盡可能多地回收鹽酸和氯化亞鐵。理論上，同學(xué)們需要根據(jù)酸洗廢液的大概組成(100 mL酸洗廢液中含有約50 g FeCl2·4H2O以及2 g ZnCl2)，考慮到FeCl2結(jié)晶時會結(jié)合一部分水，以及抽濾操作時需要一定母液，蒸出鹽酸的量應(yīng)該在60 mL左右為佳。若沒有進行估算，蒸出鹽酸量過多，會造成更多Fe2+被氧化為Fe3+，以及FeCl2·4H2O的結(jié)晶水數(shù)量不確定等問題；若蒸出鹽酸量過少，則會由于FeCl2的溶解度過大造成析出的FeCl2·4H2O晶體過少，甚至無晶體析出。

第三，在用碳酸鈉基準物質(zhì)標定鹽酸濃度的操作中也設(shè)計了以下兩個考查點：(1)鹽酸定容時有250 mL和100 mL容量瓶可供選擇，有個別同學(xué)選擇了用100 mL容量瓶定容鹽酸，導(dǎo)致鹽酸潤洗滴定管后，所剩的鹽酸不夠進行三次滴定操作。(2)甲基橙指示劑和酚酞指示劑的選擇。根據(jù)指示劑的選擇原則，如考慮滴定液顏色變化應(yīng)由淺到深、反應(yīng)終點pH處于指示劑變色范圍等因素，在鹽酸滴定碳酸鈉的過程中，甲基橙是最佳的指示劑選擇。反應(yīng)按照2HCl + Na2CO3= 2NaCl + H2O + CO2(g)的化學(xué)反應(yīng)方程式定量發(fā)生反應(yīng)。

第四，F(xiàn)eCl2·4H2O重結(jié)晶過程主要難點是考生需要通過給出的FeCl2溶解度數(shù)據(jù)進行計算，確定加入酸的體積。由于FeCl2在水中的溶解度較大，同時FeCl2·4H2O樣品中自帶一部分結(jié)晶水，因此若重結(jié)晶25 g的FeCl2·4H2O樣品，加水8 mL左右就可以了，同時加入鐵粉抑制Fe2+在加熱過程中被氧化。

最后，在使用K2Cr2O7標準溶液滴定亞鐵離子的操作中，考慮到若用烘箱烘干FeCl2·4H2O會造成Fe2+在加熱過程中被氧化以及結(jié)晶水數(shù)量的變化，我們要求考生在重結(jié)晶FeCl2·4H2O后盡量抽干。有考生的樣品含水量過高，導(dǎo)致FeCl2·4H2O純度偏低。

3 成績分析

實驗規(guī)定完成時間為8小時(包括午餐時間)。本次無機及分析化學(xué)實驗的42位參賽學(xué)生中，85%以上的考生在規(guī)定時間內(nèi)完成了實驗操作、數(shù)據(jù)分析及實驗報告撰寫，其余考生在延時10 min左右完成實驗。

本試題總分150分，其中實驗結(jié)果115分，思考題15分，實驗操作20分，評分規(guī)則更注重實驗結(jié)果。圖1為總成績分布情況，表1為各部分的得分情況。本實驗是資源回收實驗，對樣品的回收量有一定的要求。在氯化亞鐵回收步驟中，若蒸出鹽酸過少導(dǎo)致氯化亞鐵回收少于20 g會有扣分，氯化亞鐵回收越少，扣分越多。回收鹽酸量低于0.2 mol會有扣分，鹽酸回收量越少，扣分越多。在考試過程中，該步驟出現(xiàn)較多問題。大多數(shù)同學(xué)蒸出酸溶液量過少，從而導(dǎo)致FeCl2·4H2O晶體過少，甚至沒有晶體析出，不得不重新進行蒸餾。FeCl2·4H2O晶體過少的同學(xué)會在后續(xù)重結(jié)晶操作中由于產(chǎn)品較少影響得分。可見，參賽的選手都知道不能蒸干溶液來避免Fe2+被氧化，但沒有進行認真的計算分析，在解決實際問題方面有較大的進步空間。

圖1 無機及分析化學(xué)實驗成績分布

表1 無機及分析化學(xué)實驗試題各部分的得分分布情況(共150分)

重結(jié)晶FeCl2·4H2O也是同學(xué)們失分較多的一個步驟。如果沒有考慮FeCl2的溶解度數(shù)據(jù)以及FeCl2·4H2O本身帶的結(jié)晶水，會造成加入的水量遠遠多于所需水量，不僅重結(jié)晶所得FeCl2·4H2O過少，而且由于長時間蒸發(fā)造成Fe3+含量過高，在色階實驗中也會被扣分。部分同學(xué)在第一步回收的氯化亞鐵量較少，導(dǎo)致重結(jié)晶時得到的產(chǎn)品少，個別同學(xué)甚至無法得到重結(jié)晶產(chǎn)品。另外，重結(jié)晶這一步驟完成不好也會導(dǎo)致Zn/Fe比過高，在后續(xù)鋅含量測定步驟中也會失分。

本次實驗涉及酸堿滴定操作和氧化還原滴定操作，滴定相關(guān)的數(shù)據(jù)也是考試扣分較多的地方。例如，有部分同學(xué)選用酚酞作為鹽酸滴定碳酸鈉指示劑造成滴定終點判斷不夠準確，有效數(shù)字錯誤等。另外，我們對滴定精度和滴定劑體積也有具體的扣分規(guī)定。滴定精密度小于1‰得滿分；1‰-1.5‰扣2分；1.5‰-2‰扣4分；大于2.5‰扣8分。滴定體積小于10 mL或大于40 mL扣5分；滴定體積10 mL至20 mL扣3分；滴定體積20 mL至30 mL得滿分；30 mL至40 mL扣1分。

思考題共有3題，每題5分，共15分。總體來看，思考題的得分情況不太理想。思考題1的答案包含兩部分：(1)蒸干導(dǎo)致Fe2+被氧化；(2)蒸干導(dǎo)致FeCl2·4H2O結(jié)晶水水量偏低。多數(shù)考生沒有考慮到第二部分。思考題2是考查考生對K2Cr2O7滴定亞鐵離子時加入硫磷混酸的作用的了解，不少學(xué)生對該思考題的回答也不全面。最后一道思考題的得分情況最差，只有少部分考生考慮到KMnO4氧化能力強，與氯離子發(fā)生反應(yīng)會影響滴定。說明多數(shù)考生并未牢固地掌握相關(guān)理論知識，不能正確地運用所學(xué)理論來解決稍微復(fù)雜的問題。

實驗操作分值為20分，主要涉及安全(如衣著、護目鏡)，衛(wèi)生(如桌面整潔、廢液回收、樣品回收等)，以及在蒸餾、滴定、重結(jié)晶操作過程中的一些明顯錯誤。除此之外，儀器破損、藥品灑出、實驗超時、實驗重做等都會扣分。

4 從實驗競賽中發(fā)現(xiàn)的問題

第12屆全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽已圓滿結(jié)束。本次邀請賽的無機及分析化學(xué)實驗試題考查的內(nèi)容立足基礎(chǔ)，所涉及的操作也較簡單，但能夠考查出考生理論與實踐相結(jié)合，手腦并用處理實際問題的能力，能夠反映學(xué)生的真實水平。通過本次賽事，我們也發(fā)現(xiàn)在學(xué)生中存在的一些問題，主要有：(1)實驗過程缺少思考，難以做到手腦并用。盡管考生們的實驗基本操作比較規(guī)范，但沒有透徹領(lǐng)會實驗原理。例如，忽略無機鹽本身結(jié)晶水的影響，不能夠通過思考確定蒸餾出鹽酸的量和重結(jié)晶時酸液加入的量，這都造成較多的扣分。(2)部分考生實驗補救能力弱。當發(fā)現(xiàn)問題時，沒有能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上積極補救，而是選擇重做。按照賽事要求，重做一次扣10分。(3)一些基礎(chǔ)知識的掌握仍不夠扎實。例如酸堿滴定和氧化還原滴定操作雖然很常見，但仍有不少考生選錯指示劑、滴定精密度不夠。另外思考題均為基礎(chǔ)的理論知識，考生們的得分卻不高。因此，我們今后需要在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)置及課程評價等方面對化學(xué)實驗教學(xué)進行改革，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，切實提高學(xué)生解決實際問題的綜合能力。