工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

原懷保，李月紅

(洛陽(yáng)理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用化學(xué)本科生必修的實(shí)踐環(huán)節(jié)之一，是修完《工業(yè)分析》及有關(guān)先修課程之后，通過(guò)對(duì)已學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課知識(shí)的綜合運(yùn)用，獨(dú)立進(jìn)行的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在整個(gè)教學(xué)中具有承上啟下的功能，是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題并最終能解決問(wèn)題能力的關(guān)鍵所在[1]。專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往是驗(yàn)證性的，學(xué)生只需在規(guī)范操作下，按照實(shí)驗(yàn)步驟完成即可，無(wú)改進(jìn)和創(chuàng)新，抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，限制了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的發(fā)展[2]。開(kāi)設(shè)新穎、難度適中的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必由之路，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用、創(chuàng)新等綜合能力的重要手段[3]。

工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)，以碘量法測(cè)定銅合金中銅含量分析方法的驗(yàn)證為例，按照GB/T27417-2017合格評(píng)審化學(xué)分析方法確認(rèn)和驗(yàn)證指南[4]、GB/T32465-2015 化學(xué)分析方法驗(yàn)證確認(rèn)和內(nèi)部質(zhì)量控制[5]、GB/T601-2016 化學(xué)試劑 標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的配制[6]等相關(guān)要求，結(jié)合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案的要求、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期等因素，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，簡(jiǎn)化、優(yōu)選出主要的驗(yàn)證項(xiàng)目，從2016級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的效果。

1 工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)選題

1.1 綜合實(shí)驗(yàn)選題

碘量法測(cè)定銅合金中銅含量分析方法的驗(yàn)證

提供銅合金中銅含量的分析方法(碘量法)，按照分析方法的驗(yàn)證程序[4-5]，通過(guò)查閱相關(guān)資料，從試劑的配制、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定、主要實(shí)驗(yàn)條件、精密度和準(zhǔn)確度的實(shí)驗(yàn)考察等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以判斷方法的可靠性。同時(shí)得出結(jié)論，對(duì)影響方法的主要因素進(jìn)行分析和討論。

1.2 綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

要求學(xué)生能綜合運(yùn)用工業(yè)分析相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，獨(dú)立完成綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，并撰寫實(shí)驗(yàn)方案、詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟，正確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)該實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生能掌握分析方法的研究程序和實(shí)驗(yàn)方法，分析方法可靠性考察，實(shí)際樣品測(cè)定的程序，樹(shù)立準(zhǔn)確定量的觀念，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為將來(lái)的科研打下良好的基礎(chǔ)。

1.3 綜合實(shí)驗(yàn)要求

1)實(shí)驗(yàn)周期為一周，2～3人一組，分工明確，協(xié)同合作。

2)提前一周向?qū)W生下發(fā)任務(wù)書(shū)，要求學(xué)生接到任務(wù)后，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，經(jīng)詳細(xì)、全面考慮，認(rèn)真收集查取相關(guān)資料，確定實(shí)驗(yàn)方案。

3)根據(jù)分析方法的驗(yàn)證程序要求，結(jié)合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)際，適當(dāng)簡(jiǎn)化分析方法的驗(yàn)證內(nèi)容，主要考察方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4)正確選用和理解主要項(xiàng)目的驗(yàn)證方法，對(duì)分析結(jié)果能進(jìn)行合理的分析和判斷，得出正確結(jié)論，以確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)。

5)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，撰寫工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1.4 綜合實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

①綜合實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作;②提交實(shí)驗(yàn)方案;③確定實(shí)驗(yàn)方案;④實(shí)驗(yàn)分析;⑤撰寫綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告;⑥總結(jié)和答辯

1.5 綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)

①試劑的配制;②標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定;③精密度實(shí)驗(yàn);④準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn);⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總;⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)論及有關(guān)問(wèn)題的討論。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 測(cè)定原理

試樣以酸溶解，氟化物掩蔽鋁、鐵等干擾離子，在弱酸性溶液中，二價(jià)銅與碘化鉀作用析出等量的碘，加入硫氰酸鉀溶液，以淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，間接測(cè)得銅含量。

2.2 試劑

硝酸：(1+1);氨水溶液：(1+1);乙酸溶液：(1+4);鹽酸：2 mol/L;氟化鈉:分析純;碘化鉀：分析純;重鉻酸鉀：優(yōu)級(jí)純;碘化鉀溶液：20%;硫氰酸鉀溶液：20%;淀粉溶液：1%，配制時(shí)需煮沸;試樣：黃銅H62，屑狀;純銅：高純陰極銅，大于99.95%，屑狀;

0.1000 mol/L 硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取25克硫代硫酸鈉置于300毫升燒杯中，用少量水溶解。加入0.1克碳酸鈉。移入1升容量瓶中，用水稀至標(biāo)線(用煮沸過(guò)并冷卻的蒸餾水)。

2.3 分析步驟：

稱取0.4000克試樣于250毫升燒杯(或錐形瓶)中，加入6～8 mL 稀硝酸，加熱溶解并蒸發(fā)到油狀，冷卻。用氨水逐滴中和溶液到剛生成沉淀，再用乙酸溶液溶解并過(guò)量少許(1 mL)。加入少量氟化鈉，使溶液黃色褪去，轉(zhuǎn)為純藍(lán)色。加入碘化鉀溶液10毫升，立即用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定到淡黃色，再加入硫氰酸鉀溶液10毫升、淀粉溶液5毫升，繼續(xù)滴定到藍(lán)色恰消失為終點(diǎn)。

計(jì)算：

式中，c為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L;V為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;G為試樣的質(zhì)量，g。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

3.1 0.1000 mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定

選擇以下方法之一進(jìn)行標(biāo)定：

1)標(biāo)定1：稱取在 120 ℃ 干燥至恒重的基準(zhǔn)重鉻酸鉀 0.1500 g 置于碘量瓶中，加水 50 mL 溶解，加碘化鉀 2.0 g，輕輕振搖使溶解，加 2 mol/L HCl 15 mL，搖勻，密塞，在暗處放置10分鐘后，加水 50 mL 稀釋，用硫代硫酸鈉溶液滴定至近終點(diǎn)時(shí)，加淀粉指示液 3 mL，繼續(xù)滴定至藍(lán)色消失而顯亮綠色為終點(diǎn)。

計(jì)算：

式中，cNa2S2O3為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L;mK2Cr2O7為重鉻酸鉀的質(zhì)量，g;MK2Cr2O7為重鉻酸鉀的摩爾質(zhì)量;VNa2S2O3為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL。

要求三次有效結(jié)果，極差的相對(duì)值不大于0.2%[6]，取其平均值。

2)稱取 0.3000 g 純銅于250毫升燒杯(或錐形瓶)中，以下按2.3分析步驟進(jìn)行。

計(jì)算：

式中，cNa2S2O3為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L;VNa2S2O3為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;mCu為純銅的質(zhì)量，g。要求三次有效結(jié)果，極差的相對(duì)值不大于0.2%[6]，取其平均值。

3.2 精密度實(shí)驗(yàn)

按照分析方法，對(duì)銅合金試樣獨(dú)立的進(jìn)行多次分析(7次)[4]，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出樣品的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)，并以表格形式呈現(xiàn)。

1)要求得到7次有效結(jié)果，以重復(fù)性指標(biāo)r=0.15%取舍。

2)以變異系數(shù)CV=1.5% 以下為滿足精密度指標(biāo)[5]，即表明方法的穩(wěn)定性。

3.3 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)有以下三種方法[5]：考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件以及將來(lái)的應(yīng)用，選用第三種方法來(lái)考察方法的準(zhǔn)確度。

1)標(biāo)準(zhǔn)樣品分析驗(yàn)證

以該分析方法分析已知銅含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品，所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較滿足不確定度要求，表明方法的準(zhǔn)確性。

2)以標(biāo)準(zhǔn)分析方法或公認(rèn)的分析方法比較

以該方法與標(biāo)準(zhǔn)分析方法或公認(rèn)的分析方法同時(shí)分析一種銅合金樣品，所得結(jié)果一致，表明方法的準(zhǔn)確性。

3)標(biāo)準(zhǔn)加入回收實(shí)驗(yàn)法

按照分析方法，在對(duì)已知銅含量的銅合金試樣分析的同時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法(加入標(biāo)準(zhǔn)陰極銅)，通過(guò)分析結(jié)果計(jì)算回收率，考察方法的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)以表格形式呈現(xiàn)，表1為標(biāo)準(zhǔn)加入回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)加入回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)

計(jì)算

要求：至少三次回收實(shí)驗(yàn)，回收率滿足95%-105%[4]，表明方法的準(zhǔn)確性。

4 綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定

實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核則是實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的重要體現(xiàn)，科學(xué)的考核辦法不僅能檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度和實(shí)驗(yàn)操作能力，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。成績(jī)考核應(yīng)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，重點(diǎn)培養(yǎng)和考查學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退刭|(zhì)，包括綜合運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識(shí)、設(shè)計(jì)與研究能力、實(shí)驗(yàn)操作技能、結(jié)果與分析能力等。

1)每個(gè)學(xué)生交一份綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容包括：試劑的配制、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定、精密度實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及有關(guān)問(wèn)題的討論。

2)根據(jù)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定由實(shí)驗(yàn)方案(20%)、實(shí)驗(yàn)操作(30%)、實(shí)驗(yàn)記錄(10%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(30%)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和答辯(10%)五部分組成，成績(jī)包括優(yōu)、良、中、及格、不及格五個(gè)擋次。

5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

學(xué)生能綜合運(yùn)用工業(yè)分析原理的理論知識(shí)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)操作基本規(guī)范，正確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而對(duì)工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析和討論，并進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和自覺(jué)性，拓寬了學(xué)生專業(yè)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神、協(xié)作精神，提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、操作能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升了綜合素質(zhì)，達(dá)到了工業(yè)分析綜合實(shí)驗(yàn)的目的。