應用型人才培養下“水總硬度的測定”實驗改進*

李 琛，李銳揚，曾艷萍，陳文靜，余 倩，韓增輝**

(1.玉溪師范學院 化學生物與環境學院，云南 玉溪 653100；2.玉溪師范學院 物理與電子工程學院，云南 玉溪 653100)

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學對于學生的知識、能力、思維和素質的協調發展起著至關重要的作用[1]。培養應用型人才，符合當今時代特征和人才需求[2]。玉溪師范學院作為玉溪市唯一的一所地方本科高校，為更好的服務地方經濟，正在積極構建應用型人才培養模式，努力推進轉型發展。2019年玉溪師范學院成為云南省應用型本科人才培養示范院校建設單位，近年來與通海縣、易門縣、華寧縣、澄江市簽訂合作框架協議，深化校政合作，大力促進地方經濟發展。2022年11月召開的玉溪師范學院第三次黨員代表大會指出：“到2035年努力建設成為特色鮮明的一流地方應用型大學”。

根據分析化學的專業特點，立足于分析化學實驗，要培養應用型人才，則需對分析化學實驗的教學內容及方法進行合理的改進和調整，使分析化學理論教學和實驗教學有機結合，以更有利培養高素質的分析化學專業的應用型人才[3]。水總硬度的測定屬于分析化學中絡合滴定的實驗部分，通常采用EDTA滴定法，該法操作簡單，易于實現[4，5]。水的總硬度主要是由Ca2+、Mg2+兩種離子含量決定的，鈣和鎂雖然是人體需要的微量元素，但是過量攝入會危及人類健康健康，較高硬度的水也給我們的生活、生產等造成諸多問題[6，7]。因此，對水總硬度的測定和對硬水的軟化顯得尤為重要。

為了培養適應社會需求的高素質應用型人才，對“水總硬度的測定”實驗進行改進，玉溪師范學院有較為豐富的湖泊水資源，因此不再局限于自來水的測定，而是將學生分組分別對校內的湖泊、學生公寓和實驗室水樣的總硬度進行測定，鍛煉學生采集、保存和測定樣品的實操能力。此外，增設色譜法相關實驗，采用陽離子交換樹脂將水樣的總硬度降低，提高學生發現問題和解決問題的能力。

1 課前準備

在上課之前，通過線上教學平臺“學習通”發布教學任務，并提供豐富的視頻資源到平臺上供學生自主學習，學習時間由學生自主安排，學生需要明確教學目標和實驗原理，清楚實驗的大概操作流程。學生接受學習任務后，通過學習或社交平臺(學習通、微信、QQ等)與老師或學生之間進行答疑、交流、討論等。教師能夠在課前了解學生的學習情況，做到有的放矢，更好的掌握課堂。同時，將學生分為8組，抽簽決定采樣地點，各組成員自主準備塑料瓶用以收集水樣。

2 實驗用品

2.1 主要藥品

NH3-NH4Cl緩沖溶液、CaCO3基準物質、Mg2+-EDTA溶液、鉻黑T、甲基紅、HCl溶液、氨水等。

2.2 主要儀器

燒杯、移液管、量筒、分析天平、酸式滴定管、容量瓶、膠頭滴管、表面皿、玻璃棒、藥匙、烘箱等。

3 實驗步驟

3.1 水樣的采集與保存

湖泊水樣的采集：使用塑料瓶為水樣采集器，在湖泊岸邊均勻選擇四個點進行表層采樣各 500 mL，混合均勻后取適量進行測定；學生公寓和實驗室水樣的采集：打開水龍頭，待水流出 30 s 后，用塑料瓶收集水樣 500 mL，備用。所有水樣均用塑料瓶保存，2小時內進行測定。

3.2 配制Ca2+標準溶液

準確稱取0.23～ 0.27 g CaCO3固體，置于 100 mL 燒杯中，加入少量蒸餾水濕潤燒杯中的CaCO3固體，用膠頭滴管向燒杯中滴入約 5 mL 6 mol/L 的HCl溶液，將表面皿蓋上，加熱溶解完全。冷卻后，用少量蒸餾水沖洗燒杯內壁和表面皿。將溶液定量轉移至 250 mL 容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，蓋上塞子，搖勻，計算Ca2+的標準濃度。

3.3 配制EDTA溶液

在分析天平上稱取1.8～2.0 g 乙二胺四乙酸二鈉固體，置于 500 mL 燒杯中，加入蒸餾水溶解，再加入蒸餾水稀釋至約 500 mL，用玻璃棒攪拌均勻，備用。

3.4 標定EDTA溶液

用移液管將 25.00 mL Ca2+標準溶液移入錐形瓶中，用膠頭滴管加入1滴甲基紅，然后加入 7 mol/L 氨水，直到溶液從紅色變為黃色。再加入 20 mL 蒸餾水、5 mL Mg2+-EDTA溶液、10 mL NH3-NH4Cl緩沖溶液和2～3滴鉻黑T指示劑。最后，用EDTA溶液進行滴定，直到溶液從酒紅色變為藍綠色，記錄消耗的EDTA溶液的體積，平行測定三次，按公式(1)求出EDTA溶液的準確濃度[8]。

(1)

式中：CCa2+為滴定劑Ca2+標準溶液的濃度；VCa2+為滴定劑Ca2+標準溶液消耗的體積；VEDTA為被滴定EDTA溶液的體積。

3.5 水總硬度的測定

用移液管將 100.00 mL 水樣移入 250 mL 錐形瓶中，加入 3 mL 200 g/L 三乙醇胺溶液和 5 mL NH3-NH4Cl緩沖溶液，再加入2～3滴鉻黑T指示劑，用EDTA標準溶液滴定，待溶液從紅色變為藍色，記錄讀數，平行測定三次，計算水樣的總硬度，按公式(2)進行計算，以總硬度CaCO3(mg/L)表示結果[9]。

(2)

式中：CEDTA為滴定劑EDTA溶液的濃度；VEDTA為滴定劑EDTA溶液消耗的體積；MCaCO3為CaCO3的相對分子質量；V水樣為被滴定水樣的體積。

3.6 “硬水變軟水”改進實驗

本實驗采用顆粒大小為0.5～1.0 mm 的陽離子交換樹脂，其結構為多孔狀或顆粒狀。離子交換法是一種可逆反應，即液相中的離子和固相中的離子進行交換[10]。在使用陽離子交換樹脂前需進行預處理，酸洗、堿洗和水洗，最后用蒸餾水浸泡 24 h 后方可使用。取預處理后的樹脂進行裝柱，首先在柱子底部塞入 1 cm 高的棉花，用玻璃棒壓平，接著將樹脂倒入直徑為 2 cm 的玻璃柱中，填充高度約為 25 cm，最后加入 2 cm 高的石英砂，填充過程中注意防止氣泡產生[11]。將 200 mL 水樣倒入，以每秒1～2滴的流速通過柱子，前 100 mL 過濾水樣舍棄，收集后 100 mL 過濾水樣。

4 數據記錄與處理

4.1 EDTA溶液濃度的計算

按照步驟3.4對EDTA溶液的濃度進行測定，結果如表1所示，CEDTA平均值為 0.01030 mol/L。

表1 EDTA溶液濃度的計算結果

4.2 水總硬度的計算

按照步驟3.5對玉溪師范學院5處湖泊(西門湖泊、東門湖泊、悠悠湖、博思湖、怡心潭)、2處學生公寓(學生宿舍A幢、龍馬學生公寓)和1處實驗室水樣進行水總硬度的測定，結果如表2所示。

表2 不同水樣總硬度的計算結果(保留兩位小數)

根據水樣的總硬度數值可以將水劃分為以下七類：極軟水(0～75 mg/L)；軟水(75～150 mg/L)；中硬水(150～300 mg/L)；硬水(300～450 mg/L)；高硬水(450～700 mg/L)；超高硬水(700～1000 mg/L)；特硬水(>1000 mg/L)。可以看出，怡心潭水樣的總硬度最高，屬于中硬水；其余7處水樣的總硬度均小于 150 mg/L，為軟水，其中，學生宿舍A幢、龍馬學生公寓和實驗室水樣的總硬度較低。此外，根據相對標準偏差(RSD)的計算結果，不難發現，實驗測定結果的精密度較高，重現性好，結果準確可靠。

4.3 “硬水變軟水”實驗結果

取硬度最大的怡心潭水樣 70 mL 置于燒杯中。同時，另取 200 mL 怡心潭水樣按步驟3.6得到經過陽離子交換樹脂過濾后的水樣 100 mL，取 70 mL 置于另一燒杯中，如圖1(左)所示，可以看出，沒有明顯區別，均為澄清透明液體。接著，分別向兩只燒杯中加入 20 mL 等濃度的肥皂水，結果如圖1(右)所示，不難發現，怡心潭初始水樣(a)有大量的白色絮狀物生成，而經過陽離子交換樹脂的怡心潭水樣(b)較為澄清透明，這說明經過陽離子交換樹脂得到的水樣，其總硬度明顯減小。此外，由此實驗可以發現，水硬度過高會降低肥皂、洗衣粉此類清潔用品的去污能力，因此將水的總硬度降低對于日常生活也有一定的應用價值。

(a)為怡心潭初始水樣；(b)為經過陽離子交換樹脂的怡心潭水樣

5 結論

本實驗改進緊緊圍繞一流地方應用型大學建設目標，從教學內容、教學手段、課后拓展等幾個方面進行改進。首先，引導學生先查閱相關資料再進行實驗操作，提高學生自主學習能力，注重理論知識與實驗實踐之間的聯系與轉化；其次，將學生分為8個小組測定不同水樣，有利于培養學生團隊合作精神和實驗探究精神；最后，在絡合滴定實驗的基礎上增設色譜學拓展實驗，注重學生實驗技能的培養。綜上，通過實驗改進，期望多培養出能夠適應滇中經濟社會發展需求的高素質應用型人才。