基于聚三聚氰胺修飾電極應用于pH值測定的分析化學綜合實驗設計

Comprehensive Experimental Design of Analytical Chemistry Based on the Application of Polyelamine-modified Electrodes in pHValue Determination

GU Hui CHEN Shu ZHANG Pei-sheng ZHOU Xiu-linYUE Ming* （School of Chemistryand Chemical Engineering，Hunan University of Science and Technology） Abstract：At present，analyticalchemistry experiments conducted incollegesanduniversities—includingclassical volumetric analytical experimentsand instrumentalanalysis experiments—aremostly confirmatory experiments. Theexperimental contents are relatively single，andthecultivation of the higher-order thinking of students has been ignored，which stuggles toenhance thestudents’investigativeandinnovativecapabilities.Thispaperintroducesan analyticalchemistry experiment derived fromasientificresearch achievement—theapplication of polymelaminemodified electrodes forpH measurement.Polymelamine contains abundant _N=N double bonds，and can undergo electrochemical redox process at specific potentials，which requires the participation of the H+ ions in the solution. The Nernst potentialoftheredox peak potential generated by polymelamine changes withtheconcentrationof thesoluble H+ ions，which enables thequantitative detectionofpHvalueof the solution.Integrating classicalanalyticalmethods and modern instrumental analysis methods，this experiment features novel and comprehensive contents，which is conducive to cultivating students’higher-order thinking as wellas pioneeringand innovative abilities. Keywords：analytical chemistry experiment，comprehensive experiment，melamine，pH

0 引言

pH值（即酸堿度）是水質、健康、食品等的重要指標[1]。高校實驗室中，傳統的測定pH值最常見的手段有pH指示劑、pH試紙和pH酸度計[2]。然而，這些方法對于學生的實驗技能要求較低，學生只需依葫蘆畫瓢的操作，難以培養學生高階思維的培養及探究能力和創新能力。隨著分析技術日新月異的發展，更精確的pH值測定方法已經被報道，如光學分析法[3-4]、核磁共振[5-6和電化學方法[7-8]等。其中，電化學方法由于其靈敏度高、響應速度快、成本低、現場實時檢測、易于微型化等優點而得到了廣泛的應用。三聚氰胺是一種三嗪類含氮雜環有機化合物，在發生“三聚氰胺”奶粉事件之前，幾乎不被大眾所知。本實驗以此事件作為切入點，提煉并設計出了基于聚三聚氰胺修飾傳感應用于水果pH值測定的綜合實驗方案。本實驗將促進學生容量分析和儀器分析的相互遷移，推進學生掌握學科知識，并形成知識網絡，激發學生探索創新的積極性，并培養學生獨立分析和解決問題的能力，使學生所掌握的低階實驗技能向高階實驗思維轉化[9]

1 實驗設計

1.1實驗目的

（1）了解三聚氰胺；

（2）掌握通過電聚合法制備聚三聚氰胺導電薄膜的實驗技能；

（3）掌握電位法測定pH的基本原理及數據分析。

1.2實驗原理

三聚氰胺是一種三嗪類含氮雜環有機化合物，在一定的電位下，其游離氨基易首尾相接形成聚三聚氰胺導電聚合物，其中富含"_N=N"雙鍵。電聚合過程如圖1所示。

如圖2所示，聚三聚氰胺薄膜中的 _N=N 雙鍵可在一定的電位作用下發生可逆的電氧化還原過程，該過程涉及2個質子失與得。因此聚三聚氰胺的電氧化還原過程與溶液中的 H+ 濃度密切相關，其電位依賴溶液中的 H+ 濃度發生能斯特電位位移，構成本方法測定pH值的理論基礎。

1.3實驗過程

（1）溶液的配制

3MHNO3溶液，1MNaOH溶液，0.5M H₂SO₄ 溶液，3MKCI溶液，3M三聚氰胺溶液（含 0.5M H₂SO₄ 和0.1 M NaCl）， 1M0.1 M磷酸鹽系列緩沖溶液（ Δ?pH 值范圍為2＼～8.5，含 0.1MNaCl ）， Na₂CO₃- NaOH緩沖溶液（ pH 分別為范圍為9＼～12.5，含0.1MNaCl）。

（2）聚三聚氰胺修飾電極的制備

根據文獻的方法[10]，將玻碳電極用撒上0.5μmAl₂O₃ 粉末的電極拋光布打磨拋光至鏡面光滑后，用二次蒸餾水徹底清洗，備用。將玻碳電極或碳纖維絲微電極依次在 3MHNO₃ 溶液、 1MNaOH 溶液和二次蒸餾水中用超聲波清洗儀里超聲清洗各2分鐘，最后于室溫下干燥。將上述電極置于3M三聚氰胺溶液（含0.5M H₂SO₄ 和 0.1MNaCl 中，以鉑絲為對電極，甘汞電極（ 3MKCl ）為參比電極，在1.8V電壓下恒電位聚合180秒。將該修飾電極置于 0.5M H₂SO₄ 溶液中循環伏安掃描至電氧化還原峰電流穩定（掃描電位區間0＼～1.0V）。

（3） 2～12.5pH 值范圍內標準曲線的建立

將聚三聚氰胺修飾的玻碳電極依次置于pH值為2＼～8.5的磷酸鹽系列緩沖溶液和9＼～12.5的 |Na₂CO₃- NaOH緩沖溶液內，以鉑絲為對電極，甘汞電極（3MKCI）為參比電極，進行循環伏安掃描。記錄不同pH溶液中聚三聚氰胺電化學氧化還原峰電位。以pH值為橫坐標，氧化峰電位為縱坐標，繪制pH值對峰電位散點圖，再擬合成直線，記錄直線方程。

（4）果汁酸度的測定

分別于臍橙、冰糖橙和柑橘表皮臨近位置用小玻璃棒刺開三個適合于各電極的口子，將果汁分別收集于3個 20mL 燒杯中（如圖3所示）。將三支聚三聚氰胺修飾的玻碳電極依次置于果汁中進行循環伏安掃描，以鉑絲為對電極，甘汞電極（ 3MKCl 為參比電極，進行循環伏安掃描。記錄數據并分析三種水果果汁的pH值。將上述三種水果果汁用pH酸度計和精密pH試紙進行pH測定，與本實驗結果進行對比。

把我們引入歧途而只能使我們逐漸地領悟自然的真諦。我們為了尋找自然界的規律，必須借助于實驗”，引出本節課：三聚氰胺是否有用，我們要用實驗來證明。引入的環節使同學們認知到實驗的重要性，也會對實驗產生濃烈的興趣。在講解實驗原理環節，啟迪同學們思考實驗現象發生的本質：即聚三聚氰胺對溶液中 H+ 敏感背后的理論基礎。在實驗操作中，要求學生對實驗有精益求精的質量意識和嚴謹求實的科學態度，遇到實驗問題，要實事求是并勇于探索、歸納、總結。本實驗以分組方式進行，要求學生擁有團結合作、相互配合的團隊意識。在本方法的應用性實驗中，適當地引發學生思考本方法可能的其他應用，并鼓勵學生課后勇于探索。

2.2預習建議

在開始本實驗前，教師發布聚三聚氰胺檢測pH的文獻資料，并要求學生能斯特方程與玻璃電極檢測pH的理論與實驗等知識。

2.3課時安排

第一次實驗（4學時）：完成實驗內容中聚三聚氰胺修飾電極的制備。

第二次實驗（4學時）：完成實驗內容中2＼～12.5pH值范圍內標準曲線的建立。

2.1課程思政的巧妙融入

2 教學組織的建議

本實驗從“三聚氰胺奶粉”事件引入，啟發同學們思考：三聚氰胺真的一無是處嗎？隨后我們引用著名科學家、畫家、工程師達·芬奇（意大利）的名言“實驗就是對自然界奧秘的揭示，它決不會

第三次實驗（4學時）：完成實驗內容中三種果汁中pH的測定及水果中pH的原位測定。

2.4思考與討論

（1）聚三聚氰胺聚合物薄膜的生成與哪些可能條件相關？

（2）嘗試用本方法測定 pHlt;2 或 pHgt;12.5 的溶液，討論其規律是否與線性范圍一致，思考為什么？

（3）本方法還可用于什么實際樣品的檢測？在檢測之前需要做些什么研究驗證本方法的實用性？

3 結語與展望

本實驗從本課題組科研成果中提煉而來，結合了經典分析方法和儀器分析的基本操作，并融合了現代分析化學的前沿科研成果，具有綜合性、研究性強的特點。本實驗的開展重在培養學生的高階思維和開拓創新能力，為深入高校分析化學實驗的改革提供有益的素材。

本實驗自開發以來，已在本校化學創新實驗課中得到了應用，取得了良好的成效。實施過程中，我們發現大多數學生對于本實驗抱有極高的學習熱情，能夠積極地開展實驗內容，并能消化實驗中所涉及到的知識與方法。通過與學生進行課前課后的交流溝通，我們認為該實驗是一項適合面向高校大二或大三學生開設的綜合性實驗，有助于激發學生通過實驗探索化學、分析科學問題的興趣。作為化學相關專業的學生，經過該實驗的實施，學生申報創新創業訓練項目、進人到教師科研實驗室進行科學研究等的人數明顯增加。我們相信該實驗項目的成功開發與實施，有助于提高高校分析化學實驗課程的教學質量，為國家培養更多的高階人才，同時推動其他高校立足自身科研工作開發更多的有益的實驗教學項目。

參考文獻

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作者簡介

谷慧，博士，教授，研究方向為分析化學。

岳明，通信作者，碩士，講師，研究方向為分析化學。

（責任編輯：張瑞洋）