对化工滴定分析教学中四重关系的剖析

化工分析的主要任务是定量分析。滴定分析是定量分析的基础和重点,它是根据物质的化学计量关系,通过滴定操作实现定量分析的化学分析方法,是化工专业学生必须掌握的基本操作技能之一。在教学实践中发现,学生普遍感到滴定分析知识杂乱,计算繁琐,实验无章可寻,尽管也能依葫芦画瓢地完成一些实验和习题,但最后仍理不清头绪。

笔者认为,在教学实践中注重渗透几个重要关系,可以收到高屋建瓴地把握教材内容、提高教学质量的效果。

理清纵横的关系,掌握滴定分析的共同特点

从滴定过程上看,滴定分析一般包括采样与制样(包括粉碎、缩分等),试样处理(包括试样的溶解、必要的分离等),对指定成分进行定量测定,计算和报告分析结果四个步骤。从化学反应是否适用于直接滴定的基本条件上看,要具备反应按化学计量关系定量进行、反应必须进行完全、反应速率要快、有适合的指示剂或其他方法简便可靠地确定终点等四个条件,否则可考虑采用间接滴定。从仪器和操作技术上看,每个具体滴定要包括:滴定管、容量瓶、吸管、锥形瓶、分析天平等仪器及使用技术。这些都是贯穿在每一滴定分析中的纵线。

滴定分析方法主要有四种:酸碱滴定法、配位滴定法、氧化还原滴定法和沉淀滴定法。四种方法是并列平行的横向关系。这些横向内容中隐含着纵向关系。四种方法都是建立在相应的四大溶液平衡理论基础上的(如酸碱滴定法以酸碱平衡理论为基础),特点各异,但是在各个部分内容上都是围绕着“平衡理论→滴定原理→定量分析”这个从“面”到“线”再到“点”的“纵”主线展开的。

理清滴定分析知识的纵横关系,可以起到整体性抓住教材的作用。不论是滴定分析的方法、方式(采用直接滴定还是间接滴定)的选择,还是具体仪器的使用和操作技术、滴定过程的实施,都是为了完成一个具体的、完整的滴定分析任务。随着这样一个又一个的滴定分析任务学习(章节学习),不断渗透这种纵横关系,就会使学生有种既见树木又见森林的顿悟。这时,再趁热打铁要求学生归纳出滴定分析的共同特点,就会完成知识的顺应、同化。

要利用适当的时机和课型,帮助学生建构滴定分析知识的纵横关系。学期初、各章节学习前、考试前后、实验前后、作业时以及复习课上、习题课上,学生质疑询问之时,甚至交流谈心之时,均是建构知识纵横关系的良机。应鼓励、帮助学生利用列表格比较、画滴定分析流程示意图和关系图等方法理清这些纵横关系。

理清质量关系,细化具体滴定操作

滴定分析是通过标准溶液(滴定剂,用A表示)与待测组分(用B表示)进行定量反应,利用指示剂确定化学计量点,再根据标准溶液A消耗的体积和浓度计算待测组分B的含量的方法,是一种定量分析。每一个具体滴定,都发生了化学反应,A、B乃至指示剂都发生了质的变化。A与B的定量反应,由指示剂的质变指示判断。这些质变最终由A消耗的体积量(用VA表示)来反映并进而计算B的含量。从这个意义上讲,A消耗的体积量的准确测定是分析过程的出发点和着重点,是提高分析结果准确度和精密度的关键。

理清滴定分析的质量关系,就能细化具体滴定操作。不同的滴定方法,同一种滴定方法中的具体滴定实例,涉及的反应和条件控制大相径庭。这时怎样准确测定VA这个量是一直伴随在滴定过程中的关键。如用盐酸标液滴定氨水时,采用返滴定法,用甲基红——亚甲基蓝混合液作指示剂效果较好。这与用盐酸标液滴定NaOH溶液时,用甲基红作指示剂就可以达到效果不一样。认识了这些差异性,通过严格控制量来实施好滴定条件和步骤,就能完成一项滴定操作。

正确、规范的滴定操作是准确测定A消耗的体积量的前提和保证。滴定操作有共性要求和差异性要求。共性要求如正确进行仪器洗涤和使用仪器;取固体试样时至少的质量(如常量分析中不小于0.1g);标液浓度配制范围(如酸碱滴定一般为0.1~1.0mol/L);A消耗的体积量(一般为20~30mL)等等。差异性要求如:指示剂的选择(如强酸滴强碱用甲基橙,强碱滴强酸用酚酞);指示剂的加入时间(如直接碘量法与间接碘量法中,何时加淀粉溶液);酸度的控制(如测定水中钙镁离子总量时与测定水中钙离子含量时的PH)等等。这些要求的正确、规范、合理的实施,能保证VA的准确可靠。有些要求本身即有量的要求,它也能帮助理解有哪些因素制约VA和B含量的准确测定。当然,由于滴定分析注重定量,学生没有科学严谨的态度、精益求精的精神是难以做好的,这些需要教师的重视、培养。

理清主次关系,提高计算和实验能力

滴定分析内容有主次之分,如滴定操作就是主要内容。每一具体滴定也有主次之分,如A、B的反应计量关系、滴定操作条件的控制等等是主,副反应关系、缓冲剂或掩蔽剂发生的反应可能是次。

理清主次关系,对解决困扰学生的“计算烦琐、实验无章可寻”两大问题会有所帮助。比如在用滴定碘法测定试样中铜含量时,主要反应关系有:2Cu2++4I-=2CuI↓+I2,I2+2S2O32-=2I-+S4O62-;次要反应关系有:掩蔽剂NaF掩蔽干扰离子Fe3+的反应Fe3++6F-=FeF63-,指示剂淀粉与I2的反应等。理清了这些主次关系,易得计算时的计量关系为2Cu2+~(I2)~2S2O32-。另外,在此实验中,还加入了一些氧化性、酸碱性物质(如硝酸、饱和碳酸钠溶液、乙酸溶液)来去除试样中其他还原性物质和调节酸度。认识了这些,实验时就知道其所以然了。

为了提高学生的计算和实验能力,一方面要提高学生对主次关系的认识,另外,还可以从以下几方面着手:(1)总结出列一个总计算式的技巧(如关系式aA~bB中nB=(b/a)nA的计量系数b/a的记忆方法)和注意点(如单位);(2)归纳一些常见的计算类型(如直接滴定与返滴定的计算公式的式样);(3)比较分析结果的表示方法与换算方法(如质量浓度ρB与滴定度T的表示及换算);(4)学生实验中加强巡视指导;(5)分要求、分步骤的强化基本操作训练;(6)实验中要求学生一直围绕关键点、提高VA的准确度操作;(7)布置实验思考题等等。主次关系是一对矛盾,在抓住主要矛盾或矛盾的主要方面的时候,不要忽略次要矛盾或矛盾的次要方面对它们的影响,否则可能会欲速则不达。

理清理论与实践的关系,提高学生对滴定分析的应用能力

滴定分析是建立在溶液平衡理论基础上,根据物质的化学反应计量关系,通过滴定操作实现定量分析的化学分析方法。但是,A与B理论上能反应并不代表二者在实际操作中就能反应,这涉及滴定分析的可行性问题。A与B如能建立起较好的定量关系,一方面在理论上滴定平衡常数K是决定因素。K越大,滴定反应越完全,滴定的准确度越高,理论上越具有可行性;另一方面是在实验上如何控制合适的条件来实现A、B两者间的计量关系,如滴定方式的选择、反应物浓度大小的确定、正确选择指示剂和其他条件等,从而保证滴定终点和计量点较好吻合,使误差满足具体工作要求,才能在实践上具有可行性。

滴定理论的学习是为了完成滴定操作,是为了应用。较好地理清上述理论与实践关系,就能把握、体会理论在实验实践中的具体应用,提高学生的应用能力。例如在氧化还原滴定中,根据lgK′=■(25℃时),如能知道影响K′的因素是两可逆电对的电子转移数和条件电势差,而与氧化剂、还原剂的浓度无关。就可以理解在K2Cr2O7滴定Fe2+的实验中,为什么用加入H3PO4来降低Fe3+/Fe2+电对的条件电势(即E02′),增大K′和滴定突跃范围,从而提高二苯胺磺酸钠指示剂的灵敏度的。理清理论与实践关系使学生知道了“为什么”和“应怎样”,为有目的、有主见、能动地滴定分析指明了方向,有“更识庐山真面貌”之效。

对滴定分析基础知识进行系统梳理和强化基本操作技能训练,是提高应用能力的主要途径。建构主义认为:学习是积极主动的意义建构和社会互动过程。教学要引导学生从原有的经验出发,建构起新的经验。为此,教师应该引导学生在社会互动过程中主动建构两类联系:一是当前所学知识成分之间的联系,二是新旧知识之间的联系。将所学知识进行系统的整合,融会贯通,形成知识链、思维链,能使这些联系有效快捷地建立。这样,学生就能建构起新经验、高能力。同时,由于滴定分析以实验操作为主,要提高应用能力,平时强化基本操作是必不可少的。知识的系统梳理和基本操作技能的强化,为解决开放性、综合性的滴定分析问题做出了较好的铺垫工作。要尽量在实验室、校内外实训基地进行教学,让学生在真实情境中建构起新的经验,提高应用能力。

总之,滴定分析的各个章节之间相互联系,各滴定方法之间有异同。教师唯有在科学方法指引下,帮助学生理清章节内容之间的关系,本着理实结合、提高应用能力的宗旨,不断坚持,才能使学生内化知识,从而提高化工滴定分析的教学质量。

参考文献:

[1]赖国松,张海丽.滴定分析学习方法探讨[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2005,(4).

[2]李蓉.浅谈化工滴定分析教学[J].内蒙古石油化工,2002,(4).

[3]陈琦,刘儒德.教育心理学[M].北京:高等教育出版社,2005.

作者简介:

张曙光(1968—),男,江苏扬州人,江苏省江都市职教集团讲师,主要从事化工教学与教学管理。

(本文责任编辑:谢良才)