“厂旁”实验——三草酸合铁酸钾实验的设计与实践

林晓辉，董 建，陈红余，葛燕青，王晓雁，方绍杰

（泰山医学院化工学院，山东泰安 271016）

“厂旁”实验
——三草酸合铁酸钾实验的设计与实践

林晓辉，董 建，陈红余，葛燕青，王晓雁，方绍杰

（泰山医学院化工学院，山东泰安 271016）

将经典无机化学实验——三草酸合铁（III）酸钾设计成一个超长学时的大综合“厂旁”实验，面向化学工程类专业高年级学生开设，对培养卓越化学工程师具有重要意义。除了涵盖了大学阶段所学的大量的化学实验技能和众多课程的理论知识，该实验更是从生产厂家的角度渗透了项目考察、项目设计、生产工艺、产品检验、废弃物处理等问题，同时体现了绿色化、探究性、设计性。

厂旁；大综合；卓越工程师；绿色化；探究性；设计性

教育部提出的“卓越工程师教育培养计划”项目，是国家振兴工程教育进行的一次重大举措，对提高工程人才培养质量、促进工程教育和工程师的国际互认具有重要意义［1］。许多教育工作者在如何进行卓越工程师培养方面做了大量研究，如建设化工专业联盟［2］、毕业设计面向企业需求［3］等，但是能够涵盖大量大学阶段所学实验技能及理论的、体现工厂生产实践的、超长学时的大综合“厂旁”实验研究及实践未见报道。

三草酸合铁（III）酸钾实验涵盖较多无机化学实验操作和理论，在南开大学［4］、上海交通大学［5］以及我校等众多高校中开设。该实验传统、经典，随着新技术和新思想的发展，有关该实验的探索、改进、思考仍在进行［4－6］。本文在前人研究成果的基础上，对该实验进行了较多方面的绿色化、探究性、设计性改进，同时丰富整合了该实验的内容，其理论知识除了涉及无机化学外，还涉及到了分析化学、有机化学、物理化学、化工原理、结构化学等课程，并渗透工厂生产模式，形成了一个大综合化“厂旁”实验，面向化学工程类专业高年级学生开设。本文主要以教学顺序为线索，在实验绿色化探究性设计性改进、大综合化角度整合、工厂化生产模式及实验模块安排方面加以论述。

1 预习实验报告的要求与考核

该部分相当于进厂岗前培训及项目考察。一个大综合化实验涉及的知识技能比较多，有的是多年前所学，有的学习时间不长但不一定学得精，有的是新问题，有的涉及到安全问题，有的涉及到健康问题，因此课前必须充分预习。在本实验开课之前一周左右的时间，布置学生书写预习报告与本实验的设想，并指出具体的要求与问题。

（1）预习实验，不能局限于实验教材，要充分理解教材内容，要翻阅过往教材或同类教材，利用网络、图书馆等，尽量避免对知识似是而非、囫囵吞枣。

（2）明确集热式恒温水浴加热磁力搅拌器的使用注意事项及适用范围。

（3）回流装置的用途及注意事项。

（4）熟悉不同尾气的吸收装置。

（5）析出晶体的常用操作。

（6）物料衡算的基本原理。

（7）指出实验中哪些部分体现了沉淀溶解平衡、氧化还原反应、配位平衡、电离平衡。

（8）确定产品组成的方法。

（9）原子吸收法测定铁含量的原理和方法。

（10）氧化还原滴定法的原理及注意事项。

（12）热重分析法的原理及使用注意事项。

（13）离子交换柱的使用方法。

（14）红外光谱检测的注意事项，并分析三草酸合铁（III）酸钾的特征吸收峰以及有无结晶水的谱图差别。

（15）晶体结构检测方法。

（16）废弃物的处理方法。

（17）产品的用途。

2 实验准备

该模块相当于厂家的项目设计及设备的购置、安装、调试及原料的购置、检测等工作。该实验方法较多，无论哪种方法所涉仪器药品都较多，许多材料需要学生自己领取、整理、清洗，实验地点也有多个。在实验动手之前要求学生从现有技术水平、仪器设备、原料价格、环保问题以及教育功能等角度理解教材中提供的制备方法的优缺点，要明确将要用到哪些试剂、设备，哪一步到哪里去做。在这一模块里，教师需要讲解整个实验的目的、原理、基本过程、注意事项、基本要求等诸多内容，同时要评判预习报告，课时定为3学时。

3 三草酸合铁（III）酸钾的制备

从工厂化和教育功能的角度，本实验选择三草酸合铁（Ⅲ）酸钾的合成路线如下：由废旧铁屑出发制备硫酸亚铁，之后加入硫酸铵形成硫酸亚铁铵（摩尔盐），硫酸亚铁铵与草酸反应生成草酸亚铁，再加入草酸钾与双氧水即可得到三草酸合铁（Ⅲ）酸钾。

该制备过程基本操作多，涉及化学原理较多，时间长，内含绿色化改进、科学探究过程，所以分成2个模块。第一模块为摩尔盐的制备，第二模块为三草酸合铁（III）酸钾的制备。每一模块均为4学时。

3．1 由废铁屑制备摩尔盐

图1为摩尔盐制备模块的主要操作流程。

图1 摩尔盐制备流程图

反应方程式如下：

本模块的改进主要集中在硫酸亚铁的制备装置上。传统教材中硫酸亚铁的制备体系是敞开的，产生的所有气体都扩散到大气中，同时需要间歇补充水分，并用玻璃棒不时搅动，因此存在较多的问题，例如气体产物的任意排放、反应体系的温度难以准确控制、耗费劳动力等。问题最大的是气体产物的任意排放。产物中主要气体是氢气，同时还混有一些硫化氢、磷化氢等气体。氢气是许多科学家绞尽脑汁研究的清洁能源［710］，任意的排空相当于浪费，同时它的易燃易爆性也带来很大的安全隐患。硫化氢、磷化氢都是剧毒气体［911］，任意的排放都是对操作人员和环境的侵害。实验改进装置见图2。

本装置中加热装置为集热式恒温水浴加热磁力搅拌器，三通管及干燥管为经过研究后定做的玻璃仪器。干燥管内装活性炭颗粒负载的硼氢化钾，气体吸收瓶内装前期除油用氢氧化钠废液，吸收瓶出口连接普通气球。本装置的使用相对充分地体现了绿色化学原则：

图2 硫酸亚铁制备装置图

（1）相对密封且带有尾气吸收的装置减少了环境污染及对操作人员健康的危害，也降低了易燃易爆的安全隐患，同时给对氢气能源的充分回收及利用带来了希望。当然，利用活性炭负载硼氢化钾对氢气的吸收的实际意义并不明显，因为常压吸氢目前在世界上都是难题，在这里的使用主要在于教育意义，引导学生去关注并不断完善氢能的利用问题。

（2）集热式恒温水浴加热及温度计使体系温度准确可控。

（3）磁力搅拌省去了玻璃棒手动搅拌；相对密封的装置省去了间歇加水的操作。

（4）本实验装置的意外收获之处在于磁力搅拌子对铁屑的吸附。这样在反应时疏松的吸附结构加速了反应接触面积，进而加速了反应进程，反应结束后剩余的铁屑吸附在搅拌子上，直接称量搅拌子的质量变化，即可得到铁屑的剩余量，进而算出下一步所需硫酸铵的量，同时也加速了热过滤进程。

3．2 三草酸合铁（III）酸钾的制备

三草酸合铁（III）酸钾制备模块的主要操作流程见图3。

图3 三草酸合铁（III）酸钾制备流程图

反应方程式如下：

根据多年的教学经历发现，大部分学生所制备的最终产品不甚理想，如杂质较多、颜色发黄，晶粒颗粒度小等，究其原因是这个实验的影响因素很多，诸如加料多少、加料速度、加料顺序、酸碱环境、加热温度等。告诉学生最优制备条件固然重要，但是指导学生去探究最优条件更有意义。由于课时有限，我们设计的探究性实验是通过分组协作方式完成的。分组协作的方式是指一个班级内分成不同的实验小组，不同小组采用不同的反应条件，最后各组数据资源共享，最终总结出最佳条件，同时产品也是资源共享，这样在实验成绩评判上避免了“以成败论英雄”的偏见。

3．2．1 探究双氧水滴加速度对产率的影响

在双氧水氧化过程中，双氧水滴加速度的快慢对结果影响很大。从理论上讲，若加入速度太慢，体系中双氧水浓度一直偏低，氧化过程较长；若太快则会因局部过浓，造成部分双氧水分解，氧化不完全。双氧水滴加速度的答案由学生分组协作来探究。我们安排由5组学生分别按5min、10min、15min、20min、25min的时间滴加完成，观察记录现象，并粗略计算生成氢氧化铁沉淀的质量。

3．2．2 探究酸溶温度对产率的影响

在使用草酸溶解沉淀时，温度过低不利于溶解过程，温度过高容易引起副反应，安排7组学生分别在25℃、35℃、45℃、55℃、65℃、75℃、85℃温度下进行反应观察记录现象，并计算产率。

3．2．3 探究酸溶pH值对产率的影响

pH值由加入草酸的量决定，而草酸的量在原教材中是固定的，这本身就不科学。学生按同样的要求做实验，但是实验中却存在大量人为因素，造成不同组的学生实际所需草酸量并不相同。到底加入多少草酸，应该由一个合理的pH值来确定。因为实验室pH计较少，所以安排了4组学生进行pH值分别为2、3、4、5的实验，并观察记录现象，计算产率。

3．2．4 探究结晶方式对产率及结晶效果的影响

借鉴姜述芹［5］和卢季红［12］的做法，我们安排7组学生分别采用7种不同的结晶方式：A避光自然风干结晶；B浓缩自然结晶；C不浓缩加乙醇结晶；D浓缩后放入装有浓硫酸的干燥器中结晶；E浓缩后放入装有变色硅胶的干燥器中结晶；F浓缩后放入装有无水氯化钙的干燥器中结晶；G浓缩后加入4A分子筛结晶。观察、记录现象并计算产率。

4 产品表征

该模块相当于厂家的产品质量检测工作。产品质量的好坏不仅要检测宏观的理化指标，准确的化学结构及晶体结构才更有说服力。本模块实验综合性很强，不仅用到大量的基本操作和理论知识，同时要使用到不少贵重仪器（往往在不同的地点），所以本模块的实验顺序可以结合贵重仪器使用情况进行调整。

（1）化学式的确定（4学时）。高锰酸钾滴定草酸根的含量；原子吸收光谱测定铁含量；热重分析测定结晶水含量。

（2）化学式的验证（4学时）。测定配离子的电荷数，借鉴胡锴［13］的一些先进做法，采用间接法测定配离子的电荷数；判定组成离子所处的内外界，借鉴秦建芳［14］的一些先进做法，采用对照实验法判定钾离子、草酸根离子、铁离子是处于配合物的内界还是外界。

（3）化学式的光谱验证（4学时）。红外光谱的检测，实行小型探究性实验。全班分为2组，一组做水合样品，另一组做脱结晶水样品，实行数据共享，分析异同；晶体结构的检测，由于XRD仪器的贵重性及对晶体样品的要求较高，只选择结晶最好的2组样品进行检测，最后数据共享。

5 实验废弃物处理及产品的用途

学生实验的废弃物一般被要求放在指定位置，然后就与学生无关了，而工厂的废弃物则必须要由工厂处理。现今众多企业废弃物乱排放，也许和做学生时没有被训练如何处理废弃物有关。厂旁性实验的设计必须要有实验废弃物如何处理这一环节。工厂产品的销售与生存有关，能不能销售出去，与产品的现有用途和未来用途有关。开设三草酸合铁（III）酸钾实验，是因为该实验能很好地培训学生的实验技能与科学精神，并且该物质有非常重要的用途和许多待开发的用途。不管是废弃物的处理还是产品的用途，都是开放性较强的实验，都有利于充分发挥学生的自主性，由学生自己设计实验。设计性实验采用”教师引导—学生主导—教学互动”的模式［15］。该模块课时为4学时。

5．1 废弃物处理实验

引导学生分析整个实验的废弃物，并按有无循环利用价值分类，对有价值循环利用的，设计回收方式，对无价值循环利用的，设计丢弃方式，经教师批准后，主要由学生进行操作。学生操作过程中遇有问题，教师及时指导。

5．2 产品的用途

三草酸合铁（III）酸钾是一种经典光敏剂，常用作化学光量计，是制备某些负载活性铁催化剂的主要原料。由于实验条件限制，能做的用途性实验有限，主要是利用经典的显色实验来体会它的光敏性。反应方程式如下：

引导学生利用反应原理，结合各物质的颜色特点，设计合理的实验步骤，并根据自己的意愿，设计出自己喜欢的字或图案，附在实验报告上。

6 实验讨论与总结

该模块相当于厂家的生产技术总结，在综合化“厂旁”实验中是很有必要的。在做一般学生实验时，学生往往进度不一，做完自己的实验后，陆续离开，几乎没有总结讨论的过程，造成很多学生做完实验后看着教材能“知其然”，不看教材则什么也不知，更谈不上“知其所以然”了。

我们专门拿出3学时来完成这一模块。教师鼓励学生积极发言，同时进行指导点评，答疑解惑，最后强调实验报告的书写。实验报告的书写有两大要求：一是实验报告按照科研论文格式书写；二是以工厂技术负责人的身份写一篇三草酸合铁（III）酸钾生产的可行性报告，附在实验报告后面。

7 结束语

整个大综合“厂旁”实验涵盖无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、化工原理、结构化学等课程的理论及相关实验技能，内含绿色化、探究性、设计性实验，实验流程参照工厂生产化模式，共有30学时，面向高年级学生在独立的实验周开设。在实验周里，学生白天在实验室，晚上预习、设计、整理、讨论，整个过程充满了对大学前半段所学较多课程的回顾提高与灵活运用，对工厂生活有了初步的认识，也相当于毕业设计的演练，提高了化工职业素养，为实习、毕业设计、工厂工作与研究，为成为一名化工领域的卓越工程师打下了坚实的基础。

（References）

［1］林健．面向世界培养卓越工程师［J］．高等工程教育研究，2012（2）：1－15．

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［3］张社荣，崔激．面向企业需求的毕业设计改革探索［J］．实验技术与管理，2011，28（7）：14－17．

［4］程春英．硫酸亚铁铵制备三草酸合铁酸钾的思考［J］．实验室科学，2009（6）：62－63．

［5］姜述芹，陈虹锦，梁竹梅，等．三草酸合铁（Ⅲ）酸钾制备实验探索［J］．实验室研究与探索，2006，25（10）：1194－1196．

［6］陈小利，崔华莉，李平，等．三草酸合铁（Ⅲ）酸钾的制备实验的探索与改进［J］．广州化工，2011，39（11）：148－150．

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Design and practice of“beside factory”experiment：Taking Potassium Ferrioxalate as an example

Lin Xiaohui，Dong Jian，Chen Hongyu，Ge Yanqing，Wang Xiaoyan，Fang Shaojie
（College of Chemical Engineering，Taishan Medical University，Taian 271016，China）

The classic inorganic chemistry experiment of Potassium Ferrioxalate（Ⅲ）is integrated into a large comprehensive“beside factory”experiment which demands long class hours，and is established for the chemical engineering major seniors，which is of great significance to the cultivation of outstanding engineers．Besides covering a lot of chemical experiment skills and theoretical knowledge of huge range of course，the experiment penetrates many items such as investigation of project，designing of project，production process，production test，waste treatment from a factory viewpoint，and it embodies greening，exploring，designing meanwhile．The“beside factory”experiment not only makes the students consolidating and improving a lot of chemical experiments skills and theoretical knowledge，but also is beneficial to cultivate students’professional quality of chemical engineering and the scientific research consciousness，which can lay the foundation for production practice and graduation project and accomplish the transform from the students to the outstanding engineers successfully．

beside factory；large comprehension；outstanding engineer；greening；exploring；designing

G642．423

A

1002－4956（2015）3－0203－04

2014－08－15 修改日期：2014－09－27

山东省教育科学“十二五”规划课题“网络环境下基于PBL的临床医学专业化学类基础课程实践教学模式研究”（2013GG172）；2013年山东省高等医学教育研究中心项目“中外合作办学医学类专业基础课程（以医用化学为例）BLearning教学研究”；2012年泰山医学院大学生科研基金项目；2013年泰山医学院教育教学研究课题“改良PBL教学法在大综合实验课程中的应用研究”

林晓辉（1974—），男，山东泰安，硕士，讲师，研究方向为精细化学品的绿色化合成，有机化学、合成化学、医用化学等理论及实验教学．

E－mail：xhlin＠tsmc．edu．cn