创新训练成果转化为实验项目的实践分析

王玉芹, 许 斌, 丁益民, 曹志源

(上海大学 理学院化学系， 上海 200444)



创新训练成果转化为实验项目的实践分析

王玉芹, 许 斌, 丁益民, 曹志源

(上海大学 理学院化学系， 上海 200444)

为了构建全新的仪器分析实验教学体系，达到学以致用的培养目的，通过对一创新训练项目成果进行转化，设计出了一个仪器分析实验：利用自动电位滴定法测定水果中的可滴定酸，计算出总酸度，并通过回收率实验，考察实验方法的可行性。实践表明：以学生为主导的创新训练成果成功转化成实验项目后，既能优化实验教学体系，又能激发学生的学习兴趣和创新热情。

创新训练项目； 实验教学； 自动电位滴定； 可滴定酸

0 引 言

为促进高等学校转变教育思想观念，增强高校大学生的创新能力以及在创新基础之上的创业能力，培养符合创新型国家建设所需要的高水平的创新人才，教育部在“十二五”期间开始实施“国家级大学生创新创业训练计划”项目[1-3]。在高校的各种创新创业训练的人才培养计划中，大学生创新性实验计划注重自主性、探索性、过程性、实践性和协作性，为创新人才培养提供了很好的平台[4-7]。

我校作为上海市重点建设的高校，是上海市重要的人才培养基地，以特色鲜明的学分制、选课制和短学期制作为人才培养模式[8]。2011年起我校开始实施大类招生，大一新生入学后没有具体专业，只分理工科、人文社科、经济管理三大类，并会按照大类模块进行一年的通识教育学习[9]。在这一年时间里，学生可以接触多样性的知识，并且可根据兴趣自愿参与多种创新实践活动。但由于每年国家级、市级训练计划项目数量有限，高年级学生凭借扎实的理论知识和丰富的实践经验竞争力更强，新生参与的机会微乎其微。为了拓宽新生的实践渠道，满足新生参与创新训练的需求，我校于2012年开始实施校级创新训练项目计划，面向社区学院的大一新生征集创新课题。有意向的新生则可以提出书面申请，通过组织团队、提交可行性报告，最终以学院选拔的形式，为自己争取创新实践平台。

在传统的仪器分析实验教学中，验证性和演示性实验占大多数，这种教学模式束缚了学生的创新意识，不利于学生研究性学习和创新性实验能力的培养[10-11]。因此利用一切资源对现行的实验项目进行及时创新改革和提升很有必要。在2012年的校级创新训练项目计划中，化学实验中心接待了一个由5人组成的大一新生团队，他们借助中心的仪器设备，通过独立思考、提出问题、设计实施方案、解决问题等，顺利完成了关于“水果中有机酸的鉴定”的创新实验计划项目。作为指导教师，作者在征得学生同意后，把此次创新训练项目内容进行筛选和提炼，改编成一个仪器分析实验，并应用到实际教学中，以达到优化实验教学体系、提升学生学以致用能力的目的。

1 实验设计背景

水果作为人类不可或缺的食品之一，源于果汁内含有人体所需的多种矿物质、维生素、有机酸、糖、蛋白质等成分，堪称营养丰富的佳品。其中适量的有机酸可维持人体内酸碱平衡，刺激胃肠道消化液分泌，促进食欲，帮助消化，益于健康。

水果中解离和未解离的有机酸可以用碱溶液滴定法计算总酸的含量，称为可滴定酸，用质量百分数来表示。水果中的可滴定酸含量是水果的重要营养指标之一[12]，常用的测定方法有有指示剂滴定法[13]和自动电位滴定法[14]。自动电位滴定仪与手工滴定相比，具有准确度高、终点判断不受样品溶液颜色的影响、自动控制滴定加液速度和数据自动处理等优点，给分析测试带来了准确简便的新途径。

因此以激发学生的实验兴趣为出发点，在结合自动电位滴定法的基础上，引入目前较受关注的水果中可滴定酸含量的测定，设计出了“自动电位滴定法测定水果中的可滴定酸”的仪器分析实验。通过本实验的锻炼，学生不仅可以掌握自动电位滴定法的测试原理和基本操作，还可以学习自动电位滴定法在实际分析测试中的应用，从而更加有利于实验教学的开展和增强学习效果。

2 实验原理

2.1 自动电位滴定法工作原理[15]

电位分析是通过在零电流条件下测定两电极间的电位差(电池电动势)，设法求出待测物质含量的分析方法，可分为直接电位法和电位滴定法。

电位分析的理论基础基于能斯特方程，即电极电位与溶液中待测离子间的定量关系。测定时，参比电极的电极电位保持不变，电池电动势随指示电极的电极电位而变，而指示电极的电极电位随溶液中待测离子活度而变。

氧化还原体系：Ox + ne-= Red，

金属电极(还原态为金属，活度定为1)：

电位滴定法是用电位测量装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化，通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法。和直接电位法相比，电位滴定法不需要准确的测量电极电位值，因此，温度、液体接界电位的影响并不重要，其准确度优于直接电位法。

在电位滴定实验中每滴加一次滴定剂，溶液体系平衡后自动测量电动势。随着滴定剂的加入，由于发生化学反应，被测离子浓度不断变化，指示电极的电位也相应地变化。在等当点附近发生电位的突跃。因此测量工作电池电动势的变化，即可确定滴定终点。实验的关键是要确定滴定反应的化学计量点时，所消耗的滴定剂的体积，快速滴定寻找化学计量点所在的大致范围。突跃范围内每次滴加体积控制在0.1 mL。记录每次滴定时的滴定剂用量(V)和相应的电动势数值(E)，作图得到滴定曲线。

通常采用三种方法来确定电位滴定终点，见图1。

图1 滴定曲线类型

2.2 水果中总酸度的计算[16]

水果中含有各种不同的有机酸，主要有苹果酸、柠檬酸、酒石酸、草酸等。水果种类不同，含有机酸的种类和数量也不同。果汁的酸性取决于游离态的酸或酸式盐存在的数量，这些酸都是有机弱酸，所以在测定时，用氢氧化钠标准溶液滴定即能测出酸度。这样测得的数据是总酸度，包含了未离解酸和已离解酸的浓度。用下式计算总酸度：

总酸度

式中：V样为样品稀释总体积(mL)；V取样为滴定时取样体积(mL)；VNaOH为滴定时用去的NaOH标准溶液体积(mL)；CNaOH为NaOH标准溶液的浓度(mol/L)；W样为样品质量(g)；折算系数为不同有机酸的毫摩尔质量(g/mmol)。

食品中的总酸度往往根据所含酸的不同，而取其中某种主要有机酸计量。食品中常见的有机酸及其毫摩尔质量折算系数如下：苹果酸：0.067(苹果、梨、桃、杏、李子、蕃茄、莴苣)；醋酸：0.060(蔬菜罐头)；酒石酸：0.075(葡萄)；柠檬酸：0.070(柑橘类)；乳酸：0.090(鱼、肉罐头、牛奶)。

3 实验步骤

3.1 水果的前处理

将苹果和柠檬去皮，按四分法取对角可食部分(葡萄则直接去皮去籽即可)，于滴定塑胶杯中称重，再于榨汁机中处理，用塑胶杯接取果汁部分，并用高纯水把粘附在榨汁机上的果浆不断洗入杯中；随后把杯中混合物转移至离心管中离心，最后把离心管中的清液转移定容到250 mL的容量瓶中，待测。

3.2 标准滴定溶液和回收率溶液的配制与标定

滴定剂是标准溶液，即含确定量反应剂的溶液。一般碱用邻苯二甲酸氢钾标定，酸用三羟甲基氨基甲烷。

(1) 0.1 mol/L NaOH溶液的配制。称取约4.4 g NaOH颗粒置于烧杯中，加入少量蒸馏水，稍微蜗旋搅拌一下以便溶解表面的Na2CO3，倒掉这少量的溶液。剩余的NaOH用无CO2蒸馏水溶解后，转移到一个1 000 mL容量瓶中，定容，混匀。将蒸馏水煮沸，或通氮气可以去除蒸馏水中的二氧化碳。

(2) 0.1 mol/L NaOH溶液的标定。将邻苯二甲酸氢钾放入105℃ 的烘箱中烘过夜，然后置于干燥器中冷却至少1 h。注意滴定必须在恒定温度下进行。一般测定3次取平均值。精密称取约200 mg邻苯二甲酸氢钾(精确到0.1 mg)到滴定杯中，加入约50 mL无CO2蒸馏水溶解，立即用配好的NaOH溶液滴定到出现第一个终点。一般平行测定三次，取平均值。

(3) NaOH溶液浓度的计算。1 mL 0.1mol/L的NaOH溶液相当于20.423 mg邻苯二甲酸氢钾。所以，滴定剂NaOH的浓度c(NaOH)=m0/20.423/V(EP1)×0.1 (mol/L)。其中：m0为邻苯二甲酸氢钾质量(mg)；V(EP1)为滴定终点时所消耗NaOH的体积(mL)。

(4) 回收率溶液的配制。分别称取固体苹果酸0.667 9 g、柠檬酸0.698 1 g和酒石酸0.747 2 g溶于高纯水，于100 mL容量瓶中定容；每次移取5 mL配制溶液至滴定杯中，用标准氢氧化钠溶液标定。平行测定三次，取平均值作为三种酸溶液的标准浓度，将在回收率实验中作为标样添加。

3.3 水果中总酸浓度的测定

分别用移液管移取四种水果的定容液10、20和30 mL于塑胶杯中，进行自动电位滴定。

3.4 水果定容液样品的加标回收测定

对三类不同酸转换系数的样品进行加标回收测定，苹果样品加标苹果酸，柠檬样品加标柠檬酸，葡萄样品加标酒石酸，按以下公式计算回收率：

具体方法为：各移取10 mL水果样品和标准样品于同一测试杯中，滴定时编辑公式为：DET pH{x} Vol*CV NaOH/10(x为滴定终点数)。

4 实验数据的处理及总结

由于此次试验中涉及到的数据比较多，因此要求学生们自主设计表格填充数据，有平行样测定的还要进行相对标准偏差的计算。最终学生们能够根据三种水果定容液样品的滴定数据，使用Origin软件作出滴定曲线，标出滴定终点pH值以及所消耗的氢氧化钠的体积，并计算出四种水果的总酸度。可能需要的数据表格包含了下面四项测试内容的结果：

(1) 三种水果中的总酸浓度测定；

(2) 回收率实验中加标溶液的浓度测定；

(3) 三种水果定容液样品的加标回收测定；

(4) 三种水果样品总酸度计算。

5 实践效果探讨

此实验项目信息量丰富，内容充实，涉及到仪器分析课程中一系列的基本理论和概念。实验中，首先水果前处理部分贴近生活，丰富有趣，大家争相参与；其次仪器(见图2(a))响应快，灵敏度高，程序设定简便，操作快捷，滴定过程中的现象也易于观察；再次，实验数据结果除了会在数据库保存，还会生成PDF格式的文件作为测量报告(见图2(b))，从而能充分提高学生参与和投入的积极性，在成就感中形成自我肯定意识。另外通过数据处理及绘图过程，可以让学生熟练使用Origin软件作图，加深他们对实验内容和数据处理的理解。

图2 实验效果

利用Origin软件作出的滴定曲线见图3，为ΔE/ΔV-V曲线法。由图可见，三种水果可食部分经过处理形成溶液后，在滴定过程中所消耗氢氧化钠的体积按照葡萄、苹果和柠檬的顺序递增，证明它们的酸度也是按照这种顺序增强，这与现实中的口感规律是相似的。另外因为绝大部分水果中含有的都是有机弱酸，如柠檬酸，酒石酸和苹果酸等，且都是一元α羟酸，解离常数(pKa)比较接近，无法分步滴定，所以用氢氧化钠标准溶液滴定测得的数据是总酸度，包含了未离解酸和已离解酸的浓度。在不断的数据总结中，学生们期待能够选取更多种类的水果进行酸度测试，了解更多水果的酸度规律以及继续探索水果的秘密。

图3 水果中可滴定酸的滴定曲线

6 结 语

把创新训练活动的成果进行转化，设计出实验项目并实施，① 加强创新意识的辐射，激发学生们的探索热情，② 延伸理论知识的应用领域，促进学生们去主动思考、学会思考，③ 切实激发学生们参与实验过程的兴趣和积极性，达到背景知识拓展和实验技能锻炼的目的。如在指导学生处理样品与操作仪器的同时，教师还可以引导学生思考和学习日常生活中关于食品营养成分、有害物质分析的测定手段，例如水果中酸度和糖度的测定，果汁中防腐剂的含量测定，可乐中咖啡因的含量测定等等。通过此次实验内容的启发和操作流程的训练，可以引导学生们去主动寻找研究内容，自主设计测试方法，独立完成数据的记录、处理和分析，在潜移默化中树立起创新意识，并逐渐地关注起化学学科与社会应用的关系，真正做到学以致用。

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The Practical Analysis on the Transformation of Innovation Training Production into an Experimental Project

WANGYu-qin,XUBin,DINGYi-min,CAOZhi-yuan

(College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

In order to establish a new instrumental analysis experiment course and achieve the planned purpose of practicing the skill learned in the classroom, an instrumental analysis experiment is designed by the conversion of a school level innovation training production. The experiment describes the determination of the titratable acidity of the fruits by potentiometric titrator. The total acidity of the fruits is calculated and the feasibility of the method is studied by the recovery test. The result shows that, the experiment converted from the innovation training project which is dominated by undergraduate could optimize the experimental teaching system, and stimulate students’ interests and innovation enthusiasm of learning.

innovation training project； potentiometric titrator； the titratable acidity

2015-05-11

上海大学首批综合改革课程立项项目(2015年度)

王玉芹(1982-)，女，江苏大丰人，硕士，实验师，化学实验中心副主任，现主要从事化学实验教学及管理方面的工作。

Tel.：021-66134732，18017860869； E-mail: yqwang@shu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)04-0223-05