数字化实验在高中化学教学中的应用——以酱油中总酸及氨基酸态氮含量测定为例

张原旗，卢凤琴，王冠淇，孙艳涛

（吉林师范大学化学学院，吉林四平 136000）

化学之中重要的实验就是酸碱中和，通过使用已经知道浓度的酸或碱来测定未知浓度的酸或碱物质。是高中阶段化学学科当中重要的基本概念，也是实验之中需要特别关注的一部分[1]。此实验具体位置在人教版化学教材的选修四书籍之中，有关于pH内容的介绍之中，对于这部分知识的学习，学生首先应该明确pH的基本概念和测定装置pH计的使用方法，这是实际实验操作的前提[2]。

在酸碱滴定的实验中，一般选用的是传统的方式，也就是利用指示剂来进行实验。在滴定的过程中，指示剂颜色会相应的改变，由此可以来确定是否滴定完成，但从实际来看，实验人员因为自身在判断颜色中存在着主观性，所以会产生偏差，从而结果出现误差。同时在测定某些样品时，由于其自身就存在着有色成分，虽然滴定过程会将颜色稀释，但仍然会存在影响，增大偏差[3]。其次，整个的滴定过程，一般是选择恰好变色这个临界点判断，但学生时常理解为恰好反应完全这个节点[4,5]。而采用pH计指示终点的方法，不需要加入指示剂，操作简便，结果明显，让实验操作更好的被观察。操作人员可以对原先仅凭眼睛无法有效判断的现象给出合理的结果，并且具有测试效率更快、准确度更高、结果准确等特点[6]。最后，因为传统滴定实验是需要不断循环的，对一个简单操作重复进行，整体周期比较久，学生会逐渐失去耐心，一旦滴定超过限度就会让结果误差增大。利用数字设备来实验，可以极大程度的节省时间，其中一方面可以让学生不再被其他事项所分心，集中精力在滴定过程中的颜色改变，另一方面教师可以将节省出来的时间用在引导学生对实验现象及实验结果的分析和讨论中。

酱油在整个发酵过程中，氨基酸是主要的味道来源，所以，对于评定酱油味道是否优良以及发酵过程是否满足标准，是通过检测氨基酸之中态氮含量，该数值越高也就说明质量越上乘，味道自然更为美妙[7，8]。据调查，目前我国的酱油合格率现状不乐观，一部分生产商并没有严格遵照国家食品卫生标准制定的《酱油卫生标准的分析方法GB/T5009.39-2003》，《酿造酱油GB/18186-2000》产品明示标准和指标的要求进行组织生产，降低了对生产工艺和产品品质的要求，在酱油中加入铵盐，以次充好，以铵盐中的氮冒充氨基酸态氮的含量，最终导致流通到市场上的酱油质量参差不齐，真假难辨。因此，为落实维护消费者利益，杜绝不合格产品的生产，研究出一种简单、快捷和准确的模式来具体测定酿造酱油之中的氨基酸态氮含量已经迫在眉睫。本次就基于这个方面来探索利用电位滴定的方式来测定相关指标，一方面利用实验结果的直观呈现，加强了学生的感性认识，进而对理论知识加深理解；另一方面通过对生活中实际试样的分析，为学生创设了探究环境，同时提高了学生学习的兴趣[9]。

本实验选用学生熟知的日常调味品——酱油，吸引学生学习化学的兴趣，逐步培养学生善于观察“生活中的化学”的习惯。并且可以展示出数字化实验模式的具体优势，能够帮助教学过程节约时间，让化学过程直观的展现在学生眼前同时也让实验结果更为精准。

1 实验部分

对于酿造酱油中需要测定的总酸以及态氮的含量，可以将指示剂的选型定在酚酞之上，搭配着ZD-2型的自动滴定设备来实际评定，这样的模式相较于传统的实验来说，整体过程更加效率，能够让学生直观观察过程，同时结果更为的精准[10]。符合素质化教育倡导下的教学模式。

1.1 实验目的

1）充分明确这样的方式最终选取滴定终点的原理；2）熟练掌握滴定检测的仪器在测评相关参数的使用方式；3）可以实际操控ZD-2型的仪器。

1.2 试剂与仪器

1.2.1 仪器

ZD-2型自动电位滴定仪；B-10型搅拌器；复合pH电极；搅拌磁子；洗瓶；滤纸；万分之一天平；250 mL烧杯；500 mL容量瓶；100 mL容量瓶；碱式滴定管；锥形瓶；试剂瓶；100 mL量筒；10 mL量筒；25 mL移液管。

1.2.2 试剂

氢氧化钠（NaOH，分析纯，沈阳市华东试剂厂）；37%甲醛溶液(分析纯，沈阳市华东试剂厂)；邻苯二甲酸氢钾（KHP，分析纯，沈阳市华东试剂厂）；市售酱油（海天老抽王，广东佛山）；蒸馏水；pH=4.00标准缓冲溶液；pH=6.86标准缓冲溶液；pH=9.18标准缓冲溶液；酚酞指示剂。

1.3 实验原理

在发酵过程中，酱油中的蛋白质经霉菌体内蛋白酶的作用，最终分解产生多种氨基酸。与蛋白质不同的是其含氮量可以直接测定，故称氨基酸态氮[11]。《酿造酱油GB/18186-2000》中指出氨基酸态氮含量的检测方法通常采用甲醛值法，主要的原理的是氨基酸自身具备的两个形态。在氨基酸的构成中不仅有显示酸性的羟基同时也有碱性的氨基基团，基于两个基团的联系让氨基酸成为中性盐。如果在氨基酸中增添甲醛就是将原本的碱性被隐藏，单纯由羟基作用，对外显酸性，这样就可以通过氢氧化钠试剂对其中的羟基基团进行滴定检测，通过酸式指示剂来找出滴定的终点，有效的检测出态氮含量[12]。在滴定过程溶液中会存在游离氢离子，其如果和标准试剂反应完全后，溶液的pH值在7.0，也就是俗称的有效酸度；当pH值达到8.2，也就是总酸值，指的是溶液之中刨去有效酸度之外的成分与标准实际完全反应；当溶液之中的氨基酸羟基基团和标准溶液完全反应，则会将pH值拉升到9.2。反应方程式为：

式中：

x—在试样之中100mL所对应的态氮含量，g/100 mL

c—标准试剂，氢氧化钠的浓度，mol/L

V样—样品实际的体积，mL

V0—达到滴定的临界值，也就是pH数值变为8.2时，稀释整个过程中使用的标准试剂的体积mL

V1—试样经过稀释之后添加甲醛的反应结点，也就是pH值达到9.2时，耗去的标准试剂的体积，mL

V2—空白实验中添加甲醛的反应结点，pH值达到9.2时，耗去的标准试剂的体积，mL

1.4 实验步骤

1.4.1 NaOH溶液配制及标定

1）首先将达到标准的烧杯放置在台秤上，对应称量1.0 g的氢氧化钠固体，并向其添加100 mL蒸馏水，使用玻璃棒充分搅拌均匀，等固体溶解后移至500 mL试剂瓶中，使用蒸馏水多次清洁烧杯，将冲洗过程的液体也倒入试剂瓶中，通过添加蒸馏水将总体积上升至500 mL，盖上试剂瓶塞，充分摇动，贴签备用。

2）使用天平精确地称量KHP，将称取出的4.3 g物质放入250 mL烧杯，添加蒸馏水100 mL，加热并充分搅拌直至溶解，静置冷却到室温，使用玻璃棒引流到500 mL容量瓶，加入蒸馏水充分稀释，达到刻度为止，摇晃均匀。

3）在锥形瓶中加入25.0 mL的KHP溶液，此过程使用移液管完成，并在其中滴入1～2滴酚酞指示剂，然后采用氢氧化钠开始滴定过程，直到溶液表现出微红色，并且0.5min色度未褪去，即可视为终点。

4）达到终点后，利用整个过程所耗去的氢氧化钠溶液的体积标定出标准特浓度。

1.4.2 总酸及氨基酸态氮含量的测定

1）校正仪器：接通电源，将ZD-2型自动电位滴定仪器连接好，用两点法pH=6.86和pH=4.00或9.18标准缓冲溶液校准pH计。

2）处理酱油样品：首先选定酱油试样，利用移液管精准的将5.0 mL试样转移到100 mL容量瓶之中，通过添加蒸馏水达到相应刻度，摇动均匀，向250 mL烧杯转入20.0 mL试样，并且加入60 mL纯水，使用电磁搅拌器来开始滴定过程，最终当pH值达到8.2时，记录此时共耗去的氢氧化钠标准液的体积，最终完成总酸的检测。

3）氨基酸的滴定：将中性37%甲醛溶液向上述溶液中添加10 mL，通过玻璃棒使其混合均匀，继续利用标准液滴定到pH达9.2，记录所用的体积。

4）试剂空白实验：使用量筒精确的将80 mL蒸馏水加入到250mL达到标准的烧杯之中，使用标准液再次滴定，当pH达到8.2，向其中添加等量等浓度的甲醛溶液，均匀混合后，继续滴定pH到9.2，再次记录耗用体积。

2 数据分析

2.1 溶液浓度的计算

平行标定NaOH标准溶液三次，结果见表1。由表1可计算出：NaOH标准溶液的浓度为0.0463mol/L，相对平均偏差为0.003%（＜0.2%）结果准确。

表1 NaOH溶液的标定

2.2 总酸含量的测定

用0.046 3 mol·L-1NaOH标准溶液对酱油的稀释液进行三次平行滴定，结果见表2。我国食品卫生标准明确规定酱油的总酸度为每100 mL酱油不得超过2.5 g，从表2中看出：总酸含量为0.6249 g/100 mL（＜2.5 g/100 mL），说明市售酱油符合国家食品卫生标准。

表2 总酸含量的测定

2.3 氨基酸态氮含量的测定

用0.0463 mol/LNaOH标准溶液对酱油稀释液平行滴定三次，结果见表3。我国食品卫生标准规定酱油的氨基酸态氮含量为每100 mL酱油不得低于0.4 g，从表3中看出：氨基酸态氮的含量为0.57 g/100 mL（＞0.4 g/100 mL），说明此市售酱油符合国家食品卫生标准。

表3 氨基酸态氮含量的测定

3 结论

在传统化学教学的实验部分，一般都是由教师口述或观看多媒体演示实验视频，内容抽象，偏离生活实际，学生难以理解其实验的原理和结论，不能将理论与实践有机的结合。并且教学过程比较枯燥乏味，使学生对化学知识的学习兴趣不高，不利于培养学生的思考创新精神与动手实践能力。然而数字化实验具有采集数据智能化、定量研究便捷化、实验现象直观化、实验方法创新化等特点。采用数字化实验技术手段，使用精确的电位滴定仪器来评测相关参数，实验不仅操作便捷，现象直观，而且易于引导学生发现并总结实验的规律，实现学生探究能力的提升及化学素养的提高。