工业分析综合实验的设计与实践

原怀保，李月红

(洛阳理工学院环境工程与化学学院，河南 洛阳 471023)

工业分析综合实验是应用化学本科生必修的实践环节之一，是修完《工业分析》及有关先修课程之后，通过对已学专业基础课和专业课知识的综合运用，独立进行的综合性实验设计，在整个教学中具有承上启下的功能，是培养学生发现问题、分析问题并最终能解决问题能力的关键所在[1]。专业课程实验内容往往是验证性的，学生只需在规范操作下，按照实验步骤完成即可，无改进和创新，抑制了学生的学习兴趣和主动性，限制了学生实践能力和创新精神的发展[2]。开设新颖、难度适中的综合性、设计性实验项目，是现阶段实验教学发展的必由之路，是培养学生应用、创新等综合能力的重要手段[3]。

工业分析综合实验，以碘量法测定铜合金中铜含量分析方法的验证为例，按照GB/T27417-2017合格评审化学分析方法确认和验证指南[4]、GB/T32465-2015 化学分析方法验证确认和内部质量控制[5]、GB/T601-2016 化学试剂 标准滴定溶液的配制[6]等相关要求，结合应用化学专业培养方案的要求、实验室现有条件以及实验教学周期等因素，设计实验方案，简化、优选出主要的验证项目，从2016级应用化学专业开始，经过几年的实践教学，取得了良好的效果。

1 工业分析综合实验选题

1.1 综合实验选题

碘量法测定铜合金中铜含量分析方法的验证

提供铜合金中铜含量的分析方法(碘量法)，按照分析方法的验证程序[4-5]，通过查阅相关资料，从试剂的配制、标准溶液的配制及标定、主要实验条件、精密度和准确度的实验考察等进行实验，以判断方法的可靠性。同时得出结论，对影响方法的主要因素进行分析和讨论。

1.2 综合实验目的

要求学生能综合运用工业分析相关学科的理论知识，独立完成综合实验的设计，并撰写实验方案、详细实验步骤，正确记录实验数据，分析实验结果。通过该实践环节，学生能掌握分析方法的研究程序和实验方法，分析方法可靠性考察，实际样品测定的程序，树立准确定量的观念，培养分析和解决实际问题的能力，为将来的科研打下良好的基础。

1.3 综合实验要求

1)实验周期为一周，2～3人一组，分工明确，协同合作。

2)提前一周向学生下发任务书，要求学生接到任务后，运用所学知识，经详细、全面考虑，认真收集查取相关资料，确定实验方案。

3)根据分析方法的验证程序要求，结合应用化学专业教学实际，适当简化分析方法的验证内容，主要考察方法的稳定性和准确性。

4)正确选用和理解主要项目的验证方法，对分析结果能进行合理的分析和判断，得出正确结论，以确保在规定时间内完成综合实验的教学任务。

5)对实验过程和实验数据进行整理，撰写工业分析综合实验报告。

1.4 综合实验计划

①综合实验的准备工作;②提交实验方案;③确定实验方案;④实验分析;⑤撰写综合实验报告;⑥总结和答辩

1.5 综合实验任务

①试剂的配制;②标准溶液的配制及标定;③精密度实验;④准确度实验;⑤实验结果汇总;⑥实验结论及有关问题的讨论。

2 实验部分

2.1 测定原理

试样以酸溶解，氟化物掩蔽铝、铁等干扰离子，在弱酸性溶液中，二价铜与碘化钾作用析出等量的碘，加入硫氰酸钾溶液，以淀粉作指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定，间接测得铜含量。

2.2 试剂

硝酸：(1+1);氨水溶液：(1+1);乙酸溶液：(1+4);盐酸：2 mol/L;氟化钠:分析纯;碘化钾：分析纯;重铬酸钾：优级纯;碘化钾溶液：20%;硫氰酸钾溶液：20%;淀粉溶液：1%，配制时需煮沸;试样：黄铜H62，屑状;纯铜：高纯阴极铜，大于99.95%，屑状;

0.1000 mol/L 硫代硫酸钠标准溶液：称取25克硫代硫酸钠置于300毫升烧杯中，用少量水溶解。加入0.1克碳酸钠。移入1升容量瓶中，用水稀至标线(用煮沸过并冷却的蒸馏水)。

2.3 分析步骤：

称取0.4000克试样于250毫升烧杯(或锥形瓶)中，加入6～8 mL 稀硝酸，加热溶解并蒸发到油状，冷却。用氨水逐滴中和溶液到刚生成沉淀，再用乙酸溶液溶解并过量少许(1 mL)。加入少量氟化钠，使溶液黄色褪去，转为纯蓝色。加入碘化钾溶液10毫升，立即用硫代硫酸钠标准溶液滴定到淡黄色，再加入硫氰酸钾溶液10毫升、淀粉溶液5毫升，继续滴定到蓝色恰消失为终点。

计算：

式中，c为硫代硫酸钠标准溶液的浓度，mol/L;V为硫代硫酸钠标准溶液的体积，mL;G为试样的质量，g。

3 实验项目

3.1 0.1000 mol/L硫代硫酸钠标准溶液的标定

选择以下方法之一进行标定：

1)标定1：称取在 120 ℃ 干燥至恒重的基准重铬酸钾 0.1500 g 置于碘量瓶中，加水 50 mL 溶解，加碘化钾 2.0 g，轻轻振摇使溶解，加 2 mol/L HCl 15 mL，摇匀，密塞，在暗处放置10分钟后，加水 50 mL 稀释，用硫代硫酸钠溶液滴定至近终点时，加淀粉指示液 3 mL，继续滴定至蓝色消失而显亮绿色为终点。

计算：

式中，cNa2S2O3为硫代硫酸钠标准溶液的浓度，mol/L;mK2Cr2O7为重铬酸钾的质量，g;MK2Cr2O7为重铬酸钾的摩尔质量;VNa2S2O3为硫代硫酸钠标准溶液的体积，mL。

要求三次有效结果，极差的相对值不大于0.2%[6]，取其平均值。

2)称取 0.3000 g 纯铜于250毫升烧杯(或锥形瓶)中，以下按2.3分析步骤进行。

计算：

式中，cNa2S2O3为硫代硫酸钠标准溶液的浓度，mol/L;VNa2S2O3为硫代硫酸钠标准溶液的体积，mL;mCu为纯铜的质量，g。要求三次有效结果，极差的相对值不大于0.2%[6]，取其平均值。

3.2 精密度实验

按照分析方法，对铜合金试样独立的进行多次分析(7次)[4]，对分析结果进行统计，得出样品的平均值、标准偏差和变异系数，并以表格形式呈现。

1)要求得到7次有效结果，以重复性指标r=0.15%取舍。

2)以变异系数CV=1.5% 以下为满足精密度指标[5]，即表明方法的稳定性。

3.3 准确度实验

准确度实验有以下三种方法[5]：考虑实验室现有条件以及将来的应用，选用第三种方法来考察方法的准确度。

1)标准样品分析验证

以该分析方法分析已知铜含量的标准样品，所得结果与标准值比较满足不确定度要求，表明方法的准确性。

2)以标准分析方法或公认的分析方法比较

以该方法与标准分析方法或公认的分析方法同时分析一种铜合金样品，所得结果一致，表明方法的准确性。

3)标准加入回收实验法

按照分析方法，在对已知铜含量的铜合金试样分析的同时，采用标准加入法(加入标准阴极铜)，通过分析结果计算回收率，考察方法的准确度。实验相关数据以表格形式呈现，表1为标准加入回收实验结果及统计。

表1 标准加入回收实验结果及统计

计算

要求：至少三次回收实验，回收率满足95%-105%[4]，表明方法的准确性。

4 综合实验成绩评定

实验成绩的考核则是实验教学成果的重要体现，科学的考核办法不仅能检验学生对理论知识的掌握程度和实验操作能力，还能激发学生学习热情，同时提高学生解决问题的能力、培养创新能力。成绩考核应贯穿整个实验的全过程，重点培养和考查学生综合实验能力和素质，包括综合运用相关专业知识、设计与研究能力、实验操作技能、结果与分析能力等。

1)每个学生交一份综合实验报告，内容包括：试剂的配制、标准溶液的配制及标定、精密度实验、准确度实验、实验结果汇总、实验结论及有关问题的讨论。

2)根据应用化学专业实际情况，本实验成绩评定由实验方案(20%)、实验操作(30%)、实验记录(10%)、实验报告(30%)、实验总结和答辩(10%)五部分组成，成绩包括优、良、中、及格、不及格五个挡次。

5 实验总结

学生能综合运用工业分析原理的理论知识，独立完成实验设计方案、设计实验步骤，实验操作基本规范，正确记录实验数据，对实验数据进行有效处理并得出实验结果，进而对工业分析综合实验进行了分析和讨论，并进行合理评价。综合设计实验的开设，激发学生的学习兴趣，提高了学生实验积极性和自觉性，拓宽了学生专业知识。实验开展过程中，培养了学生的创新精神、协作精神，提高了学生的设计能力、操作能力、解决实际问题的能力，提升了综合素质，达到了工业分析综合实验的目的。