王静，李会平，王小燕，罗世忠，王书文

青岛科技大学化学与分子工程学院，山东 青岛 266042

新时代全国高等学校本科教育工作会议指出，人才培养是大学的本质职能，一流大学建设必须聚焦人才培养[1]。各高校把握人才培养工作的新形势和新任务[2,3]，将培养具有科研和创新能力的研究型人才作为高等教育战略目标[4,5]。研究型人才是指在具有扎实的理论知识、系统的研究方法和能力、掌握先进科学技术的同时，具有严谨求实的科研能力和勇于探索的创新能力，今后主要从事各专业的科学研究和创新工作[6]。对培养研究型人才具有重要作用的研究性教学模式，不同于单向的知识传授方式，而是以学生为主体，教师通过多方位启发，引导学生主动探究，充分参与，提倡学生自主学习，将所学理论与实践充分结合[7–9]。

基础化学实验作为面向大一新生的一门必修实践课程，在锻炼学生综合运用理论和实验知识、培养分析和解决问题能力，以及养成良好科学素养和习惯等方面起着不可替代的作用[2]。在传统的化学实验教学过程中，教师为学生准备好所需浓度的试剂和仪器，准确的实验步骤，详细的注意事项，确切的实验结果。学生进入实验室后，只需要“照方抓药”，验证实验结果，不利于思考、动手、总结，实验教学效果远远达不到预期的目标，创新能力难以得到培养[10]。实验课堂作为研究性教学环节的重要载体，要求融合知识传授、技能锻炼、能力培养、思维更新、素质提升于一体[11]。那么，如何将研究性教学模式应用于基础化学实验的课堂，就要求对基础化学实验的授课内容、传授方式、教学环境等环节进行缜密的设计和充足的准备。

“硫代硫酸钠溶液标定实验”是基础化学实验课程开设的氧化还原法滴定分析实验“硫代硫酸钠溶液的配制、标定及间接碘法测定铜含量”的一部分。在间接碘法标定硫代硫酸钠溶液的实验中，指示剂的加入时机、酸度、反应时间等因素均对实验结果有较大影响。本实验源于学生在标定过程中对基准物的思考，提出对反应条件、指示剂、滴定终点等实验条件如何确定的问题。教师根据学生提出的疑问，引导学生首先查阅文献，结合氧化还原滴定的理论知识，在理论分析计算的基础上，设计实验方案。学生以分组形式，各小组合理分工、相互配合完成实验动手操作、数据记录和整理。学生通过多次实验操作和总结分析，解决所提出的疑问，考查验证实验方案设计的合理性。在研究性教学模式的实施过程中，实验教学与系统科学研究方法相互渗透，学生在自主探索和研究中感受实验的乐趣和魅力，培养严谨的科学思维和良好的科学素养，有利于研究型人才的培养[12]。

1 实验设计

1.1 实验目的

(1) 掌握间接碘法标定Na2S2O3溶液的基本原理和方法。

(2) 学习考查实验条件的方法，掌握标定终点的判断方法。

(3) 培养学生查阅文献，分析、解决问题，综合运用理论与实践相结合的能力。

1.2 仪器与试剂

(1) 仪器：分析天平(Mettler Toledo，型号EL104100)，酸度计(Mettler Toledo，型号EL20K)，磁力搅拌器，台秤，烧杯(100 mL、500 mL)，量筒(10 mL、20 mL、50 mL)，250 mL容量瓶，25 mL移液管，250 mL碘量瓶。

(2) 试剂：Na2S2O3·5H2O (A.R.，s)，Na2CO3(A.R.，s)，K2Cr2O7(A.R.，s)，KIO3(A.R.，s)，10%KI溶液，6 mol·L−1HCl，3 mol·L−1H2SO4，1 mol·L−1H2SO4，0.5 mol·L−1H2SO4，0.2 mol·L−1H2SO4，1%淀粉溶液。

1.3 实验方法

1.3.1 0.1 mol·L−1Na2S2O3溶液的配制

称取20 g Na2S2O3·5H2O于500 mL烧杯中，加入200–300 mL新煮沸已冷却的去离子水，再加入0.2 g Na2CO3，待完全溶解后，用新煮沸已冷却的去离子水稀释至800 mL，储于棕色试剂瓶中。

1.3.2 0.1 mol·L−1Na2S2O3溶液的标定

方法一：

准确称取已烘干的K2Cr2O7(Mr= 294.2) 0.11–0.16 g于250 mL碘量瓶中，加入10–20 mL水使之溶解，再加入20 mL 10%KI溶液和5.0 mL 6 mol·L−1HCl，混匀后盖好塞子，水封，暗处放置5–10 min。反应结束后加50 mL水稀释一倍，用0.1 mol·L−1Na2S2O3溶液滴定至呈浅黄绿色，加入1 mL 1%淀粉溶液，继续滴定至蓝色变为绿色，即为终点。平行测定 3次，计算 Na2S2O3溶液的浓度c(Na2S2O3)[13]。

方法二：

准确称取质量为m(KIO3) = 1.0008 g (误差±0.0001g)的KIO3(Mr= 214.0)于100 mL烧杯中，加适量去离子水完全溶解后，转移，定容至250 mL容量瓶中。

准确移取25.00 mL上述碘酸钾溶液于250 mL碘量瓶中，加入体积V(KI)的10% KI溶液和浓度为c(H2SO4)的硫酸 V(H2SO4)，混匀后盖好塞子并水封，暗处放置一定时间 t。反应结束后加体积为V(H2O)的去离子水稀释，立即用待标定的0.1 mol·L−1Na2S2O3溶液滴定至淡黄色，加入1 mL 1%淀粉溶液，继续滴定至蓝色恰好褪去呈无色溶液即为终点。记录消耗的Na2S2O3溶液的体积V(Na2S2O3)，并计算Na2S2O3溶液的浓度c(Na2S2O3)。

1.4 反应方程式及计算公式

2 实验教学过程

实验教学中将学生分成小组，每个小组根据考查实验条件的影响因素分工操作，完成实验操作后，整理实验数据，分析实验结果。

2.1 方法一标定Na2S2O3溶液

采用 K2Cr2O7作为基准物标定 Na2S2O3溶液的实验方案(方法一)在基础化学实验课堂中已开展多年。实验数据见表1。

表1 K2Cr2O7作为基准物标定Na2S2O3溶液实验数据

实验过程中发现：(1) 使用6 mol·L−1盐酸作为酸性介质时，标定终点为CrCl3亮绿色。但在实验过程中发现由于盐酸的挥发性较强，极易形成酸雾。(2) 改为使用3 mol·L−1硫酸后，标定终点时反应产物有、I-和蓝绿色Cr2(SO4)3溶液。标定终点由淀粉与碘生成的蓝墨色突变到蓝绿色，颜色变化不显著，不利于终点观察。(3) K2Cr2O7毒性强，有强致癌性，污染严重。学生总结实验时提出是否可以采用KIO3作为基准物标定Na2S2O3溶液以解决这三个问题。

2.2 方法二标定Na2S2O3溶液

考虑到采用KIO3作为基准物标定Na2S2O3溶液，基准物反应条件和滴定过程均发生变化。这就要求对整个实验过程的条件重新进行摸索。学生首先查阅文献，小组分析讨论，最终确定需要考查的实验条件有：酸度、加水量、反应时间、KI溶液的加入量，以及滴定终点的判断方法。

2.2.1 溶液酸度的影响

在考查pH对实验的影响时，10%KI溶液的加入量为10 mL，反应时间3 min，基准物反应结束后加入50 mL水。由公式3计算可知基准物反应理论需要H2SO42.806 × 10−3mol，pH为4.3 (公式4)，即滴定反应时pH最大为4.3。

基准物KIO3与KI在酸性条件下反应生成I2，滴定过程中必须考虑降低I2的挥发。同时为了实时测试反应溶液的pH，学生借鉴实验“乙酸离解常数的测定——电位滴定法”中pH的测定方法[13]，搭建标定实验装置(图1)。

图1 Na2S2O3溶液标定实验装置图

结合计算结果，选择不同浓度和不同体积的硫酸溶液考查pH的影响，实验数据见表2。

在滴定过程中，考虑到减小I2挥发，滴定开始时搅拌速度较慢，加入淀粉指示剂后可增大搅拌速度。从表2中可以看出不同浓度的H2SO4对pH影响较大。浓度为3 mol·L−1时酸度较强，浓度为1 mol·L−1时体积从1 mL到2 mL的pH由5.89急剧减小为1.67，酸度骤然增强。而浓度为0.5 mol·L−1时体积从3 mL到4 mL的pH由5.15急剧降低为2.15。可见对加入一定浓度的H2SO4溶液，体积应严格控制在一定范围。从实验数据计算得到的c(Na2S2O3)来看，pH为0.8–4.3时标定得到的c(Na2S2O3)与方法一结果相近。

表2 溶液pH对Na2S2O3溶液标定的影响

2.2.2 加水量的影响

基准物反应条件是中性或弱酸性条件，实际实验操作的条件偏酸性。而滴定反应需要在中性或弱酸性条件下进行，以防止酸性过强Na2S2O3分解和I-被氧化。所以，基准物反应结束后需要降低溶液的酸度。标定实验过程中考虑加入一定体积的水来达到降低溶液酸度的目的。

统计显示，近五年来，遵医附院累计获国家自然科学基金112项，批准立项数连续7年在贵州省医疗机构中排名第一；2015-2017年，累计开展新技术、新项目426项，各级科技成果奖27项，连续获得2015年、2016年贵州省科技进步一等奖；先后荣获“全国优秀全科专业住培基地”“H7N9防控工作先进单位”“2018年度群众满意的医疗机构”等荣誉。

由公式6理论分析可以看出，加入少量水对溶液pH影响不大。学生通过实验考查滴定开始前加入不同体积水对pH的影响，数据见表3。

表3 滴定开始前加入不同体积水对Na2S2O3溶液标定的影响

2.2.3 反应时间影响

基准物KIO3作为氧化剂与KI反应中，在酸性条件下氧化性增强，且酸性越强，氧化性越强，反应速率也越快。而反应时间过长，会发生副反应，增加I2的挥发。表4是加入10 mL 10% KI溶液时，不同pH条件下，不同反应时间的实验数据。

表4数据显示，pH分别为2、3、4时，反应时间为3 min和5 min的实验数据基本一致。而不同pH时，反应时间为0 min时与方法一的实验结果最相近。说明KIO3作为基准物，与KI和H2SO4溶液的反应速率快，反应物混匀后无需放置，可立即开始滴定。

表4 不同pH条件下反应时间对Na2S2O3溶液标定的影响

2.2.4 KI加入量的影响

基准物反应需加入过量的KI，以增加反应物浓度，促使反应进行得更完全。而且过量I-与I2反应生成，增加I2溶解度，确保滴定反应定量进行。但若KI过量较多，会造成滴定反应产物I-浓度增加，致使反应进行不完全。为提高KI的加入速率，选择加入10% KI溶液。由公式7–9理论计算得出与KIO3反应需要KI的质量为0.6210 g，10% KI溶液体积约为5.6 mL。即基准物反应最少需要约5.6 mL的10% KI溶液。表5考查了不同pH条件下，加入不同体积的10% KI溶液的影响。

分析表5可以看出，加入5 mL 10% KI溶液时，由于KI量不足造成产生较多无法溶解的I2，滴定实验无法正常进行。pH为2–4时，10% KI溶液体积大于8 mL标定所得c(Na2S2O3)与方法一相近。pH为3，加入10 mL 10% KI溶液，以及pH为2，加入13 mL 10% KI溶液时标定所得Na2S2O3浓度与方法一最相近。

表5 不同pH时10%KI溶液的加入体积对Na2S2O3溶液标定的影响

2.3 实验数据讨论分析

将方法二与方法一的实验数据相比较可以看出，选择KIO3为基准物标定Na2S2O3溶液的条件是溶液pH小于4，硫酸的加入量应严格控制，以防止pH骤变。加入10% KI溶液的体积应大于10 mL，基准物反应速率快，反应物混合均匀后可立即开始滴定。滴定开始前水的加入对pH影响不大。滴定过程中，淀粉指示剂在滴定至溶液呈淡黄色时加入，继续滴定至蓝色恰好消失呈无色，即为滴定终点。

3 教学建议及总结

(1) 实验以学生为主体，教师主要起到引导作用，通过观察实验现象提出问题，引导学生整理所学理论知识，结合学习的实验内容，融会贯通，设计有理有据的实验方案。

(2) 根据基准物的不同和需要考查的实验影响因素，将全班分成小组进行实验。小组间积极开展针对实验基本操作技能和实验方案设计、实施的介绍和讨论。

(3) 该实验属于滴定分析中的氧化还原滴定，在实验方案的实施中，引导学生借鉴电位滴定法的实验装置，全面培养学生的综合实验技能。

(4) 培养学生学习整理实验数据，对比分析数据，得出实验结论的能力。实验报告以论文的形式完成，训练学生整理数据和撰写科技论文的能力。

(5) 实验内容具有较强的可操作性和研究性。教学实践证明能够激发学生的实验热情，有利于培养学生严谨的科学思维和勇于探索的研究精神。