无机与分析化学教学内容与装备应用结合探索*

李红霞，吴伟昊，宋玉苏

(海军工程大学基础部，湖北 武汉 430033)

无机与分析化学课程是我校本科材料科学与工程专业、管理科学与工程，等专业的必修课程。课程内容涵盖物质结构基础、元素化学、溶液四大反应平衡和四大滴定分析法，是一门应用性很强，培养学员科学思维能力、严谨科学态度的核心基础课程[1]。该课程教学传统上教学内容以基本理论和基本原理为主，与装备应用联系不突出。为贯彻新时代军事教育方针，为战育人，培养德才兼备的高素质、专业化新型军事人才，对该课程教学内容进行探索与研究，拓展基本理论、实验原理和装备运用的结合。

1 基于成果导向的OBE理念，对教学内容体系进行重构

成果导向的教育(Outcome Based Edecation，OBE)是一种以学习者为中心、学习结果为导向的教育哲学思想，成果导向的OBE教育理念的核心是“学生中心、成果导向、持续改进”[2]，中央军委训练管理部也于2021年印发了《2025年前军队院校精品课程建设实施方案》，方案中明确对接教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》，对军校本科课程建设提出了四性一度(“铸魂性、为战性、高阶性、创新性、挑战度”)的指导性的意见。OBE理念与军校课程建设要求高度契合。近年来军队院校许多学者聚焦为战育人，在教学内容中探索实战化应用取得显著成效[3-4]。

运用基于成果导向的OBE理念，对无机与分析化学课程教学内容体系进行重构，以基本原理、实验理论与装备应用的结合为切入点，准确定位教学目标、优化整合课程内容。按照任务驱动式模式，以装备应用牵引内容优化。解决目前无机与分析化学课程教学内容中基本理论、基本原理与装备应用联系不紧密的问题。

2 基于溶液四大平衡与四大滴定分析法，探索基础理论与装备应用的结合

溶液四大平衡与四大滴定分析法是无机与分析化学课程教学的主要内容。溶液的四大平衡包括质子解离平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡与配位解离平衡，分别对应于酸碱反应、沉淀反应、氧化还原反应和配位反应。以这四种不同的反应类型为基础的滴定分析法成为四大滴定分析法，包含酸碱滴定法、沉淀滴定法、氧化还原滴定法和配位滴定法[5]。化学反应基本上都在溶液中进行的，因此溶液四大平衡及四大滴定分析法应用非常广泛，对相关应用进行归纳与总结有利于在教学中理论联系实际，对于教师开展教学和学生掌握知识均具有积极作用。

2.1 酸碱平衡及酸碱滴定法的应用

酸碱反应是非常普遍的一类反应，因此酸碱滴定法被广泛地应用于工业、农业、医学、军事等诸多领域。

在装备应用上，如舰用锅炉水碱值的测定。碱值表示锅炉水中所含碳酸盐、磷酸盐及氢氧化物的含量，用mg/L NaOH表示。测量碱值可用标准硫酸溶液来中和，以酚酞为指示剂。取100 mL水样，水样由红色刚变为无色时即为终点，停止滴定。根据所消耗的硫酸体积可求出锅炉水碱值[6]。

2.2 沉淀溶解平衡及沉淀滴定法的应用

根据生成沉淀、溶解沉淀或沉淀的转化，沉淀溶解平衡及沉淀滴定法的应用主要有以下几个方面：

(1)沉淀的溶解应用。根据溶度积规则，反应熵Qi<溶度积常数Ksp，可生成弱电解质使沉淀溶解，通过氧化还原反应使沉淀、或生成的配合物使沉淀溶解。在生活中开水瓶或烧水壶用久了，会有水垢，用醋酸或柠檬酸泡洗，可以去除水垢。在装备应用上，如造水机除垢，常采用酸洗剂，酸与水垢中的碳酸钙、氢氧化镁反应，采用溶解沉淀的方法。

(2)沉淀转化的应用。蒸汽动力舰艇，为了防止锅炉的结垢和腐蚀，需要在锅炉水中加入磷酸三钠Na3PO4，Na3PO4将锅炉内壁锅垢(CaSO4、CaCO3)转化为渣状的更难溶解的Ca3(PO4)2沉淀。使水不生成水垢而生成松软的不粘附受热面上的水渣，水渣悬浮于水中，可用排污方法将水渣排掉。

(3)沉淀滴定法中莫尔法的应用。莫尔法以铬酸钾为指示剂，在中性或弱碱性介质中，用硝酸银标准溶液测定卤素化合物含量。如在装备应用上，舰用锅炉水盐度的测定采用的是该方法。莫尔法必须控制在中性或微碱性溶液(pH值6.5～10.5)中滴定。如果溶液酸性太强，由于铬酸银溶于酸，使滴定结果偏高；而如果溶液碱性太强，银离子又生成灰黑色氧化银沉淀，影响滴定和终点的判定。

(4)莫尔法指示剂作用原理。

Ag++Cl-=AgCl↓ (白色)，Ksp(AgCl)=1.8×10-9

Ag++CrO42-=Ag2CrO4↓(橙色)，Ksp(Ag2CrO4)=2×10-12

因为Ag2CrO4的溶解度比AgCl大，当AgCl沉淀完全后，稍过量的AgNO3标准溶液与K2CrO4指示剂反应生成砖红色Ag2CrO4沉淀即可指示滴定终点。

2.3 氧化还原平衡及氧化还原滴定法的应用

金属腐蚀与防护与氧化还原反应直接相关，金属的腐蚀主要产生的原因是发生化学腐蚀与电化学，其中绝大多数金属发生的腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀主要是由于形成腐蚀电池。全世界每年因腐蚀损失的金属材料约1亿吨，相当于年钢产量的20%～30%，海军众多装备长期同大气与海水接触，腐蚀也相当严重。图2、图3分别为船体外壳和内舱发生腐蚀的图片。

图1 船体发生腐蚀

图2 船体内舱发生腐蚀

图3 血红素化学式

氧化还原平衡中，电极电势的应用中能斯特方程的应用，可解释船体水线腐蚀。根据式(1)，可知船体水线以下不同部位含氧量不同，造成电极电势不同，形成电势差，构成腐蚀电池，造成舰船水线部位的腐蚀。在水线以上含氧量高，根据能斯特方程可知水线以上电极电势高，作为腐蚀电池的阴极；在水线以下含氧量低，则电极电势低，作为腐蚀电池的阳极发生腐蚀。

(1)

2.4 配位解离平衡及配位滴定法的应用

配位解离平衡应用广泛。根据配位解离平衡，可解释人体CO中毒，转移至氧气充足区域解毒的过程。血红素是个铁卟啉化合物，是血红蛋白的组成部分，血红素化学式和氧合血红蛋白结构示意图如图3、图4所示。血红蛋白与CO分子结合形成一氧化碳合血红蛋白，人体缺氧，氧化反应停止，产生中毒。当氧气充足时发生如下反应，平衡向右进行，可解毒，见式(2)。

图4 氧合血红蛋白结构示意图

(2)

配位滴定法的应用。在装备应用上，舰用锅炉水硬度的测定可采用配位滴定法。硬度指水中Ca2+、Mg2+的含量，单位是mg/L CaO。以EDTA标准溶液为滴定剂直接滴定法测的水硬度(Ca2+、 Mg2+)。在pH=10的氨性缓冲溶液中，以EBT为指示剂，测Ca2+、Mg2+总量，用EDTA标准溶液滴定水样至出现蓝色，说明达到终点，根据所消耗的EDTA的体积从而得出锅炉水总硬度。

3 基于基础型实验与设计性实验，拓展综合创新的实践教学环节

教育部高教司的关于《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》(试行)明确定义：“设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以完成的实验”。学生根据实验目的与要求，应该有一个查阅资料和拟定实验方案的过程，然后动脑筋思索、运用有关知识去制订方案[7-8]。在无机与分析化学实验类型上创建由基础型实验和设计实验相结合的实践教学模块。

基础型实验开设“酸碱滴定基本操作”、“溶液的标定”、“减量法称量基准物”等实验项目，重在培养学生的基本操作技能。

设计性实验根据实验目的，要求学生认真预习和思考，通过查阅有关资料设计出实验方案，并在实验课前由实验教师进行点评。在实验内容上，将舰用锅炉水水质与分析部分指标的测定引入到实验中来，培养学生岗位任职的能力。设置实验“舰用锅炉水水质硬度的测定”、“舰用锅炉水磷酸根的含量测定”、“舰用锅炉水盐度综合测定”相关实验。设计性实验项目的设置，是让学生从知道“为什么”、“怎么办”到知道“怎么做”。以设计性实验设置舰用锅炉水水质与分析部分指标的测定，有助于培养学生的思考与实践能力，同时有利于提升实验的实战化水平。

当磷酸根的浓度小于一定值时，磷酸根的浓度与磷钼钒杂多酸的颜色浓度成正比，符合朗伯-比尔定律，可采用分光光度法进行测试[9]。让学生设计实验测定给定水样的磷酸根含量，同时要求学生在实验设计中包含对最大吸收波长、显色时间、满足朗伯-比尔定律最大标准溶液浓度进行探究，对学生岗位任职能力的提升及科研能力的提高有很大的促进作用。

4 结 语

针对无机与分析化学教学过程中教学内容与装备应用联系不突出的问题，对课程教学内容体系进行重构，结合溶液四大平衡与四大滴定分析法的基本原理，重点探索了酸碱平衡及酸碱滴定法、沉淀溶解平衡及沉淀滴定法、氧化还原平衡及氧化还原滴定法、配位解离平衡及配位滴定法在装备中应用，同时，创建实验教学新模块拓展的实践教学环节，提升实验的实战化水平。相关研究对教学中理论联系实际、提高课程教学的为战性、学生掌握知识与能力的提升均具有积极作用。