數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
——以醬油中總酸及氨基酸態(tài)氮含量測定為例

張原旗，盧鳳琴，王冠淇，孫艷濤

（吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林四平 136000）

化學(xué)之中重要的實驗就是酸堿中和，通過使用已經(jīng)知道濃度的酸或堿來測定未知濃度的酸或堿物質(zhì)。是高中階段化學(xué)學(xué)科當中重要的基本概念，也是實驗之中需要特別關(guān)注的一部分[1]。此實驗具體位置在人教版化學(xué)教材的選修四書籍之中，有關(guān)于pH內(nèi)容的介紹之中，對于這部分知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生首先應(yīng)該明確pH的基本概念和測定裝置pH計的使用方法，這是實際實驗操作的前提[2]。

在酸堿滴定的實驗中，一般選用的是傳統(tǒng)的方式，也就是利用指示劑來進行實驗。在滴定的過程中，指示劑顏色會相應(yīng)的改變，由此可以來確定是否滴定完成，但從實際來看，實驗人員因為自身在判斷顏色中存在著主觀性，所以會產(chǎn)生偏差，從而結(jié)果出現(xiàn)誤差。同時在測定某些樣品時，由于其自身就存在著有色成分，雖然滴定過程會將顏色稀釋，但仍然會存在影響，增大偏差[3]。其次，整個的滴定過程，一般是選擇恰好變色這個臨界點判斷，但學(xué)生時常理解為恰好反應(yīng)完全這個節(jié)點[4,5]。而采用pH計指示終點的方法，不需要加入指示劑，操作簡便，結(jié)果明顯，讓實驗操作更好的被觀察。操作人員可以對原先僅憑眼睛無法有效判斷的現(xiàn)象給出合理的結(jié)果，并且具有測試效率更快、準確度更高、結(jié)果準確等特點[6]。最后，因為傳統(tǒng)滴定實驗是需要不斷循環(huán)的，對一個簡單操作重復(fù)進行，整體周期比較久，學(xué)生會逐漸失去耐心，一旦滴定超過限度就會讓結(jié)果誤差增大。利用數(shù)字設(shè)備來實驗，可以極大程度的節(jié)省時間，其中一方面可以讓學(xué)生不再被其他事項所分心，集中精力在滴定過程中的顏色改變，另一方面教師可以將節(jié)省出來的時間用在引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果的分析和討論中。

醬油在整個發(fā)酵過程中，氨基酸是主要的味道來源，所以，對于評定醬油味道是否優(yōu)良以及發(fā)酵過程是否滿足標準，是通過檢測氨基酸之中態(tài)氮含量，該數(shù)值越高也就說明質(zhì)量越上乘，味道自然更為美妙[7，8]。據(jù)調(diào)查，目前我國的醬油合格率現(xiàn)狀不樂觀，一部分生產(chǎn)商并沒有嚴格遵照國家食品衛(wèi)生標準制定的《醬油衛(wèi)生標準的分析方法GB/T5009.39-2003》，《釀造醬油GB/18186-2000》產(chǎn)品明示標準和指標的要求進行組織生產(chǎn)，降低了對生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品品質(zhì)的要求，在醬油中加入銨鹽，以次充好，以銨鹽中的氮冒充氨基酸態(tài)氮的含量，最終導(dǎo)致流通到市場上的醬油質(zhì)量參差不齊，真假難辨。因此，為落實維護消費者利益，杜絕不合格產(chǎn)品的生產(chǎn)，研究出一種簡單、快捷和準確的模式來具體測定釀造醬油之中的氨基酸態(tài)氮含量已經(jīng)迫在眉睫。本次就基于這個方面來探索利用電位滴定的方式來測定相關(guān)指標，一方面利用實驗結(jié)果的直觀呈現(xiàn)，加強了學(xué)生的感性認識，進而對理論知識加深理解；另一方面通過對生活中實際試樣的分析，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了探究環(huán)境，同時提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[9]。

本實驗選用學(xué)生熟知的日常調(diào)味品——醬油，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，逐步培養(yǎng)學(xué)生善于觀察“生活中的化學(xué)”的習(xí)慣。并且可以展示出數(shù)字化實驗?zāi)Ｊ降木唧w優(yōu)勢，能夠幫助教學(xué)過程節(jié)約時間，讓化學(xué)過程直觀的展現(xiàn)在學(xué)生眼前同時也讓實驗結(jié)果更為精準。

1 實驗部分

對于釀造醬油中需要測定的總酸以及態(tài)氮的含量，可以將指示劑的選型定在酚酞之上，搭配著ZD-2型的自動滴定設(shè)備來實際評定，這樣的模式相較于傳統(tǒng)的實驗來說，整體過程更加效率，能夠讓學(xué)生直觀觀察過程，同時結(jié)果更為的精準[10]。符合素質(zhì)化教育倡導(dǎo)下的教學(xué)模式。

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

1）充分明確這樣的方式最終選取滴定終點的原理；2）熟練掌握滴定檢測的儀器在測評相關(guān)參數(shù)的使用方式；3）可以實際操控ZD-2型的儀器。

1.2 試劑與儀器

1.2.1 儀器

ZD-2型自動電位滴定儀；B-10型攪拌器；復(fù)合pH電極；攪拌磁子；洗瓶；濾紙；萬分之一天平；250 mL燒杯；500 mL容量瓶；100 mL容量瓶；堿式滴定管；錐形瓶；試劑瓶；100 mL量筒；10 mL量筒；25 mL移液管。

1.2.2 試劑

氫氧化鈉（NaOH，分析純，沈陽市華東試劑廠）；37%甲醛溶液(分析純，沈陽市華東試劑廠)；鄰苯二甲酸氫鉀（KHP，分析純，沈陽市華東試劑廠）；市售醬油（海天老抽王，廣東佛山）；蒸餾水；pH=4.00標準緩沖溶液；pH=6.86標準緩沖溶液；pH=9.18標準緩沖溶液；酚酞指示劑。

1.3 實驗原理

在發(fā)酵過程中，醬油中的蛋白質(zhì)經(jīng)霉菌體內(nèi)蛋白酶的作用，最終分解產(chǎn)生多種氨基酸。與蛋白質(zhì)不同的是其含氮量可以直接測定，故稱氨基酸態(tài)氮[11]?！夺勗灬u油GB/18186-2000》中指出氨基酸態(tài)氮含量的檢測方法通常采用甲醛值法，主要的原理的是氨基酸自身具備的兩個形態(tài)。在氨基酸的構(gòu)成中不僅有顯示酸性的羥基同時也有堿性的氨基基團，基于兩個基團的聯(lián)系讓氨基酸成為中性鹽。如果在氨基酸中增添甲醛就是將原本的堿性被隱藏，單純由羥基作用，對外顯酸性，這樣就可以通過氫氧化鈉試劑對其中的羥基基團進行滴定檢測，通過酸式指示劑來找出滴定的終點，有效的檢測出態(tài)氮含量[12]。在滴定過程溶液中會存在游離氫離子，其如果和標準試劑反應(yīng)完全后，溶液的pH值在7.0，也就是俗稱的有效酸度；當pH值達到8.2，也就是總酸值，指的是溶液之中刨去有效酸度之外的成分與標準實際完全反應(yīng)；當溶液之中的氨基酸羥基基團和標準溶液完全反應(yīng)，則會將pH值拉升到9.2。反應(yīng)方程式為：

式中：

x—在試樣之中100mL所對應(yīng)的態(tài)氮含量，g/100 mL

c—標準試劑，氫氧化鈉的濃度，mol/L

V樣—樣品實際的體積，mL

V0—達到滴定的臨界值，也就是pH數(shù)值變?yōu)?.2時，稀釋整個過程中使用的標準試劑的體積mL

V1—試樣經(jīng)過稀釋之后添加甲醛的反應(yīng)結(jié)點，也就是pH值達到9.2時，耗去的標準試劑的體積，mL

V2—空白實驗中添加甲醛的反應(yīng)結(jié)點，pH值達到9.2時，耗去的標準試劑的體積，mL

1.4 實驗步驟

1.4.1 NaOH溶液配制及標定

1）首先將達到標準的燒杯放置在臺秤上，對應(yīng)稱量1.0 g的氫氧化鈉固體，并向其添加100 mL蒸餾水，使用玻璃棒充分攪拌均勻，等固體溶解后移至500 mL試劑瓶中，使用蒸餾水多次清潔燒杯，將沖洗過程的液體也倒入試劑瓶中，通過添加蒸餾水將總體積上升至500 mL，蓋上試劑瓶塞，充分搖動，貼簽備用。

2）使用天平精確地稱量KHP，將稱取出的4.3 g物質(zhì)放入250 mL燒杯，添加蒸餾水100 mL，加熱并充分攪拌直至溶解，靜置冷卻到室溫，使用玻璃棒引流到500 mL容量瓶，加入蒸餾水充分稀釋，達到刻度為止，搖晃均勻。

3）在錐形瓶中加入25.0 mL的KHP溶液，此過程使用移液管完成，并在其中滴入1～2滴酚酞指示劑，然后采用氫氧化鈉開始滴定過程，直到溶液表現(xiàn)出微紅色，并且0.5min色度未褪去，即可視為終點。

4）達到終點后，利用整個過程所耗去的氫氧化鈉溶液的體積標定出標準特濃度。

1.4.2 總酸及氨基酸態(tài)氮含量的測定

1）校正儀器：接通電源，將ZD-2型自動電位滴定儀器連接好，用兩點法pH=6.86和pH=4.00或9.18標準緩沖溶液校準pH計。

2）處理醬油樣品：首先選定醬油試樣，利用移液管精準的將5.0 mL試樣轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶之中，通過添加蒸餾水達到相應(yīng)刻度，搖動均勻，向250 mL燒杯轉(zhuǎn)入20.0 mL試樣，并且加入60 mL純水，使用電磁攪拌器來開始滴定過程，最終當pH值達到8.2時，記錄此時共耗去的氫氧化鈉標準液的體積，最終完成總酸的檢測。

3）氨基酸的滴定：將中性37%甲醛溶液向上述溶液中添加10 mL，通過玻璃棒使其混合均勻，繼續(xù)利用標準液滴定到pH達9.2，記錄所用的體積。

4）試劑空白實驗：使用量筒精確的將80 mL蒸餾水加入到250mL達到標準的燒杯之中，使用標準液再次滴定，當pH達到8.2，向其中添加等量等濃度的甲醛溶液，均勻混合后，繼續(xù)滴定pH到9.2，再次記錄耗用體積。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 溶液濃度的計算

平行標定NaOH標準溶液三次，結(jié)果見表1。由表1可計算出：NaOH標準溶液的濃度為0.0463mol/L，相對平均偏差為0.003%（＜0.2%）結(jié)果準確。

表1 NaOH溶液的標定

2.2 總酸含量的測定

用0.046 3 mol·L-1NaOH標準溶液對醬油的稀釋液進行三次平行滴定，結(jié)果見表2。我國食品衛(wèi)生標準明確規(guī)定醬油的總酸度為每100 mL醬油不得超過2.5 g，從表2中看出：總酸含量為0.6249 g/100 mL（＜2.5 g/100 mL），說明市售醬油符合國家食品衛(wèi)生標準。

表2 總酸含量的測定

2.3 氨基酸態(tài)氮含量的測定

用0.0463 mol/LNaOH標準溶液對醬油稀釋液平行滴定三次，結(jié)果見表3。我國食品衛(wèi)生標準規(guī)定醬油的氨基酸態(tài)氮含量為每100 mL醬油不得低于0.4 g，從表3中看出：氨基酸態(tài)氮的含量為0.57 g/100 mL（＞0.4 g/100 mL），說明此市售醬油符合國家食品衛(wèi)生標準。

表3 氨基酸態(tài)氮含量的測定

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)的實驗部分，一般都是由教師口述或觀看多媒體演示實驗視頻，內(nèi)容抽象，偏離生活實際，學(xué)生難以理解其實驗的原理和結(jié)論，不能將理論與實踐有機的結(jié)合。并且教學(xué)過程比較枯燥乏味，使學(xué)生對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)興趣不高，不利于培養(yǎng)學(xué)生的思考創(chuàng)新精神與動手實踐能力。然而數(shù)字化實驗具有采集數(shù)據(jù)智能化、定量研究便捷化、實驗現(xiàn)象直觀化、實驗方法創(chuàng)新化等特點。采用數(shù)字化實驗技術(shù)手段，使用精確的電位滴定儀器來評測相關(guān)參數(shù)，實驗不僅操作便捷，現(xiàn)象直觀，而且易于引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并總結(jié)實驗的規(guī)律，實現(xiàn)學(xué)生探究能力的提升及化學(xué)素養(yǎng)的提高。