大学化学综合实验设计与教学

摘要：本文介绍一个有趣的大学化学综合实验――由废旧聚乳酸材料制备乳酸钙。通过实验设计和有效的教学方法，不仅能使废旧聚乳酸材料废物利用，变废为宝，而且能巩固学生有机化学实验、无机化学实验和分析化学实验的基本操作技能，使学生感受到学有所用，同时也能加强学生的环保意识。经过几年的教学实践，学生普遍反映效果显著。

关键词：化学综合实验；废旧聚乳酸材料；乳酸钙；教学

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）46-0283-03

大学化学综合实验是理科院校和师范院校必开的一门提高性实验课程，其目的是让化学学科的学生在通过基础实验的训练之后，综合运用已有的实验技能和知识，达到解决实际问题的能力。国内多数院校都有自己特色的实验设计和教学方法，并且有很多好的教材问世[1-5]，实验内容和实验技能都有一定的难度要求，为培养学生分析问题和解决问题的能力提供了一个平台。和其他院校一样，陕西师范大学化学学科也建立了化学综合实验平台，运行多年后收到了较好的效果。考虑到相关实验的危险性和对环境的污染以及对师生健康的影响，近年来对化学综合实验内容进行了改革，改进了相关实验的实验方法[6]，废除了一些污染和危险性大的实验，设计和增补了一些较为安全、环境污染小的新实验，为进一步完善化学综合实验教学内容奠定了基础。现就其中一个实验的设计和教学情况，即“由废旧聚乳酸材料制备乳酸钙”作以交流，以期同行商榷。

聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是20世纪90年代迅速发展起来的新一代完全可降解的高分子材料，它是以L―乳酸为单体，用化学合成方法聚合而成的热塑性脂肪族树脂。聚乳酸有优良的相容性和可吸收性，无毒、无刺激性，它在自然界微生物、水、酸、碱的作用下，完全可分解成CO2和H2O，可作为环保材料代替传统的聚合物材料，已受到广泛关注[7，8]。聚乳酸材料已在工业、农业、日常生活用品中得到了广泛的应用[9]，如聚乳酸餐盒、聚乳酸餐薄膜等在人们的生活和农业生产中已得到了广泛应用。但这些废旧聚乳酸材料在使用完以后均以垃圾物而弃掉，实属浪费。基于聚乳酸经解聚而形成乳酸，尽而可与钙离子结合可形成乳酸钙这一原理，我们设计出“由废旧聚乳酸材料制备乳酸钙”的实验（见图1）。这一实验的开设，不仅能实现废物利用，变废为宝，而且能巩固学生有机化学实验、无机化学实验和分析化学实验的基本操作技能，使学生感受到学有所用，同时也能加强学生的环保意识，经过几年的教学实践，学生普遍反映效果显著。

一、实验设计

二、实验步骤

（一）聚乳酸的解聚

将废旧聚乳酸材料用清水洗净，用滤纸吸去表面水，晾干，用剪刀剪成碎片（能放进三角瓶为宜）。

将5.6g NaOH、80mL无水乙醇加入已装有5.0g聚乳酸碎片的250mL磨口锥形瓶中，加热搅拌回流40分钟。待反应完毕，取下锥形瓶，冰水浴冷却3分钟，向溶液中加入14mL的5∶1盐酸（浓盐酸：水（v/v）），并旋摇均匀，在冰水浴中继续冷却3分钟，抽滤。用20mL无水乙醇洗涤锥形瓶，过滤。收集滤液于250mL烧瓶中。用10mL无水乙醇淋洗抽滤瓶，将洗涤液并入烧瓶中。常压浓缩至20～25mL左右（注意加沸石），然后将烧瓶置于冰水浴中冷却，向其中加入20mL无水乙醇，继续冷却3分钟，抽滤。用10mL无水乙醇淋洗烧瓶，过滤。如滤液不澄清，应再过滤至澄清。将抽滤瓶中的滤液转移至200mL烧杯中，用10mL无水乙醇淋洗抽滤瓶，将洗涤液并入其中。

（二）乳酸钙的制备

将称取的1.6g氧化钙粉末加入到上述200mL烧杯中，然后再加入3mL水。将盛有反应液的烧杯置于恒温磁力搅拌器上，在搅拌条件下，加热反应并浓缩至溶液体积为40mL时，测试其pH（测试pH时，应先将试纸用去离子水润湿），应约为6～7之间。否则，用5：1盐酸或氧化钙粉末调节。继续加热浓缩至约20～25mL，取下烧杯在冰水浴中搅拌冷却。在搅拌下，加入20mL无水乙醇。然后，再加入40mL丙酮，继续搅拌3分钟后抽滤，用40mL丙酮洗涤烧杯，过滤。收集沉淀物于已称重的表面皿中。置于烘箱中于125℃烘干1小时，记录乳酸钙的重量。

（三）EDTA溶液浓度的标定

用差减法准确称取基准碳酸钙0.9～1.1g于100mL烧杯，用少量水润湿，盖上表面皿，从烧杯尖嘴处缓慢滴加1：1盐酸至溶解（约10mL），用250mL容量瓶定容。取25.00mL上述溶液于250mL锥形瓶，由滴定管滴加约10mL待测EDTA溶液，再加5mL浓度为100g・L-1氢氧化钠溶液（pH=12～14）和0.2g钙混合指示剂（取钙紫红素0.1g，加无水硫酸钠10g，研磨均匀，即得），继续用EDTA溶液滴至由紫红色变为蓝色，即为终点，记录消耗的EDTA体积。平行滴定三份，计算EDTA溶液的浓度。

（四）乳酸钙的质量检测

将于125℃烘干的样品置干燥器中冷却至室温后，称重（须由老师确认）。将样品装入样品袋，写上自己的编号。取出2～3g样品在研钵中研磨，称取研磨样0.5g（称准至0.01g）转入10mL比色管中用于待测游离酸碱实验，其余研磨样转入编号的称量瓶，将其置于干燥器。

1.游离酸碱检验：将上述0.5g样品置于比色管中，加10mL水，在加热套中微热溶解，用广泛pH试纸测pH（须由老师确认）。

2.乳酸钙含量测定：用差减法准确称取0.29～0.31g制备的样品于锥形瓶，向其中加入2mL 1∶4盐酸溶液和20mL水溶解样品。由滴定管滴加约10mL标定的EDTA溶液于上述锥形瓶中，然后再加5mL浓度为100g・L-1氢氧化钠溶液（pH=12-14）和0.2g钙混合指示剂（取钙紫红素0.1g，加无水硫酸钠10g，研磨均匀，即得），继续用EDTA溶液滴至由紫红色变为蓝色，即为终点，记录消耗的EDTA体积（须由老师确认）。平行滴定三份，计算产品中乳酸钙的百分含量。

三、教学方法

（一）课前准备及评定标准

1.课前准备。让学生自己制定详细实验方案。以上述实验步骤为参考资料，要求学生在课前通过相关资料的查阅，制定出详细的实验方案，其中包括乳酸的性质、乳酸钙的性质、核算各物料的量比关系；反应体系pH的控制；解释在解聚操作中，当反应液被浓缩到20～25mL后，为什么再向其中加入20mL无水乙醇的原因；解释在制备乳酸钙中，为了得到乳酸钙沉淀为什么一定要向体系中加入约等于反应液体积两倍量的丙酮及能否用其他溶剂代替丙酮等问题；解释在用EDTA滴定法测定产品中乳酸钙的百分含量时，为什么要向盛有样品的锥形瓶先加入约10mL的EDTA溶液，然后再加入5mL浓度为100g・L-1氢氧化钠溶液的原因。

2.评定标准。在实验开始前，老师对学生制定的详细实验方案进行检察，如果详细实验方案中能完全解决上述所有问题，满分20分；否则根据解决问题的多少酌情给分。

（二）实验质量的评定

1.基本操作的评定。基本操作包括溶液的转移、蒸馏操作、抽滤操作、固体物质的洗涤操作、滴定分析的规范操作等，满分20分。具体评价指标和评价标准为：溶液的转移，优（4分），良（3分），差（2分）；蒸馏过程操作，优（4分），良（3分），差（2分）；抽滤操作，优（4分），良（3分），差（2分）；固体物质的洗涤，优（4分），良（3分），差（2分）；滴定分析的操作，优（4分），良（3分），差（2分）。

2.产品质量评定。包括产品的外观、游离酸碱检验（pH）、产品（乳酸钙）的重量、乳酸钙含量等，满分40分。具体评价指标和评价标准为：产品外观，白，优（10分），微黄，良（8分），黄，差（5分）；游离酸碱检验，pH≥8，差（5分），pH6～7，优（10分），pH≤6，差（5分）；乳酸钙的质量，大于平均值，优（10分），等于平均值，良（8分），小于平均值，差（5分）；乳酸钙含量，90～99%，优（10分），80～90%，良（8分），>100%，差（5分）。

（三）实验报告的评定

实验报告的评定包括对实验原理的理解程度、实验过程中的现象及分析、实验数据处理及对本次实验结果的自我评价等，满分20分。

四、小结

本文介绍了一个有趣的大学化学综合实验的设计和教学过程，通过由废旧聚乳酸材料经解聚、酸化、成盐制备乳酸钙的实践，不仅能实现废物利用，变废为宝，而且能巩固和提高学生有机化学实验、无机化学实验和分析化学实验的基本操作技能，使学生感受到学有所用，同时也能加强学生的环保意识。在教学过程中，实验的成绩评定公开透明（在实验之前把成绩评定标准发给学生）。教师严格要求，对于不规范的操作和错误的操作给予及时纠正。教学方法也和常规教学法不同，把实验方案提前发给学生，实验过程不用讲解，促使学生查阅文献，让学生提出自己的详细方案。实验结束后，教师对本次实验进行总结，同时也积极鼓励学生大胆提出自己的观点，实验课堂十分活跃。经过几年的教学实践证明，新的教学模式，激发了学生从事化学实验的兴趣，学生普遍反映效果显著。

参考文献：

[1]申秀民.化学综合实验[M].北京师范大学出版社，2007.

[2]张雯.化学综合实验[M].西安交通大学出版社，2014.

[3]周成勇.化学综合实验[M].北京：中国石化出版社，2011.

[4]陈静，石晓波.化学综合设计实验[M].北京：化学工业出版社，2012.

[5]霍冀川.化学综合设计实验[M].北京：化学工业出版社，2007.

[6]陈战国，严向阳，汤发有，张国防，王海，范晓辉.综合实验“乙酰二茂铁的合成”中乙酰化方法的改进[J].教育教学论坛，2012，（2）：216-217.

[7]俞耀庭，张兴栋.生物医用材料[M].天津大学出版社，2000.

[8]A.M.Gajria，V.Dave，R.A.Gross，S.P.McCarthy.Miscibility and biodegradability of blends of poly（lactic acid）and poly（vinyl acetate），Polymer，1996，37（3）：437-444.

[9]钱伯章.聚乳酸及其应用进展[J].橡塑资源利用，2008，（5）：32-38.

基金项目：本研究得到“2014年度陕西师范大学校级重点教学改革研究项目”的支持（项目编号：14JG05）。

作者简介：陈战国（1964-），男，陕西咸阳人，博士，副教授，研究方向：有机合成方法学、杂环化合物的构建、天然产物结构改造等。