分析化學綜合設計實驗：和州組灰巖中鈣、鎂含量分析

劉紅瑜,王冠宇,毛元廷

(1.化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學地球和空間科學學院，安徽 合肥 230026 )

中國科學技術大學分析化學實驗Ⅱ中開設大量的綜合探究型和設計型實驗。設計型實驗能夠充分調動學生的實驗興趣和積極性 ，提高學生對所學知識的綜合利用能力和解決實際問題的能力，加深學生對所學理論知識的理解 ，對學生綜合素質的提高有著積極的推動作用。讓學生掌握從樣品采集、處理、分析方法的選擇以及數據處理全過程。這樣既有利于加深學生對理論知識的理解, 又能用所學的理論知識及時指導實踐，培養學生獲取綜合知識的能力。我們介紹一個與生活相關的自主設計實驗，該實驗緊密結合學生的專業，讓學生充分利用所學的分析化學知識解決實際問題。

灰巖，俗稱石灰巖，是一種沉積巖。幾乎由純的方解石(碳酸鈣)構成，其它成分的總含量常在5%以下，其中較為常見的是粘土礦物、石英粉砂、鐵質微粒、海綠石、有機質等。在與砂巖過渡的灰巖中可含較多陸源碎屑，白云石化也可使白云石(含鎂)含量增加。和州組，原稱“和州灰巖”。屬早石炭世晚期地層，按巖性特征可分為上、下兩部分，下部：深灰、灰黑色中薄至厚層生物碎屑白云質灰巖、泥質類巖；上部：灰、微帶肉紅色中厚層至厚層亮晶及微晶生物碎屑灰巖，底部為粗結晶灰巖，頂部為爐渣狀灰巖。通過測定其中的鈣、鎂含量，可推測其中白云質成分含量，從而估計所取標本在該巖層中的產出位置的其他地質學方面的性質，具有重要意義[1]。

1 實驗目的

(1)初步了解自主設計實驗的基本思路。

(2)會利用所學的分析化學理論知識和實驗操作完成實際樣品的分析。

(3)分析不同滴定方式的適用情況和誤差來源。

(4)學會根據具體情況選擇合適的實驗方法。

(5)培養小組分工合作的精神。

2 實驗原理

待分析樣品主要成分為碳酸鈣(可能含有少量白云石)，定量稱取后，經粉碎、酸溶、過濾、稀釋、定容等操作，即可得標本中鈣、鎂離子的“標準”溶液，將該溶液使用EDTA在不同pH下，可分別滴定鈣鎂總量以及單獨的鈣含量，同時另取等量溶液，用高錳酸鉀法可測量其中鈣含量，比較兩種方法所測結果，并分析可能原因[2]。

EDTA法中，pH值≈10時，Ca2+、Mg2+均與EDTA配位，按化學計量比1∶1反應：

可得Mg、Ca總量；pH值≈12時，Mg2+全部沉淀，加入少量糊精防止Mg(OH)2沉淀吸附鈣，此時再次使用EDTA滴定，可得Ca含量；根據上述數據，可計算出Mg含量。

滴定時以鉻黑T為指示劑，指示劑與金屬離子絡合生成紫紅色配合物，滴定到化學計量點時，游離出指示劑使溶液顯藍色。

對兩種方法所測Ca2+含量進行比較，分析配位滴定和氧化還原的區別以及不同滴定方法中可能的誤差來源，并依此進一步了解不同的滴定方法究竟適合什么情況的待測樣品和分析目的。

3 實驗儀器、試劑

(1)實驗儀器：滴定管、燒杯、錐形瓶、玻璃棒、長頸漏斗、量筒、研缽、表面皿、移液管、試劑瓶、容量瓶。

(2)實驗試劑：鹽酸(分析純)、氨水(分析純)、EDTA(分析純)、碳酸鈣(分析純)、高錳酸鉀(分析純)、草酸鈉(分析純)、硫酸(分析純)、草酸銨(分析純)、甲基橙(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、鉻黑T(分析純)、鈣指示劑(分析純)。

4 實驗步驟

4.1 樣品預處理及配制所需試劑

將樣品敲碎后取1-1.1g、研磨、1∶1HCl酸溶、(過濾、)稀釋，定容至250mL后即可得包含樣品中鈣鎂成分的待測液；配置0.02mol·L-1EDTA、0.02mol·L-1KMnO4、pH值=10氨性緩沖溶液、4%草酸銨溶液、1∶2硫酸、1∶1氨水等；

4.2 EDTA法測定鈣、鎂含量

4.2.1 標定EDTA

稱取1.00～1. 10g基準碳酸鈣用鹽酸溶解，定容至250mL，移取10mL，加80～90mL水，5%氫氧化鈉溶液10mL、少量鈣指示劑，用EDTA滴至紫紅色變為純藍色，平行三次實驗，計算EDTA濃度。

4.2.2 測定樣品

移取10mL待測液，加水80～90mL，加入pH值≈10氨緩沖溶液10mL、鉻黑T指示劑，用EDTA滴定至紫紅變為純藍，平行三次，計算其中鈣、鎂總量。

另取等量待測液、加入80～90mL水及5%氫氧化鈉溶液10mL(調節pH約為12)、再加入鈣指示劑、用EDTA滴定，計算其中的鈣含量。

4.3 KMnO4法測定鈣含量

4.3.1 標定KMnO4

稱取0.13～0.15g基準草酸鈉，150mL水溶解、加熱近沸，加入1∶2硫酸10mL，保持加熱(不低于60℃)條件下用KMnO4滴定，平行三次、計算KMnO4濃度。

4.3.2 測定樣品

取25mL待測液，加入120mL水，加入30mL 4%草酸銨，加熱近沸，加入甲基橙指示劑，攪拌下滴加1∶1氨水，至溶液由紅變黃，靜置，傾注法過濾，洗滌，將沉淀轉入燒杯，加入1∶2硫酸10mL ，加熱(75～80℃)條件下用KMnO4滴定(記得轉入濾紙)，平行三次，計算其中鈣含量。

5 實驗數據

5.1 實驗預處理部分

稱取1.0944g樣品，配成250.00mL溶液。

5.2 EDTA法測定鈣、鎂含量

5.2.1 標定EDTA數據

標定EDTA數據見表1。

稱取標準碳酸鈣：0.5890g。

表1 標定EDTA數據

5.2.2 鈣、鎂總量測定數據

鈣、鎂總量測定數據見表2。

表2 測定鈣鎂總量數據

5.2.3 鈣含量測定的數據

鈣含量測定的數據見表3。

表3 測定鈣鎂總量數據

5.3 KMnO4法測定鈣含量

5.3.1 KMnO4的標定數據

KMnO4的標定數據見表4。

表4 KMnO4的標定數據

5.3.2 樣品中鈣含量測定數據

樣品中鈣含量測定數據見表5。

表5 樣品中鈣含量測定數據

6 數據處理

6.1 EDTA法測定鈣、鎂含量

6.1.1 標定EDTA

對三組滴定數據，有：

滴定過程中，有1EDTA～1Ca2+(Mg2+)，故：

從而EDTA標準溶液的濃度為：

6.1.2 測定樣品中的鈣含量

對三組滴定數據，有：

對樣品中鈣，有1EDTA～1Ca2+，從而

mCa=nCa×MCa=MCa×CEDTA×VEDTA×25

帶入實驗所測數據，計算得：

mCa=40.078×0.02214×19.69×10-3×25=0.4368(g)

考慮實際情況，樣品中Ca以CaCO3形式存在，則：

6.1.3 測定樣品中鈣、鎂的總量

根據實驗數據，滴定鈣鎂總量時，有：

較前單獨滴定鈣時的情況，有：

兩者相差：△V=19.72-19.69=0.03(mL)

從而：d=0.03/19.72=1.521‰

兩者相差極小，誤差甚至屬于正常滴定誤差范圍內，因此認定樣品中不含Mg，故不做Mg含量的計算，同時鈣含量計算同上。

綜上所述，EDTA法中，所測標本(質量1.0977g)中，含有1.0908g碳酸鈣(鈣元素質量0.4368g)，碳酸鈣質量分數為99.37%，與資料中該灰巖碳酸鈣含量大于98%相符，不含白云質成分(Mg元素)。

6.2 KMnO4法測定鈣含量

6.2.1 KMnO4的標定

代入所測實驗數據，三組結果分別如下：

從而KMnO4標準溶液濃度為：

6.2.2 待測樣品中鈣含量測定

對三組滴定數據，有：

代入數據：

ωCaCO3=mCaCO3/m樣品=1.0919/1.0977=99.48%

因此KMnO4法所測該樣品中含碳酸鈣1.0919g，質量分數為99.48%，與EDTA法所測結果1.0908g(質量分數99.37%)相符，具體誤差分析和結果討論部分見下。

7 誤差分析

7.1 EDTA法測定鈣、鎂含量

7.1.1 標定EDTA

7.1.2 測定鈣鎂的總量

7.1.3 測定鈣的含量

較上總量部分

兩者相差：△V=19.72-19.69=0.03(mL)

從而：d=0.03/19.72=1.521 ‰

因此認為待測樣品中不含鎂，可進行下一步KMnO4法測定鈣含量。

7.2 KMnO4法測定鈣含量

7.2.1 KMnO4的標定

7.2.2 鈣含量的測定

兩種方法所測數據分別為1.0908g與1.0919g，相對誤差為1.01‰，位于正常范圍內，因此認為所測值即為樣品中CaCO3含量。

8 誤差來源及注意事項

(1)實驗中配位滴定的主要操作誤差來源在于對終點的判斷；氧化還原滴定的誤差來自沉淀洗滌操作所剩余的草酸根離子。操作時著重注意這兩點，實驗結果誤差也較小，符合預期。

(2)在實驗設計上，EDTA滴定的誤差來源在于雜質離子對被滴金屬離子的干擾和其他金屬離子對指示劑的影響。氧化還原反應要求反應速度快，無其他還原劑干擾等，這些在實驗設計上通過樣品恰當地選擇，處理和洗滌，以及滴定時加熱的辦法都得到了解決。

9 實驗結論

(1)根據上述所測結果，該標本成分基本全為CaCO3，含量>99%，測定結果表明該標本不含鎂，即不含白云質成分，另外，該標本外觀顯肉紅色，含有明顯亮晶碎屑，因此判定，該標本樣品產自和州組巖層上部。

(2)兩種滴定方法表現了較為良好的統一性。雖然各自方法中系統誤差的來源不同，但在結果上體現不出顯著的區別。

10 教學建議

(1)本實驗是一個涉及到原理選擇、實驗條件設計、實驗結果評價的綜合設計實驗，面向化學院及地球和空間科學學院2年級本科生開設。該實驗已開設2年。該實驗集設計和探究于一體，因此應該分小組合作完成。建議2～3位同學一組，分兩次課完成，每次課大概需要6小時。

(2)建議第一次課讓學生講解自己的設計方案以及實驗過程中可能出現的情況，通過全班討論完善報告，同時能增強學生溝通交流的能力。

(3)實驗報告中需要詳細記錄實驗現象，特別是樣品預處理以及滴定過程中的溶液顏色的變化。重點在于解決實驗中遇到的問題、并學會對實驗結果進行系統有針對性的分析。提升學生分析和解決問題的能力。

11 結束語

學習分析化學不僅要使學生掌握各種分析方法, 更重要的是使學生了解整個分析過程和有關操作，并學會對實驗結果進行分析和評價。設計性實驗中, 通過查閱文獻學生自主確定實驗課題、 設計實驗方案 、預答辯課實驗方案、課后完善課題、實施實驗方案、記錄實驗數據、處理實驗結果、ppt答辯、撰寫小論文。設計型實驗不僅體現了跨學科、多技能的綜合訓練,同時與化學熱點研究和實際應用相結合，進行創新性研究，而且讓學生真正感受到化學家或化學工作者從事化學研究工作的氛圍。該綜合設計實驗值得推廣。