無機與有機混合物的含量分析
——以探究鼻可樂成分為例

王雨欣，丁淑媛,2，張守林，徐林，唐亞文,＊

1南京師范大學教師教育學院，化學與材料科學學院，南京 210023

2江蘇省海門中學，江蘇南通226100

2017年，教育部高等學?；瘜W類專業(yè)教學指導(dǎo)委員會發(fā)布了化學類專業(yè)化學理論教學和實驗教學建議內(nèi)容。沉淀及其轉(zhuǎn)移、洗滌、干燥、恒重、滴定等實驗操作是定量分析化學實驗中的重要組成部分[1-3]。由于重量法實驗耗時長，實驗過程繁瑣，很多學校已經(jīng)取消了該方面的教學內(nèi)容。目前，絕大部分高校的分析化學實驗都是以滴定為主，特別是酸堿滴定、氧化還原滴定、配位滴定內(nèi)容偏多。而沉淀滴定由于其突變現(xiàn)象不清楚，誤差較大，很多高校往往不開設(shè)這方面的實驗。如何設(shè)計創(chuàng)新型分析化學實驗，將恒重操作實驗與沉淀滴定的知識點相結(jié)合，在相對較少的學時中培養(yǎng)學生的動手能力[4]，對于實現(xiàn)對定量分析化學實驗的教學目標具有重要意義。

鼻可樂是一種市面上常見的洗鼻劑，主要成分為檸檬酸、檸檬酸鈉以及氯化鈉。其中，檸檬酸與檸檬酸鈉是優(yōu)良的緩沖溶液和螯合劑[5]，能夠調(diào)節(jié)鼻腔的pH，抑制病菌的生長；同時，與進入鼻腔的粉塵、重金屬離子、污染物結(jié)合，清除污染物；而氯化鈉則能夠發(fā)揮消炎、殺菌的功效。鼻可樂作為專業(yè)的洗鼻產(chǎn)品，對鼻炎、鼻竇炎、慢性鼻炎、過敏性鼻炎等都非常有效。以鼻可樂為教學模型進行有機物與無機物混合物含量分析的科學探究，利用灼燒法和沉淀滴定法分析鼻可樂藥品的含量，對于培養(yǎng)學生實驗操作能力，了解有機物和無機物的基本化學性質(zhì)，加強恒重實驗和沉淀滴定實驗操作的訓練具有實際意義。同時，利用生活中常用的藥物作為試驗對象，有助于促進理論知識學習與真實世界的關(guān)聯(lián)，提高學生運用化學知識解決實際生活問題的能力。

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1)了解無機和有機混合物的性質(zhì)；

(2)學習常見的樣品前處理技術(shù)，如灼燒、恒重等；

(3)練習沉淀滴定實驗操作；

(4)掌握定量分析數(shù)據(jù)處理方法。

2 實驗原理

根據(jù)鼻可樂的說明書，其主要成分為檸檬酸(C6H8O7·H2O)、檸檬酸鈉(C6H5Na3O7·2H2O)以及氯化鈉。檸檬酸與檸檬酸鈉屬于有機物，易燃燒分解是有機物的典型特征之一，將檸檬酸和檸檬酸鈉在空氣、室溫-800 °C環(huán)境下進行熱重分析。從熱重分析曲線可知，檸檬酸和檸檬酸鈉完全分解溫度分別為 250 °C、500 °C (圖 1)，反應(yīng)方程式為：

圖1 檸檬酸(左)及檸檬酸鈉(右)的熱重曲線

氯化鈉沸點為1413 °C，所以，檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉混合體系的灼燒剩余產(chǎn)物主要為氯化鈉和碳酸鈉。因此，通過灼燒法能夠確定體系氯化鈉和檸檬酸鈉灼燒產(chǎn)物碳酸鈉的質(zhì)量之和。在檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉總質(zhì)量已知的情況下，利用鈉離子平衡原則，只要確定檸檬酸與檸檬酸鈉的比例或者氯化鈉的質(zhì)量即可確定出三種組分的質(zhì)量。利用鉻酸鉀作為指示劑，AgNO3標準溶液滴定Cl-，得到氯化鈉的質(zhì)量。

基于實驗成本考慮，實驗室自配的鼻可樂更適合作為定量研究對象。將檸檬酸(C6H8O7·H2O)、檸檬酸鈉(C6H5Na3O7·2H2O)以及氯化鈉混合在一起，與從江蘇泰德藥品有限公司購買的鼻可樂藥品做了紅外曲線(圖2)對比，發(fā)現(xiàn)紅外曲線基本吻合，說明本實驗對象合理。

圖2 購買鼻可樂與實驗室自配鼻可樂紅外曲線對比

3 實驗部分

3.1 實驗用品

3.1.1 儀器

瓷坩堝(30 mL)、煤氣燈、泥三角、坩堝鉗、干燥器、電子天平(購自賽多利斯科學儀器(北京)有限公司，精度0.0001 g)、容量瓶(100 mL)、滴定管(50 mL)、錐形瓶、滴管、玻璃棒、量筒、燒杯。

3.1.2 試劑

鼻可樂購自江蘇泰德藥品有限公司；檸檬酸(C6H8O7·H2O)、檸檬酸鈉(C6H5Na3O7·2H2O)、氯化鈉(NaCl)、濃硝酸、乙醇、酚酞，均購自國藥集團化學試劑有限公司；鉻酸鉀(K2CrO4)購自上海凌峰化學試劑有限公司；硝酸銀(AgNO3)購自中國醫(yī)藥(集團)上海試劑有限公司。除鼻可樂外，所有化學試劑均為分析純。

3.1.3 溶液的配制

0.1 mol·L-1硝酸銀標準溶液：稱取16.9 g硝酸銀，溶于1000 mL水中，搖勻。溶液保存于棕色試劑瓶中。之后用基準氯化鈉標定2-3次[6]。

酚酞指示劑：取1.0 g酚酞，溶于60 mL乙醇中，用水稀釋至100 mL。

5%鉻酸鉀溶液：稱取5 g鉻酸鉀固體溶于去離子水中，稀釋至100 mL，搖勻。

2 mol·L-1硝酸溶液：取7 mL濃硝酸，稀釋至50 mL，備用。

3.2 實驗過程

3.2.1 灼燒法測定混合物中有機物含量

(1)瓷坩堝恒重，坩堝恒重的方法：將洗凈的坩堝置于泥三角上，小火烘干后，用煤氣燈的氧化焰灼燒至紅熱。將坩堝冷卻至略高于室溫，再用干凈的坩堝鉗將其轉(zhuǎn)入干燥器內(nèi)，冷卻至室溫(注意：熱坩堝放入干燥器后，一定要在短時間內(nèi)將干燥器蓋子打開1-2次，以免內(nèi)部壓力降低，難以打開)。取出，用分析天平稱量。重復(fù)上述加熱過程、冷卻、稱量，直至恒重[7]。瓷坩堝恒重數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 瓷坩堝的恒重數(shù)據(jù)

(2)取恒重過的瓷坩堝，向其中加入質(zhì)量約為0.36 g的鼻可樂固體，置在煤氣燈氧化焰上進行充分灼燒。灼燒時間：10 min (時間過長會導(dǎo)致瓷坩堝中組分參與反應(yīng))。為了評估實驗結(jié)果的準確性，實驗所采用的鼻可樂試劑為自配的檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉的混合物，三種試劑的含量均為0.12 g。灼燒后實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各組分為0.12 g檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉充分灼燒后質(zhì)量

3.2.2 沉淀滴定法測定混合物中NaCl含量

將灼燒后的固體加30 mL蒸餾水溶解，轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，加入20 mL蒸餾水稀釋，加入1滴酚酞指示劑，用2 mol·L-1HNO3滴定至溶液無色。加入1 mL 5% K2CrO4溶液作指示劑，用0.1 mol·L-1標準AgNO3溶液滴定至沉淀顏色出現(xiàn)黃色，溶液整體呈現(xiàn)灰黃色時，即為滴定終點。滴定分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 莫爾法測定氯離子含量

4 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 瓷坩堝的恒重

4.2 檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉充分灼燒后碳酸鈉和氯化鈉質(zhì)量計算

4.3 莫爾法測定氯離子含量

標定后cAgNO3= 0.0997 mol·L-1

4.4 鼻可樂各組分含量計算

鼻可樂各組分含量計算如表4所示，其中檸檬酸的質(zhì)量為鼻可樂總重量減去氯化鈉和檸檬酸鈉的質(zhì)量之和。

表4 鼻可樂中各組分含量

5 注意事項及教學建議

5.1 滴定過程注意事項

(1)鼻可樂藥品可從藥品公司購買，也可以實驗室自配。

(2)由于電爐溫度低，很難保證檸檬酸鈉完全分解，因此實驗過程中使用煤氣燈進行灼燒操作，簡單快捷。

(3)滴定體系選擇灼燒后的剩余固體，不直接選擇鼻可樂的原因是莫爾滴定法需要控制pH在6.0-10.5[8]的范圍內(nèi)，而鼻可樂屬于緩沖體系，緩沖容量大，調(diào)節(jié)pH較為困難，但將其燃燒后的剩余物質(zhì)配成溶液，只要加入少量稀硝酸便可將pH調(diào)至中性。

(4)對于滴定終點的判斷并不是如分析化學書中所說出現(xiàn)磚紅色沉淀為止[9]，經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)：當溶液由乳白色變?yōu)榛尹S色時，結(jié)果最為準確。如若按照課本上所說出現(xiàn)磚紅色沉淀，則終點會延遲。而已有的文獻也表明，橙紅色終點并不確切，由于在黃色且不澄清(先有AgCl沉淀生成)的反應(yīng)液中出現(xiàn)磚紅色沉淀，少量的磚紅色沉淀看不到，因此看到的是溶液顏色為棕黃色，導(dǎo)致終點不容易判斷[10]。

(5)滴定過程中注意要劇烈震蕩，否則會使終點提前。

5.2 教學建議

(1)本實驗適合安排在定量分析化學基礎(chǔ)實驗結(jié)束后，學生有良好的滴定分析基礎(chǔ)和樣品前處理基本操作基礎(chǔ)。

(2)教師應(yīng)解釋利用鈉離子平衡求解混合物的有機物含量的原理和反應(yīng)方程式。

(3) 0.1 mol·L-1硝酸銀標準溶液、酚酞指示劑、5%鉻酸鉀溶液、2 mol·L-1硝酸溶液，建議由實驗室統(tǒng)一配制和標定。

(4)確定檸檬酸與檸檬酸鈉的比例或者氯化鈉的質(zhì)量的實驗方案有三種。pH法：測定定量混合溶液的pH，根據(jù)緩沖溶液的公式計算得到檸檬酸與檸檬酸鈉的比例。重量法：通過測定生成的AgCl沉淀質(zhì)量，得到氯化鈉的質(zhì)量。沉淀滴定法：通過AgNO3標準溶液滴定Cl-，得到氯化鈉的質(zhì)量。對比實驗結(jié)果表明，pH法受溫度影響，誤差非常大。重量法實驗中，由于氯化銀在濾紙上難以分離，導(dǎo)致氯化銀收集困難，整體質(zhì)量偏??；同時AgCl易分解，采用重量法也不合適。因此設(shè)計實驗采用的是沉淀滴定法。

6 結(jié)語

對于無機物與有機物的混合體系，灼燒法是一種很好的實驗方法，但是對于后續(xù)含量的進一步測定，提供了幾種可能解決的方案：pH測定法、沉淀重量分析法、沉淀滴定法。對于氯離子含量的測定，后續(xù)可以選擇氯離子選擇電極進行進一步嘗試；針對pH計測定緩沖體系pH不準確的結(jié)果，后續(xù)嘗試選擇數(shù)字化實驗進行進一步的探究。

綜上，將鼻可樂成分分析實驗引入高校分析化學實驗課堂，可以讓學生從生活中學化學，鍛煉學生恒重坩堝、灼燒、滴定等基本實驗操作能力，培養(yǎng)學生解決問題的綜合能力。