工业混合碱各组分含量测定——一种综合型实验方案设计_王园朝.pdf

Univ.Chem.2023,38(1),199205 199 收稿：2022-02-19；录用：2022-03-24；网络发表：2022-04-12*通讯作者，Email: 基金资助：分析化学浙江省一流课程建设项目 化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202202043 工业混合碱各组分含量测定 工业混合碱各组分含量测定 一种综合型实验方案设计 王园朝*，程和勇 杭州师范大学材料与化学化工学院，杭州 311121 摘要：摘要：利用两类双指示剂法、BaCl2法和电位滴定法等4种实验方法，分别测定了工业混合碱I(NaOH+Na2CO3)和混合碱II(Na2CO3+NaHCO3)溶液中NaOH、Na2CO3与NaHCO3等3种成分的质量浓度(即单位体积溶液中组分质量)。计算和比较了不同分析方法测定结果的误差和标准偏差，对不同分析方法测定结果进行了显著性检验，并分析了产生误差及造成显著性差异的原因。结果表明：电位滴定法的准确度和精密度均较好，BaCl2法的准确度和精密度较差；BaCl2法与其他3种方法测定结果的数据之间存在显著性差异。本文内容不仅对工业混合碱中各组分含量测定方法提供了一个参考，而且为酸碱滴定实验教学提供了一个综合型实验项目的设计方案。关键词：关键词：混合碱；双指示剂法；BaCl2法；电位滴定法；显著性检验；综合型实验方案设计 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Design of a Comprehensive Experiment for Determination of Each Component in Industrial Mixed Alkali Yuanchao Wang*,Heyong Cheng College of Materials,Chemistry and Chemical Engineering,Hangzhou Normal University,Hangzhou 311121,China.Abstract:Four experimental methods,including two double-indicator methods,the BaCl2 method and the potentiometric titration method were developed for determining the mass concentration(Mass of components in unit volume of solution)of NaOH,Na2CO3 and NaHCO3 in two types of industrial mixed alkali solutions,i.e.,solutions I(NaOH+Na2CO3)and II(Na2CO3+NaHCO3).Errors and standard deviations of the four analytical methods were calculated and compared based on the measurements.Significance tests were also performed on the results of the four methods,and possible factors/causes that led to poor accuracy and significant differences were also discussed.It was concluded from the experimental results that the potentiometric titration offered the highest accuracy and precision,whereas the BaCl2 method suffered from the lowest accuracy and precision from among the four methods.The results also showed significant differences between the BaCl2 method and the other three methods.This paper not only provides a reference for the accurate determination of each component in industrial bases,but also supplies a comprehensive experimental protocol for acid-base titration teaching experiments.Key Words:Mixed base;Double indicator method;BaCl2 method;Potentiometric titration method;Significance test;Comprehensive experimental design 工业混合碱溶液一般是指NaOH、Na2CO3和NaHCO3的混合溶液，混合碱分析是生产企业中一个重要的例行分析。目前实验教材中混合碱含量的测定大多仍是验证性或简单的设计型实验项目，且200 大 学 化 学 Vol.38多数采用的是双指示剂法方案1,2。为了提高分析结果的准确度和精密度，研究者已对其进行了多次的改进。如邓艳丽等3通过对混合碱II(Na2CO3+NaHCO3)中两组分含量的测定，定性地比较了双指示剂法和pH计法的优缺点，认为pH计法测定结果的准确度更好。彭国丽等4和仵春祺等5分别使用了甲基橙-靛蓝和溴甲酚绿-甲基红等混合指示剂替代甲基橙指示剂，提高了BaCl2法测定结果的准确度和精密度。牛丽丹6通过对混合碱滴定曲线的推导和化学计量点的推算，采用甲酚红-百里酚蓝替代酚酞作为双指示剂法中的指示剂，改善了指示剂显色的灵敏度，提高了测定结果的准确度。孙文利等7利用手持技术(pH计)分别测定了混合碱I(NaOH+Na2CO3)和II(Na2CO3+NaHCO3)中各组分含量，对测定原理进行了讨论。王晓艳8则提出了高温焙烧混合碱II，测定固体碳酸氢钠含量的新方法。陈大为9利用pH传感器和滴数传感器等数字传感器新技术，测定了混合碱II中碳酸钠的含量。近年来，混合碱含量测定也常用于设计或探索型实验教学项目，刘霞10将纯碱中总碱量测定作为探索性实验开展启发式教学。李玉金11以双指示剂法测定混合碱组分含量作为设计性实验项目，采用分组实验的方式对学生实验结果和成绩进行了对照分析。综上所述，已报导的研究中在比较不同分析方法测定的两类混合碱组分含量时，大多以定性讨论为主，且不够全面，对同一测定对象各方法间是否存在显著性差异没有进行定量计算和深入分析。作为一种综合型的教学实验项目，其教学内容和方法类型还不够综合。本文结合分析化学课程教学内容和特点，利用两类双指示剂法、BaCl2法和电位滴定法等4种实验方法，分别测定了混合碱I和II溶液中NaOH、Na2CO3和NaHCO3各组分含量(用质量浓度表示，gL1)，并引入数据处理方法对测定结果的准确度、精密度和显著性差异进行了对比、分析和讨论。在此基础上提出了一种酸碱滴定综合型实验教学的设计方案。该方案将化学分析方法和简单的仪器分析方法相结合，将数据处理和酸碱平衡理论知识与实践相结合，将问题分析与讨论相结合，具有较强的综合性。1 实验原理实验原理 1.1 双指示剂法双指示剂法 双指示剂法12,13中常用酚酞和甲基橙为指示剂，按加入指示剂的方式不同，又可分为两类。第一类只取一份混合碱溶液，将酚酞和甲基橙指示剂先后加入，以HCl标准溶液为滴定剂进行滴定，命名为方法一；第二类需取两份相同的混合碱溶液，一份加入酚酞为指示剂，另一份加入甲基橙为指示剂，分别以HCl标准溶液为滴定剂进行滴定，命名为方法二。具体计算方法见表1。此法优点是简单、快速，缺点是甲基橙指示剂变色不敏锐，易造成较大的读数偏差和滴定误差。1.2 BaCl2法法 BaCl2法是指利用BaCl2与混合碱I溶液中的Na2CO3反应生成BaCO3白色沉淀，待白色沉淀析出后，以酚酞为指示剂，用HCl标准溶液滴定至终点。然后另取等量混合碱试液，以甲基橙为指示剂，再用HCl标准溶液滴定至终点，分别根据各滴定终点时所消耗的HCl标准溶液的体积，计算混合组成含量，该方法命名为方法三。该方法不适用于混合碱II溶液。1.3 电位滴定法电位滴定法 电位滴定法14,15是指在滴定过程中通过测量被滴定溶液电位变化来确定滴定终点的方法。此法是依据电极电位的突跃来指示滴定终点。该方法命名为方法四。具体实验时可根据滴定过程中被测溶液pH随着滴定剂加入量而发生变化的数据，以pH为纵坐标，以消耗HCl标准溶液的体积为横坐标，用Origin软件绘制滴定曲线图(图1)。通过滴定曲线上两个pH突跃范围中的第一(pH 8.32)和第二(pH 3.89)化学计量点，确定第一和第二滴定终点的体积。图1即为电位滴定法滴定混合碱I和混合碱II溶液的滴定曲线图。此法优点包括可用于有色或混浊溶液的滴定、浓度较稀的试液或反应不够完全情况下的滴定、没有合适指示剂情况下的滴定。另外此方法的灵敏度和准确度较高，可连续测定。No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX202202043 201(A)(B)图图1 电位滴定法测定混合碱电位滴定法测定混合碱I(A)和和II(B)组分含量的滴定曲线图组分含量的滴定曲线图 1.4 4种不同滴定方法滴定结果的计算公式种不同滴定方法滴定结果的计算公式 4种不同滴定方法测定两类混合碱溶液中各组分质量浓度的计算公式见表1。表表1 4种不同滴定方法测定两类混合碱组分质量浓度的计算公式种不同滴定方法测定两类混合碱组分质量浓度的计算公式 混合碱I(Na2CO3+NaOH)混合碱II(Na2CO3+NaHCO3)混合样品总体积/mL 25.00 25.00 方法一 酚酞为指示剂消耗HCl平均体积/mL V1 V3 甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积/mL V2 V4 组分质量浓度/(gL1)12HClNaOHNaOH()25.00-=VV cM2323Na CO2HClNa CO2225.00MV c=2323Na CO3 HClNa CO2225.00MV c=3343HClNaHCONaHCO()25.00VV cM-=方法二 酚酞为指示剂消耗HCl平均体积/mL V5 V7 甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积/mL V6 V8 组分质量浓度/(gL1)56HClNaOHNaOH(2)25.00VVcM-=2323Na CO65HClNa CO2()225.00MVV c-=2323Na CO7HClNa CO2225.00MV c=3387HClNaHCONaHCO(2)25.00VV cM-=方法三 酚酞为指示剂消耗HCl平均体积/mL V9 甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积/mL V10 组分质量浓度/(gL1)9HClNaOHNaOH25.00V cM=2323Na CO109HClNa CO()225.00MVV c-=方法四 第一化学计量点消耗HCl平均体积/mL V11 V13 第二化学计量点消耗HCl平均体积/mL V12 V14 组分质量浓度/(gL1)1112HClNaOHNaOH(2)25.00VVcM-=2323Na CO1211HClNa CO2()225.00MVVc-=2323Na CO13 HClNa CO2225.00MV c=331413HClNaHCONaHCO(2)25.00VVcM-=202 大 学 化 学 Vol.382 实验部分实验部分 2.1 实验仪器实验仪器 BS124S电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，便携式pHB-2计(杭州雷磁分析仪器厂)，E-20