李欣+張健+楊焱媛

摘要：利用滴數(shù)傳感器和氧化還原電勢傳感器等數(shù)字化實驗儀器，通過對高錳酸鉀溶液的配制和標(biāo)定，測定了琥珀酸亞鐵片中鐵元素的含量。在高中化學(xué)實驗中引入此方法可以擴大定量實驗的范圍及內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰托畔⒓夹g(shù)水平。

關(guān)鍵詞：琥珀酸亞鐵片；傳感器技術(shù)；鐵含量測定；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）10–0055–04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1 問題提出

鐵是生命體內(nèi)必需的微量元素，在生命體內(nèi)起著重要的作用，例如組成血紅蛋白和肌紅蛋白，直接參與氧的運輸和存儲；參與某些酶的合成和能量釋放，對免疫系統(tǒng)和其他微量元素均有重要的影響。缺鐵或缺鐵性貧血會導(dǎo)致免疫力低下，難以維持正常的工作狀態(tài)。缺鐵性貧血的治療方法是補充足夠的鐵直到恢復(fù)至正常的存儲量。鐵鹽主要以正二價鐵的形式被吸收，目前補鐵劑種類多樣，如復(fù)方硫酸亞鐵片、琥珀酸亞鐵片、二維亞鐵緩釋片、樸雪口服液等[1]。

基于鐵元素在人體內(nèi)的重要作用，高中人教版化學(xué)教科書《實驗化學(xué)》（選修6）專門設(shè)置了用目視比色法測定抗貧血藥物中鐵含量的實驗。目視比色法是一種半定量的測定方法，即配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，溶液的顏色因濃度的不同而形成遞變的色階，利用人眼做檢測器，在相同實驗條件下，比較待測溶液與標(biāo)準(zhǔn)溶液的色階，找出顏色最接近的標(biāo)準(zhǔn)液，從而確定待測組分的含量。若待測溶液的顏色介于兩相鄰標(biāo)準(zhǔn)溶液之間，則待測組分的濃度可取兩標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的平均值。與目視比色法相比，利用滴數(shù)傳感器和氧化還原電勢傳感器定量測定鐵元素的含量，提高了準(zhǔn)確度[2]。在高中化學(xué)實驗中引入此方法可以強化學(xué)生的化學(xué)信息意識，提升學(xué)生的信息獲取、信息處理、信息理解和分析能力。

2 實驗原理

2.1 滴數(shù)傳感器的工作原理

滴數(shù)傳感器有一個5.7厘米（2.25英寸）長度的光學(xué)通道槽孔。當(dāng)紅外射線在來源和探測器之間被滴定的1滴試劑阻攔時，一個數(shù)字信號便被發(fā)送到Lab Pro，采集數(shù)據(jù)軟件Logger Pro記錄一滴試劑，然后使用軟件中的標(biāo)準(zhǔn)刻度將試劑滴數(shù)轉(zhuǎn)換成體積單位（例如毫升）（如圖1所示）。

2.2 氧化還原傳感器的工作原理

氧化還原電勢傳感器能夠測量在-450至+1100毫伏范圍內(nèi)的氧化還原電勢。這范圍內(nèi)偏向正數(shù)區(qū)域的讀數(shù)表明一個強氧化試劑，反之接近負數(shù)區(qū)域范圍內(nèi)的讀數(shù)表明一個強還原試劑。電極有兩個組件：一個測量的半電池的組成是鉑金屬浸在一個氧化還原反應(yīng)發(fā)生的溶液內(nèi)，另一個組件是參考半電池，密封的銀/氯化銀凝膠是用作鉑半電池的標(biāo)準(zhǔn)液。隨著滴定劑的加入，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使待測離子的濃度發(fā)生改變，使得指示電極的電位亦隨之改變，并于化學(xué)變化計量點附近發(fā)生突變（如圖2所示）。

3 實驗過程

3.1 實驗儀器及試劑

實驗儀器（如圖3所示）：

滴數(shù)傳感器、氧化還原電勢傳感器、數(shù)據(jù)采集器（數(shù)據(jù)采集軟件均為Vernier公司生產(chǎn)）、筆記本電腦、電磁攪拌器、滴液器、移液管、量筒、100mL容量瓶、燒杯、過濾器、酒精燈、石棉網(wǎng)、三腳架、玻璃棒、研缽、電烘箱

實驗試劑：

琥珀酸亞鐵片、草酸鈉、高錳酸鉀、18.4 mol·L-1硫酸、KSCN溶液、pH=4的HAc-NaAc緩沖溶液、Zn粒、活性炭（試劑均為國內(nèi)市售分析純，使用前未進一步純化，水為處理過的超純水）

3.2 實驗步驟

3.2.1 高錳酸鉀溶液的配制與標(biāo)定

稱取3.16g高錳酸鉀，溶于1000mL水中，緩緩煮沸15min，冷卻于暗處放置2周后，過濾，貯存于棕色試劑瓶。

稱取50mg草酸鈉于105～110℃電烘箱中干燥至恒重，溶于100mL硫酸溶液（8+92）中（即8體積濃硫酸和92體積水混合而成）。用移液管量取5mL草酸鈉溶液于燒杯中，將配制好的高錳酸鉀溶液裝入滴液器中，打開電磁攪拌器開關(guān)，點擊Logger Pro軟件“采集”按鈕。再打開滴液器的旋塞，讓高錳酸鉀溶液逐滴滴入小燒杯中（滴定過程中保持恒溫65℃），繪制滴定曲線（如圖4），完成后按“停止”按鈕。用滴數(shù)傳感器測得消耗高錳酸鉀溶液的體積，用氧化還原電勢傳感器監(jiān)測滴定終點，重復(fù)此步驟3次。利用Logger Pro軟件求導(dǎo)分析滴定終點，得到滴定終點消耗高錳酸鉀溶液的體積，取3次平均值，從而計算得到高錳酸鉀溶液的濃度。

3.2.2 待測樣品溶液的配制

取4粒琥珀酸亞鐵片，在研缽中研碎，稱取0.113g的樣品于100mL燒杯中，加入20mL蒸餾水使其溶解，加入適量活性炭脫色，過濾，向濾液中加入足量Zn粒（取少量濾液用KSCN檢驗，確保溶液中無Fe3+），繼續(xù)向濾液加入100mL pH為4的HAc-NaAc緩沖溶液，并混合均勻[4]。

3.2.3 待測樣品中鐵元素含量的測定

移取10mL待測溶液于燒杯中，用標(biāo)準(zhǔn)高錳酸鉀溶液滴定（實驗操作中傳感器的使用與軟件的運用與高錳酸鉀溶液的標(biāo)定過程相同），重復(fù)操作3次，得到滴定終點消耗高錳酸鉀溶液的體積（如圖5、圖6），計算得到待測溶液中Fe2+的濃度。再根據(jù)Fe2+濃度計算得出該藥片中鐵元素含量。endprint

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)可計算得出每片琥珀酸亞鐵中（0.1g）約含16毫克的鐵元素，而根據(jù)說明書可計算得出每片琥珀酸亞鐵（0.1g）含30毫克鐵元素，實際測得的鐵元素含量略小于琥珀酸亞鐵片說明書中鐵元素的含量，這可能是由于在待測樣品的處理過程中有部分鐵元素損失所致。

4 實驗注意事項

本實驗可以定量測定琥珀酸亞鐵片中鐵元素的含量，實驗方法簡單易行，結(jié)果可靠，在實驗過程中應(yīng)該注意如下問題：

（1）市售高錳酸鉀純度在90%左右，其中含有少量的MnO2及其他雜質(zhì)，同時蒸餾水中也常含有還原性物質(zhì)如塵埃、有機物等，這些物質(zhì)都能促使高錳酸鉀還原。因此高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液不能用直接法配制，必須配制成近似濃度，然后用基準(zhǔn)物標(biāo)定。

（2）在低溫時高錳酸鉀與草酸鈉溶液反應(yīng)過慢，滴定過程中需保持恒溫65℃。

（3）配制待測樣品溶液時，保證溶液的pH= 4，以免Fe2+發(fā)生水解反應(yīng)，加入足量Zn粒防止Fe2+氧化為Fe3+。

（4）用標(biāo)準(zhǔn)高錳酸鉀溶液滴定待測樣品溶液時重復(fù)操作3次，條件應(yīng)保持一致，以確保數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

本文利用滴數(shù)傳感器和氧化還原電勢傳感器測定琥珀酸亞鐵片中鐵元素的含量，在高中化學(xué)實驗中引入此方法可以擴大定量實驗的范圍，培養(yǎng)學(xué)生定量的化學(xué)思想和實驗?zāi)芰ΑW(xué)生運用化學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)、圖形的處理和分析，提升化學(xué)信息素養(yǎng)，增進對化學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認識，以及提高分析問題、解決問題的方法和能力。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中合理應(yīng)用數(shù)字化實驗，將傳統(tǒng)的實驗操作方法改進為數(shù)字化教學(xué)，發(fā)揮數(shù)字化實驗在教學(xué)中的優(yōu)勢，使之與課堂教學(xué)更為合理、緊密地結(jié)合大有潛力可挖。

參考文獻：

[1]計亮年，毛宗萬，黃錦汪.生物無機化學(xué)導(dǎo)論（第三版）[M].北京：科學(xué)出版社，2010：381～382.

[2]南京大學(xué)《無機及分析化學(xué)》編寫組.無機及分析化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2007：395～408.

[3]魏瑞，王磊，劉強.含鐵物質(zhì)中鐵元素含量的測定——基于傳感技術(shù)的實驗設(shè)計[J].化學(xué)教育，2006，（7）：50～54.

[4]董金水.利用DIS測定黑木耳中鐵元素的含量[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（9）：40～41.endprint