波美計(jì)快速測(cè)定尿素溶液濃度的方法探討

解錦華，楊曉蓉，曹 霞，胡劉平

(四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081)

尿素溶液濃度的測(cè)定通常采用凱氏定氮法。尿素溶液中胺態(tài)氮(NH2—N)在催化劑的作用下，通過濃硫酸消化，使胺態(tài)氮(NH2—N)轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮(NH4—N)，與硫酸結(jié)合為硫酸銨，在濃堿條件下蒸餾生成氨，吸收于硼酸溶液中，用堿的標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定測(cè)定氮含量［1］，再換算為尿素的含量。

波美度(°Bé)是表示溶液濃度的一種方法。將波美比重計(jì)浸入所測(cè)溶液中，得到的度數(shù)就叫波美度，溶液的溶質(zhì)濃度與溶液的波美度呈正相關(guān)。同時(shí)，波美度受溫度影響較大，同一濃度的溶液，溫度升高時(shí)，波美度變小，溫度下降時(shí)，波美度變大［2］。

凱氏定氮法測(cè)定溶液中尿素含量實(shí)驗(yàn)消耗試劑多，強(qiáng)酸強(qiáng)堿均需使用，存在一定的安全隱患，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且測(cè)定結(jié)果受操作環(huán)節(jié)和人為因素影響大，分析效率較低［3］。本文旨在通過實(shí)驗(yàn)，建立尿素溶液波美度與溶液中尿素含量的關(guān)系，探討使用波美計(jì)快速、簡(jiǎn)便測(cè)定尿素溶液濃度的方法。

1 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

B-324定氮儀、K-437消解爐、刻度為0-10波美計(jì)(精度0.05)、1000 ml量筒、溫度計(jì)、電子天平(精度萬分之一)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

99.0%尿素、濃硫酸、硫酸鉀、硫酸銅、硒粉、氫氧化鈉、鹽酸、硼砂、硼酸、液體石蠟、甲基紅、溴甲酚綠。所有試劑均為分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

依據(jù)在同一溫度時(shí)，溶液的溶質(zhì)濃度不同，其波美度不同，同一濃度的溶液，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，它的波美度也隨之發(fā)生變化的原理［4］，配制一系列準(zhǔn)確濃度的尿素溶液，在溫度從4℃ ～50℃范圍內(nèi)，每升高溫度1℃，測(cè)定每一濃度的尿素溶液波美度，建立不同濃度的尿素溶液在不同溫度條件下的波美度序列值表。通過測(cè)定未知濃度尿素溶液的溫度和波美度內(nèi)查波美度序列值表得知尿素溶液濃度。

1.3.2 操作步驟

(1)用精度萬分之一電子天平分別準(zhǔn)確稱取含量為 99.0% 的尿素10.1011 g、20.2022 g、30.3030 g、40.4041 g、50.5050 g、60.6061 g、70.7072 g、80.8081 g、90.9090 g、101.0102 g、151.5152 g、202.0203 g12份，另取重量最多不超過200 g的不同重量的 6 份尿素 x1、x2、x3、x4、x5、x6。分別將這 18份質(zhì)量不同的尿素溶解定容于1000 ml，得到濃度分別為1%、2% 、3%、4%、5% 、6% 、7% 、8% 、9% 、10% 、15% 、20%12個(gè)尿素溶液，以及6個(gè)未知濃度 X1、X2、X3、X4、X5、X6的尿素溶液。

(2)將上述12種濃度的尿素溶液各盛于1000ml量筒中隔水加熱，溫度設(shè)定范圍4℃ ～50℃。用刻度為0°Bé～10°Bé波美計(jì)在溫度每升高1℃時(shí)測(cè)定1次每1濃度尿素溶液的波美度。每一種濃度的溶液均重復(fù)上述測(cè)定4次以上，波美計(jì)讀數(shù)重現(xiàn)3次以上的數(shù)據(jù)才記錄，以保證所測(cè)每一個(gè)波美度的準(zhǔn)確性。通過此實(shí)驗(yàn)過程，可得到上述12個(gè)濃度的尿素溶液在溫度范圍4℃ ～50℃的波美度序列值。

(3)將上述操作步驟(1)配置好的6個(gè)未知濃度的尿素溶液 X1、X2、X3、X4、X5、X6置于隨機(jī)選擇4個(gè)－5個(gè)的溫度條件下，測(cè)定波美度，利用建立的波美度序列值表，采用內(nèi)查法得到尿素溶液在不同溫度條件下的尿素濃度。

(4)分別將上述6個(gè)未知濃度的尿素溶液稀釋100倍，然后從稀釋后的6個(gè)溶液中分別吸取20 ml放入消化管中消解，每一稀釋溶液都吸取雙樣。消解完成的樣品用定氮儀蒸餾測(cè)出6個(gè)濃度的尿素溶液的尿素含量。

2 結(jié)果與討論

12個(gè)濃度的尿素溶液在溫度范圍4℃ ～50℃的波美度測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 不同濃度的尿素溶液在不同溫度時(shí)的波美度測(cè)定結(jié)果

(續(xù)表)

2.1 尿素溶液濃度與其波美度的關(guān)系

為了直觀地表達(dá)不同濃度的尿素溶液在不同溫度時(shí)測(cè)定的波美度的變化，將表1中的測(cè)定數(shù)據(jù)做散點(diǎn)圖，如圖1。

圖1 尿素溶液濃度與波美度隨溫度變化關(guān)系圖

從圖1可明顯看出，尿素溶液的濃度與其波美度隨溫度變化呈明顯的線性正相關(guān)。在所實(shí)驗(yàn)溫度范圍4℃ ～50℃的每一個(gè)溫度下，尿素溶液的濃度與波美度均呈明顯的線性正相關(guān):即在同一溫度下，隨著尿素溶液的濃度增加，其波美度隨之上升。進(jìn)一步對(duì)溫度范圍4℃ ～50℃的每一個(gè)溫度下尿素溶液的濃度與其波美度進(jìn)行線性回歸統(tǒng)計(jì)分析(顯著性檢驗(yàn))［5］，均達(dá)到極顯著性(相關(guān))水平(F值=2570～11302)，線性回歸相關(guān)系數(shù)R=0.9986～0.9996。從理論上說，在相同溫度條件下，尿素溶液一定的濃度范圍內(nèi)其濃度與波美度呈線性函數(shù)關(guān)系。但由于在實(shí)驗(yàn)過程中，存在一定的系統(tǒng)誤差(波美計(jì)、稱量天平、計(jì)量容器等精度原因)和偶然誤差(稱量、溶液配制、觀測(cè)等人為因素)，致使得到的尿素溶液的濃度與其波美度未呈線性函數(shù)關(guān)系。由此表明，尿素溶液的濃度通過測(cè)定其溶液的波美度來獲得是可行的。

在分析測(cè)定的實(shí)際中，通過建立不同溫度下尿素溶液的濃度與波美度的線性關(guān)系模型或建立不同溫度條件下不同濃度的尿素溶液的波美度序列值表，測(cè)定尿素溶液的波美度和溫度，均可快速、簡(jiǎn)便的獲得尿素溶液的濃度。無論是通過尿素濃度與波美度的線性關(guān)系模型計(jì)算求得尿素溶液濃度，還是經(jīng)內(nèi)查波美度序列值表得到尿素溶液濃度，均有一定的誤差，但內(nèi)查法是在相鄰濃度之間進(jìn)行內(nèi)查計(jì)算，其誤差比建立的尿素濃度與波美度的線性關(guān)系模型計(jì)算的誤差要小。因此，在快速測(cè)定尿素溶液濃度實(shí)驗(yàn)實(shí)際中，建議采用波美度序列值表內(nèi)查法，求得尿素溶液濃度。

2.2 尿素溶液波美度與溫度的關(guān)系

從表1得知，同一濃度的尿素溶液在不同溫度條件下，隨著溶液溫度升高，尿素溶液波美度呈下降趨勢(shì)，尿素溶液波美度變化幅度或速率與溫度呈正相關(guān):即隨著溫度的升高，尿素溶液波美度降低的幅度或速率增大;同時(shí)，尿素溶液波美度變化幅度或速率與溶液濃度亦呈正相關(guān)，即在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，較高濃度尿素溶液的波美度比較低濃度尿素溶液的波美度下降的幅度大。因此，當(dāng)尿素溶液濃度過低，溫度升高至一定刻度時(shí)，其波美度下降至0°Bé，溫度再上升，已不能測(cè)出波美度值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，尿素溶液濃度為1%、2%和3%時(shí)，溫度分別上升至25℃、35℃和45℃，其波美度下降至0°Bé。在一般室溫條件下(≤40℃)，測(cè)定尿素溶液濃度應(yīng)≥3%，測(cè)定溫度不能低于4℃，以避免溶液結(jié)冰影響測(cè)定結(jié)果。

2.3 波美計(jì)法快速測(cè)定尿素溶液濃度與凱氏定氮法比較

凱氏定氮法是測(cè)定氮的經(jīng)典方法，通常作為測(cè)定氮的標(biāo)準(zhǔn)方法。利用波美計(jì)快速測(cè)定尿素溶液濃度，與凱氏定氮方法測(cè)定結(jié)果相比較，評(píng)價(jià)波美計(jì)法快速測(cè)定尿素溶液濃度的準(zhǔn)確性。通過對(duì)6個(gè)未知濃度的尿素溶液的測(cè)定，兩個(gè)方法測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 6種未知濃度的尿素溶液隨機(jī)選定溫度波美度表

表3 波美計(jì)法與凱氏定氮法測(cè)尿素溶液濃度定的結(jié)果比較

結(jié)果表明，同一濃度尿素溶液在不同溫度(4℃～47℃)條件下，利用波美計(jì)測(cè)定的結(jié)果差異不大，其標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)均較小，精確度較高，精確率為91.01%～99.53%。在所測(cè)定的6個(gè)濃度(2%～18%)尿素溶液溶中，濃度越高，測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)越小，精確度越高，表明較高濃度溶液測(cè)定的精確度比較低濃度溶液測(cè)定的精確度高;6個(gè)濃度尿素溶液在不同溫度下測(cè)定的結(jié)果與凱氏定氮法測(cè)定的結(jié)果相比較，同一濃度溶液在不同溫度下及不同濃度溶液在同一溫度下測(cè)定的準(zhǔn)確率存在一定差異，29個(gè)測(cè)定值的準(zhǔn)確率為89.95% ～99.77%。其中，一個(gè)測(cè)定值的準(zhǔn)確率為89.95%，其余測(cè)定值的準(zhǔn)確率在94%以上，測(cè)定的準(zhǔn)確度較高。由此表明，該實(shí)驗(yàn)方法在較大的溫度范圍(4℃ ～47℃)內(nèi)，對(duì)濃度較大范圍(2% ～18%)的尿素溶液測(cè)定的準(zhǔn)確度及精確度較高。因此，在室溫條件下，利用波美計(jì)測(cè)定尿素溶液濃度是可行的，并且可達(dá)到試驗(yàn)不消耗試材、不需要特殊儀器設(shè)備，測(cè)定快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度、精確度較高的目的。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)的溫度4℃～50℃和尿素溶液濃度1%～20%范圍內(nèi)，尿素溶液的濃度與波美度均呈明顯的線性正相關(guān)，線性回歸相關(guān)系數(shù)R=0.9986～0.9996。

利用波美計(jì)測(cè)定尿素溶液濃度的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定尿素溶液濃度的結(jié)果與凱氏定氮法比較，準(zhǔn)確度達(dá)89.95%以上，準(zhǔn)確率較高;同一尿素溶液濃度在不同的溫度下測(cè)定結(jié)果的精確率在91%以上。

本方法適用于快速測(cè)定尿素溶液濃度，具有快速、簡(jiǎn)便、不消耗化學(xué)試劑、不需要特殊儀器設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，并且測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度、精確度較高。

［1］中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1210～1275—1999森林土壤分析方法［S］.北京:國(guó)家林業(yè)局，1999.

［2］A.L佩奇.土壤分析法［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1987.

［3］吳曉榮，葉祥盛，趙竹青.流動(dòng)注射法與凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮的比較［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(5):560 ～563.

［4］胡劉平.氯化鋅溶液波美度與溫度的關(guān)系式［D］.北京:全國(guó)活性炭專業(yè)委員會(huì)，1989.

［5］馬育華.實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1982:272～311.