利用傳感器技術測定琥珀酸亞鐵片中鐵元素的含量

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定，測定了琥珀酸亞鐵片中鐵元素的含量。在高中化學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)學生的實驗能力和信息技術水平。

關鍵詞：琥珀酸亞鐵片；傳感器技術；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，高中人教版化學教科書《實驗化學》（選修6）專門設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準溶液，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，比較待測溶液與標準溶液的色階，找出顏色最接近的標準液，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準溶液之間，則待測組分的濃度可取兩標準溶液濃度的平均值。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，提高了準確度[2]。在高中化學實驗中引入此方法可以強化學生的化學信息意識，提升學生的信息獲取、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）長度的光學通道槽孔。當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準刻度將試劑滴數(shù)轉換成體積單位（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準液。隨著滴定劑的加入，發(fā)生化學反應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，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，重復此步驟3次。利用Logger Pro軟件求導分析滴定終點，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，用標準高錳酸鉀溶液滴定（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定過程相同），重復操作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，結果可靠，在實驗過程中應該注意如下問題：

（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。因此高錳酸鉀標準溶液不能用直接法配制，必須配制成近似濃度，然后用基準物標定。

（2）在低溫時高錳酸鉀與草酸鈉溶液反應過慢，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，加入足量Zn粒防止Fe2+氧化為Fe3+。

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

5 結束語

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，在高中化學實驗中引入此方法可以擴大定量實驗的范圍，培養(yǎng)學生定量的化學思想和實驗能力。學生運用化學軟件處理數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)、圖形的處理和分析，提升化學信息素養(yǎng)，增進對化學現(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。在中學化學教學中合理應用數(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，發(fā)揮數(shù)字化實驗在教學中的優(yōu)勢，使之與課堂教學更為合理、緊密地結合大有潛力可挖。

參考文獻：

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

[2]南京大學《無機及分析化學》編寫組.無機及分析化學（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——基于傳感技術的實驗設計[J].化學教育，2006，（7）：50～54.

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