《生物體中幾種元素的鑒定檢測》實驗的教學(xué)改進(jìn)
——以梔子葉中鈣與鐵的含量測定為例

歐陽宇，白愛民，劉 晨，王紅英

(湖北師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

0 前言

動、植物體內(nèi)(如雞蛋殼、樹葉、動物骨頭)含有許多化學(xué)元素，如常見的鈣、鐵、磷等，利用無機(jī)化學(xué)實驗的基礎(chǔ)知識可以鑒定或分離某些元素。實驗中通常的鑒定過程(以雞蛋殼、骨頭為例)概括為：灰化——硝化——分解——檢測，基本原理往往是將雞蛋殼、骨頭中的Ca、Fe、P等元素轉(zhuǎn)化為Ca2+、Fe3+、PO43-，從而進(jìn)一步通過加入其它試劑顯示特征顏色或沉淀來粗略判斷與檢驗。但在實際的實驗操作中，卻往往因為處理后的溶液中Ca2+、Fe3+、PO43-的含量不多而導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯，況且不同特征沉淀因其溶度積常數(shù)不同，即便是Ca2+、Fe3+、PO43-的濃度一樣，加入的試劑離子濃度一樣，產(chǎn)生沉淀的靈敏程度也不一樣，甚至可能看不到白色或黃色沉淀，就無法給學(xué)生一種直觀的印象，教學(xué)效果欠佳。再者，離子間的相互干擾沒有消除也可能導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯甚至得出錯誤的結(jié)論，這些都是該實驗中存在的不足，為了改進(jìn)實驗教學(xué)效果，讓該實驗操作簡便而又現(xiàn)象明顯，并讓學(xué)生直接從實驗數(shù)據(jù)中正確得出離子含量，本文通過EDTA配位滴定法測定梔子葉中鈣與鐵的存在，并確定其含量，從而讓學(xué)生掌握幾種離子的鑒定方法，掌握EDTA配位滴定法的測定原理，熟悉其操作方法，了解平行實驗及對比實驗是化學(xué)實驗設(shè)計中經(jīng)常使用的方法之一，從而分析環(huán)境對梔子葉的影響以及梔子葉不同生長時期鈣與鐵含量的差異，收到了較好的教學(xué)效果。

梔子是茜草科植物山梔(Gardenia jasminoides Ellis)的果實，臨床用于急性黃疸型肝炎、止血、扭挫傷等疾病，可用于醫(yī)藥學(xué)[1]。近年來，環(huán)境污染對植物生長的影響受到了人們的高度關(guān)注，而關(guān)于環(huán)境污染對梔子樹體內(nèi)礦質(zhì)元素含量的影響的研究報道較少。本實驗將湖北師范學(xué)院學(xué)舍八棟附近的梔子葉和化學(xué)樓附近的梔子葉進(jìn)行對比，用EDTA滴定法對梔子葉中鈣和鐵的含量進(jìn)行鑒定與檢測，并研究了環(huán)境污染對梔子葉中某些礦質(zhì)元素含量的影響。同時，本實驗還采集了同一生長地點、不同生長時期的梔子葉樣本作為對比，驗證了鈣和鐵在不同時期植物體內(nèi)的含量差異，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 鈣與鐵測定原理

1.1 鈣離子的測定

鈣離子的測定采用EDTA滴定法。其原理是在pH≥12的溶液中，EDTA與Ca2+形成無色絡(luò)合物，鈣指示劑則能與Ca2+生成紫紅色的絡(luò)合物，而鈣指示劑形成的絡(luò)合物不如鈣與EDTA形成的絡(luò)合物穩(wěn)定。所以，當(dāng)在有鈣指示劑存在的含Ca2+溶液中滴入EDTA溶液達(dá)終點時，過量滴定液便能奪取紅色絡(luò)合物中的Ca2+而使鈣指示劑游離，于是溶液由紫紅色變?yōu)樗{(lán)色，即為終點[2]。

1.2 鐵離子的測定

在pH值為1.3～2的溶液中，磺基水楊酸與三價鐵離子能形成紫紅色絡(luò)合物，但其絡(luò)合強(qiáng)度遠(yuǎn)小于EDTA與三價鐵的絡(luò)合強(qiáng)度。因此在滴定到達(dá)終點時溶液顏色由紫紅色變?yōu)镕e-EDTA絡(luò)合物的淡黃色[3]。(要嚴(yán)格控制溶液的酸度)

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

2.1.1 試劑 HNO3(6 mol/L)、HNO3(濃)、NaOH(2 mol/L)、NH3·H2O(2 mol/L)、(NH4)2C2O4(飽和)、KSCN(0.1 mol/L)、EDTA(乙二胺四乙酸二鈉，含量≥99.0%)、三乙醇胺(含量≥75%)、鈣指示劑(含量≥70%)、磺基水楊酸(含量≥98.0%)、鋁試劑、鎂試劑等，均為分析純試劑。

2.1.2 儀器 電熱恒溫干燥箱(型號：SKQ-01)；馬弗爐(型號為SX2-25-12)；電子天平(型號為TD)；電爐；坩堝；蒸發(fā)皿；試劑瓶；移液管；錐形瓶；容量瓶；量筒。

2.2 樣品的灰化

分別讓學(xué)生選取學(xué)舍八棟附近和化學(xué)樓附近梔子樹上的嫩葉、成熟葉和枯葉足量。將上述葉子洗凈，分別放在貼有相應(yīng)標(biāo)簽的容器中，自然晾干。將烘箱的溫度設(shè)定為80℃，把葉子放入其中，干燥80min，以除去葉子中部分水分。然后將烘好的葉子放入蒸發(fā)皿中，用電爐加熱灼燒成灰，以除去葉子中大部分的水分和部分有機(jī)物。將灰分分別倒入潔凈的坩堝中，最后放入馬弗爐中，設(shè)定溫度為800℃，灰化3h，以盡可能除去易揮發(fā)的基體和有機(jī)物。將灰化好的樣品，用樣品袋分裝好，貼上標(biāo)簽，密封保存。

2.3 定性檢測

分別取0.16g的6種已灰化好的樣品于離心試管中，編號為1,2,3,4,5,6(見表1)。

取1號樣品，加入2mL 6mol/L HNO3溶液，振蕩。反應(yīng)完全后，離心。取上層清液，用蒸餾水將其稀釋至4mL，分成兩等份，編號為①②。分別檢測其中是否含F(xiàn)e3+、Ca2+.

在①中，加入2mol/L的NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH=1～2(此pH下，顏色反應(yīng)現(xiàn)象最明顯)，加入1滴KSCN溶液，觀察到溶液變成紅色，即可證明有Fe3+存在。

在②中，加入2mol/L的NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH=6～7(此pH下，顏色反應(yīng)現(xiàn)象最明顯)，再加入3滴飽和(NH4)2C2O4溶液，觀察到溶液中有白色沉淀生成；再加入6mol/L的HAc溶液，觀察到沉淀不溶解；再加入2mol/L的HCl溶液，觀察到沉淀溶解，即可證明有Ca2+存在[4]。

按上述步驟，對2,3,4,5,6號樣品采用同樣操作，記錄實驗結(jié)果列于表2.

表1 不同地點不同時期的梔子葉

表2 定性測定梔子葉中鈣和鐵的結(jié)果

注：“+”表示存在，“-”表示不存在

2.4 定量檢測

2.4.1 樣品前處理 分別稱取0.2g的6種樣品于離心試管中，編號1,2,3,4,5,6(同3.2中相對應(yīng)的編號)。

在1號中加入2mL濃HNO3，振蕩。完全反應(yīng)后，離心。取上層清液，用100mL容量瓶定容，保存?zhèn)溆?。按上述步驟，將2,3,4,5,6號樣品分別配制成100mL的溶液。

2.4.2 配制0.0050mol/L的EDTA溶液 稱取1.86g的乙二胺四乙酸二鈉固體，用蒸餾水將其溶解，配制成1000mL的EDTA溶液。

2.4.3 配制5%的磺基水楊酸溶液 稱取1g磺基水楊酸固體，溶于19g水中，配制成5%的磺基水楊酸溶液。

2.4.4 滴定鈣含量 用10.00mL的移液管取10.00mL的1號溶液于250mL的錐形瓶中，加入10mL三乙醇胺，振蕩，搖勻；再滴加2mol/L的NaOH溶液，調(diào)pH=10～12，加入少量的鈣指示劑，振蕩，搖勻。用0.0050mol/L的EDTA溶液滴定，至溶液由紫色恰好變?yōu)樗{(lán)色。記下消耗EDTA的體積V，平行三次，取平均值[5]。

其它5組均按以上方法滴定，記錄實驗結(jié)果列于表3、表4.

2.4.5 滴定鐵含量 用10.00mL的移液管移取10.00mL的1號溶液于250mL的錐形瓶中，加入2mol/L的NH3·H2O溶液，調(diào)節(jié)pH=1～2，加入7～8滴5%磺基水楊酸溶液，搖勻。將錐形瓶放在60℃的水浴中，用0.0050mol/L的EDTA溶液滴定，至溶液由粉紅色變?yōu)闇\黃色。記下消耗的EDTA的體積V，平行三次，取平均值。具體結(jié)果列于表3、表4.

表3 測定不同時期梔子葉(學(xué)舍八棟附近) 中鈣和鐵含量所消耗的EDTA體積(mL)

通過表3實驗數(shù)據(jù)比較可知，學(xué)舍八棟附近的三種梔子葉中，鈣含量均比鐵含量高。

表4 測定梔子葉(化學(xué)樓附近)中鈣和鐵含量所消耗的EDTA體積(mL)

通過表4實驗數(shù)據(jù)比較分析，化學(xué)樓附近的三種梔子葉中，鈣含量均比鐵含量高。

為了測定不同生長時期、不同地點梔子葉中鈣的含量，我們對學(xué)舍八棟及化學(xué)樓取用的不同生長時期的梔子葉做了對比實驗，具體結(jié)果列于表5.

表5 測定不同時期、不同地點梔子葉中鈣含量所消耗的EDTA體積(mL)

通過表5實驗數(shù)據(jù)比較可知，化學(xué)樓附近的三種梔子葉中的鈣含量均比學(xué)舍八棟附近對應(yīng)生長時期的三種梔子葉中的鈣含量高。

為了多角度地比較不同生長時期、不同地點的梔子葉中鈣與鐵的含量，我們也進(jìn)行了系列平行實驗，具體結(jié)果列于表6至表8。

表6 測定不同時期、不同地點梔子葉中的鐵含量所消耗的EDTA體積(mL)

分析表6實驗數(shù)據(jù)得知，化環(huán)樓附近的三種梔子葉中的鐵含量均比學(xué)舍八棟附近對應(yīng)生長時期的三種梔子葉中的鐵含量高。

表7 測定不同時期、不同地點梔子葉中鈣含量所消耗的EDTA體積(mL)

表7實驗數(shù)據(jù)顯示，學(xué)舍八棟附近的三種梔子葉中鈣的含量：枯葉>成熟葉>嫩葉；化學(xué)樓附近的三種梔子葉中鈣的含量：枯葉>成熟葉>嫩葉。

表8 測定不同時期、不同地點梔子葉中鐵含量消耗的EDTA體積(mL)

通過表8實驗數(shù)據(jù)的比較可知，學(xué)舍八棟附近的三種梔子葉中鐵的含量：成熟葉>枯葉>嫩葉；化學(xué)樓附近的三種梔子葉中鐵的含量：枯葉>成熟葉>嫩葉。

4 結(jié)論

本文以梔子葉為例，總結(jié)了之前的教學(xué)過程中存在的不足，嘗試定性測定及用EDTA配位滴定法定量測定不同地域、不同生長時期梔子葉中鈣與鐵的含量，分析環(huán)境對梔子葉的影響以及梔子葉不同生長時期鈣與鐵的含量差異，實驗現(xiàn)象更加明顯，同時，在實驗過程中，讓學(xué)生感受平行實驗、對比實驗是學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中經(jīng)常使用的方法之一，當(dāng)然，為了增加本實驗數(shù)據(jù)的可信度，在時間充足的情況下，還可對樣品進(jìn)行空白實驗，并做空白扣除。鑒定及檢測結(jié)果表明：

1)從測定結(jié)果中可以看到，每種樣品的三份平行樣品測定現(xiàn)象明顯，結(jié)果相近且可靠。定性測定的結(jié)果顯示，梔子葉中普遍都含有鈣元素和鐵元素，定量測定的結(jié)果顯示，不同生長時期，不同生長地點的含量有所不同。

2)本實驗通過定性和定量檢測不同生長地點、不同生長時期的梔子葉，得出即使生長地點不同，同一生長時期的植株體內(nèi)鈣含量均高于鐵含量的結(jié)論，為日后的普通無機(jī)化學(xué)驗證性實驗提供了實驗參考。這一結(jié)論的得出，也得到鈣鐵相對含量與植株的生長需求有關(guān)的理論支持。鈣是植物體內(nèi)的大量元素，植物需要量相對較大；而鐵是植物體內(nèi)的微量元素，稍多反而對植物有害，甚至致其死亡。

3)通過分析本實驗定量檢測的實驗數(shù)據(jù)，得出相同生長時期、不同生長地點的植株中鈣和鐵的相對含量不一樣的結(jié)論，為環(huán)境監(jiān)測提供了思考空間。化學(xué)樓附近的土壤、水分和空氣等環(huán)境，由于受實驗樓中實驗廢水和廢渣的影響，出現(xiàn)了鈣和鐵含量高于學(xué)舍八棟附近環(huán)境中的鈣和鐵含量的現(xiàn)象。梔子樹受環(huán)境影響，導(dǎo)致植株體內(nèi)金屬元素含量偏高。

4)通過分析本實驗定量測定的實驗數(shù)據(jù)，還可以得出相同地點、同種植株體內(nèi)的鈣含量隨生長時間的增加而升高的結(jié)論，進(jìn)一步驗證了鈣在植物體內(nèi)不可或缺，且不易轉(zhuǎn)移的事實。鈣是細(xì)胞壁和胞間層的組成部分。鈣對碳水化合物和蛋白質(zhì)的合成過程，以及植物體內(nèi)生理活動的平衡等，起著重要作用。鈣在植物體中不易流動，所以老葉中含鈣量比幼葉多。

本實驗是對生物體內(nèi)幾種離子的鑒定的教學(xué)方法上的一種嘗試及改進(jìn)，旨在讓學(xué)生掌握生物體內(nèi)幾種離子的鑒定方法及EDTA配位滴定法的原理及操作方法，可能在實驗結(jié)論的誤差上比原子吸收法大，但原子吸收法測定條件較高，不易于低年級的學(xué)生掌握和操作，如果學(xué)生進(jìn)入高年級學(xué)習(xí)，掌握了相關(guān)測定原理及操作后，可以嘗試讓學(xué)生用原子吸收法或分光光度法來精確測定動植物體內(nèi)幾種離子的含量，那時候?qū)W生就會得心應(yīng)手，水到渠成。

參考文獻(xiàn):

[1]謝學(xué)建，張俊慧，馬愛華. 中藥梔子研究進(jìn)展[J]. 時珍國醫(yī)國藥，2000,11(10): 943～944.

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[3]程芳婷，羅細(xì)珍，孫立忠. 常用的鐵離子含量分析方法探討[J]. 工業(yè)水處理，2007,27(1): 61～63.

[4]湖北師范學(xué)院無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)實驗[M]． 武漢：華中師范大學(xué)出版社,2012.

[5]華中師范大學(xué). 分析化學(xué)實驗[M]．北京：高等教育出版社,2007.