碳酸鈉的制備與含量測定實驗的改進

孫雨麗, 李　珺, 石　晨

(首都醫(yī)科大學 化學生物學與藥學院, 北京　100069)

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碳酸鈉的制備與含量測定實驗的改進

孫雨麗, 李珺, 石晨

(首都醫(yī)科大學 化學生物學與藥學院, 北京100069)

以“侯氏制堿法”為原理,用碳酸氫銨和氯化鈉制備了碳酸鈉,并測定其含量,以傳統(tǒng)方法為基礎,對碳酸鈉的制備和含量的測定步驟做了進一步的改進。探索了制備碳酸鈉的條件和產(chǎn)率,比較了雙指示劑法和電位滴定法等測定碳酸鈉含量的方法。通過無機化學和分析化學實驗中碳酸鈉的制備與含量的測定實驗,促進了學生實驗技能的培養(yǎng)。

碳酸鈉制備； 雙指示劑法； 電位滴定法

1　碳酸鈉制備法簡介

碳酸鈉是一種重要的無機原料,可以用于合成銀納米顆粒的控制劑[1]、測定血紅蛋白的稀釋液[2]和提高鐵礦的回收率[3]等,碳酸鈉的制備也得到廣泛的重視。1861年,索爾維發(fā)明了氨堿法制備碳酸鈉,原理如下:

CaCO3CaO+CO2↑

NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3+NH4Cl

2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑

CaO+H2O=Ca(OH)2

2NH4Cl+Ca(OH)22NH3↑+CaCl2+2H2O

這種方法可使制備過程中的二氧化碳和氨氣循環(huán)利用,不造成過多的浪費,但是副產(chǎn)物氯化鈣廢料的產(chǎn)出比重過大,原子利用率僅48.8%。1941年,侯德榜在索爾維制堿法的基礎上進行了改進,發(fā)明了侯氏制堿法,即把堿廠和氨廠聯(lián)合在一起,利用生產(chǎn)氨的產(chǎn)物二氧化碳為原料,制備出最終產(chǎn)物純堿和氯化銨,氯化銨直接作為肥料,原子利用率提高到了100%[4],且提高了食鹽的利用率,高達96%以上[5],其原理為:

NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3+NH4Cl

2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑

本實驗模擬侯氏制堿法,直接采用其本質(zhì)進行實驗室制堿[6],并測定其含量,反應方程式如下:

NH4HCO3+NaClNaHCO3+NH4Cl

2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O

通過對實驗內(nèi)容進行改進和優(yōu)化,幫助學生進一步理解侯氏制堿法原理,學習通過本質(zhì)簡化復雜實驗,練習無機化學實驗中物質(zhì)的制備；在此基礎上,測定混合堿的含量、比較傳統(tǒng)化學分析中酸堿滴定法的雙指示劑法和儀器分析中的電位滴定法的操作。

2　傳統(tǒng)方法的不足及本實驗的改進

2.1傳統(tǒng)方法的不足

(1) 碳酸鈉的工業(yè)制法是將氨氣和二氧化碳通入飽和食鹽水中,但在實驗室中制備氨氣和二氧化碳步驟繁瑣。因為氨氣由濃氨水和氫氧化鈉反應而成,而濃氨水有強揮發(fā)性和刺激性,為避免空氣污染,氨氣發(fā)生裝置的氣密性必須非常良好,且需要尾氣處理裝置。為避免原料二氧化碳的流出,也需要裝置具有嚴格的氣密性,這在實驗過程中并不能完全保證,也影響了實驗效果。

(2) 碳酸氫鈉加熱生成碳酸鈉中,傳統(tǒng)方法用到了馬弗爐或可調(diào)電爐[7],儀器要求較高,且在學生實驗中,馬弗爐或電爐具有一定的危險性。

(3) 在測定制備出的碳酸鈉產(chǎn)品純度時,雙指示劑法第二步繼續(xù)滴加鹽酸到溶液呈橙色的時候,直接記錄了V2體積,容易造成極大的誤差。

(4) 測定純度使用的指示劑法,由于操作者對實驗中的顏色變化不能準確把握,容易造成誤差。

2.2本實驗的改進

針對以上不足作出了如下改進:

(1) 直接采用碳酸氫氨與飽和食鹽水反應,避免了氣體漏出和污染空氣的問題,同時也體現(xiàn)了實驗的本質(zhì)。

(2) 用酒精燈代替馬弗爐或電爐,酒精燈在實驗中比較常見,而且可以達到制堿的要求,減少了學生實驗的難度,避免了使用馬弗爐高溫操作而導致的安全隱患。

(3) 針對雙指示劑法造成的誤差做了對比試驗,改進方案是在第二步滴定指示劑變色后,將錐形瓶放入水浴鍋中加熱1～2 min,若顏色變回黃色,需補加鹽酸,重新記錄V2。

(4) 與雙指示劑法比較,可使用電位滴定的方法[8]。電位滴定法在工業(yè)生產(chǎn)上具有用時短、操作簡便等優(yōu)點[9],實驗室測定含量時可以避免因為顏色變化不明顯導致的誤差。

3　實驗內(nèi)容

3.1碳酸鈉的制備

(1) 稱取25 g氯化鈉于200 mL燒杯中,量取100 mL蒸餾水倒入燒杯,不斷攪拌使氯化鈉溶解,制備出飽和食鹽水(此步可調(diào)pH為11以上,除去雜質(zhì)離子,提高產(chǎn)率)。再稱取8.5 g碳酸氫氨,分5～8次(有利于提高產(chǎn)率)加入飽和食鹽水中,溶解后放在水浴鍋中加熱,保持30～35 ℃,不斷攪拌(此步可蓋住部分瓶口,減少水分蒸發(fā)[10]),30 min后取出靜置。

(2) 將靜置的溶液用布氏漏斗減壓過濾,吸去母液,抽濾至干,洗滌3～4次,得到白色固體。

(3) 將白色固體轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿,石棉網(wǎng)上小火烘干,再移入坩堝,酒精燈上加熱,用玻璃棒輕輕攪拌(反應進行更充分),加熱約30 min,得到干燥白色細粉末狀固體,冷卻到室溫,稱重。

3.2碳酸鈉含量的測定

3.2.1鹽酸標準溶液的標定

精確稱取3份約0.5 g硼砂于錐形瓶中,加入約40 mL蒸餾水溶解(水量過少會導致部分不溶),滴入甲基紅指示劑1～2滴,用鹽酸(約0.1 mol/L)滴定,滴定至溶液由黃色變?yōu)槌壬?0 s后不恢復即為終點。平行滴定3次,并記錄消耗鹽酸體積。計算鹽酸標準溶液的濃度。

3.2.2雙指示劑法

精確稱取產(chǎn)品碳酸鈉0.11 ～0.14 g 3份于錐形瓶中,加入50 mL左右的蒸餾水溶解,滴入2滴酚酞(也可用甲酚紅-百里酚藍指示劑代替,顏色變化更敏銳 ),此處酚酞可多加1滴,有利于終點顏色的判斷[11],用鹽酸滴定至溶液呈無色且0.5 min內(nèi)不恢復,可用終點標準比色液幫助確定終點[12],記錄消耗鹽酸體積V1。

(1) 傳統(tǒng)方法。再滴加1滴甲基橙(此處甲基橙的量應盡可能少,否則將影響終點顏色的判斷 ),繼續(xù)滴定至溶液由黃色變?yōu)槌壬礊榻K點,記錄此步消耗鹽酸的體積V2。計算碳酸鈉的含量。若雙指示劑法顏色變化不易觀察,可用電導滴定法代替[13]。

(2) 改進方法。再滴加1滴甲基橙,繼續(xù)滴定至溶液由黃色變?yōu)槌壬?記錄消耗鹽酸的體積V2,將錐形瓶放入水浴鍋中,加熱約1～2 min,觀察溶液顏色是否變回黃色,若變回黃色,則需補加鹽酸,重新記錄V2。計算碳酸鈉的含量。

3.2.3電位滴定法

精確稱取產(chǎn)品碳酸鈉0.21 g于燒杯中,加入50 mL左右的蒸餾水溶解。放入攪拌子,將pH計插入溶液中(pH電極不要觸碰到攪拌子)。開啟電磁攪拌器,用鹽酸滴定,接近終點時控制滴定速度,pH趨于穩(wěn)定時結(jié)束滴定。平行滴定2次,記錄滴入鹽酸的體積V和溶液的pH。以△pH/△V為縱坐標,以V為橫坐標繪制△pH/△V-V曲線,確定滴定終點。

4　實驗結(jié)果和討論

4.1產(chǎn)率

4.2Na2CO3純度的測定

4.2.1雙指示劑法

混合堿溶液中含有NaOH、NaHCO3、Na2CO3,測定各成分含量一般用雙指示劑法[14],向滴入酚酞的混合堿溶液中滴加鹽酸,至溶液由紅色變?yōu)闊o色,此時消耗鹽酸的體積為V1,再滴入甲基橙,繼續(xù)滴加鹽酸,至溶液變?yōu)槌壬?此步消耗鹽酸體積為V2。

若V1>V2,則溶液為Na2CO3和NaOH混合物,各組分含量為:

若V1

若V1=V2,則溶液不含NaHCO3。

(1)傳統(tǒng)方法。用硼砂標定鹽酸,平行滴定3次取平均值得鹽酸濃度為0.1043 mol/L,RSD=0.29%。以此濃度的鹽酸滴定產(chǎn)品碳酸鈉,碳酸鈉純度為88.11%,見表1。根據(jù)混合堿雙指示劑法原理,上述數(shù)據(jù)V1>V2,符合第一種情況,理論上產(chǎn)品應含有碳酸鈉和氫氧化鈉,但理論上本實驗并沒有氫氧化鈉產(chǎn)生。此方法誤差較大,影響實驗結(jié)論。

表1　鹽酸滴定碳酸鈉的記錄(指示劑:酚酞,甲基橙)

(2) 改進方法。硼砂滴定鹽酸,平行滴定3次取平均值測得鹽酸濃度為0.102 3 mol/L,RSD=0.20%。以此濃度的鹽酸滴定產(chǎn)品碳酸鈉,碳酸鈉純度為87.94%,見表2。改進方法數(shù)據(jù)中V1=V2,產(chǎn)品不含NaHCO3。這是因為改進方法在滴定碳酸鈉的時候增加了水浴加熱,目的是將原本溶液中的CO2趕出去,否則滴定終點會提前到達,造成誤差。同時也說明了本實驗最后一步灼燒碳酸氫鈉制備碳酸鈉反應是完全的,酒精燈完全可以滿足需求,不需要用高要求、較危險的馬弗爐或可調(diào)電爐。

表2　鹽酸滴定碳酸鈉的記錄(指示劑:酚酞,甲基橙)

4.2.2電位滴定法

用鹽酸滴定產(chǎn)品Na2CO3,記錄消耗鹽酸的體積V和溶液的pH,用一階微商法計算Na2CO3的純度,繪制Na2CO3的△pH/△V-V曲線,曲線第一個峰值所對應的體積即為滴定終點時消耗鹽酸的體積Ve。公式如下:

用硼砂滴定鹽酸,平行滴定3次取平均值測得鹽酸濃度為0.090 3 mol/L；RSD=0.11%。用此濃度的鹽酸滴定產(chǎn)品碳酸鈉,取平均值,見圖1。

圖1　鹽酸滴定碳酸鈉的一階曲線

取測定的平均值,即產(chǎn)品中Na2CO3的含量為84.16%。電位滴定法消除了指示劑法依賴人體感官判斷所造成的誤差,使測定結(jié)果更為精確,且電位滴定法計算的實驗結(jié)果比雙指示劑法簡潔明確。

4.3注意事項

(1) 碳酸氫氨不易溶于飽和食鹽水中,分次加入時可在水浴中微熱,有利于提高碳酸氫氨的溶解度。

(2) 碳酸鈉制備第二步產(chǎn)生的母液中含有氯化銨,直接排放會污染環(huán)境,所以可加一步母液處理[5],即向母液中加入過量食鹽,析出氯化銨晶體。

5　結(jié)語

本文對碳酸鈉制備的傳統(tǒng)方法進行了改進,改進后的方案提高了學生實驗的可操作性和實驗效果。

(1) 比較了不同方法下的碳酸鈉制備和含量測定,改進了文獻中馬弗爐300 ℃加熱、電爐加熱等步驟。考慮到實驗室學生操作安全性和方便性,改用酒精燈加熱,結(jié)果表明，改進方案可以制備出碳酸鈉。

(2) 傳統(tǒng)教材中,碳酸鈉制備、混合堿含量測定分別作為單獨的實驗,本實驗將無機制備與定量分析結(jié)合,合并成綜合實驗。綜合性實驗可以鍛煉學生的多學科交叉、綜合分析問題的能力。

(3) 練習了雙指示劑法和電位滴定法,培養(yǎng)學生從多方面思考解決問題的能力。

(4) 可以結(jié)合實驗來講解理論書上判斷混合堿的種類和含量測定的內(nèi)容,從而掌握復雜體系中酸堿滴定的知識和具體方法。

(5) 通過滴定分析所制備的碳酸鈉,給學生講解分步滴定的原理、條件和方法,比較有水浴加熱和沒有水浴加熱結(jié)果的區(qū)別和反應機理。

(6) 通過比較雙指示劑法和電位滴定法測定含量的準確性,學習針對不同實驗可能出現(xiàn)的誤差情況選擇合適的實驗方法。

References)

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[14] 陳若愚,朱建飛.無機與分析化學實驗[M].2版.北京:化學工業(yè)出版社,2010:111-112.

Improvement of experiment of preparation and content determination of sodium carbonate

Sun Yuli, Li Jun, Shi Chen

(School of Chemical Biology and Pharmaceutical Sciences, Capital Medical University, Beijing 100069, China)

Based on the principle of “Hou’s process for soda production,”sodium carbonate is prepared by using ammonium bicarbonate and sodium chloride, and its content is measured. The preparation and steps for the content determination of sodium carbonate by using the traditional method are improved, and the conditions for preparation and the productivity are explored. To determine the content of the products, the double-indicator method and potentiometric titration method are compared. Through the preparation and content determination of sodium carbonate in the experiments of inorganic chemistry and analytical chemistry, the students’experimental skills are well trained.

preparation for sodium carbonate; double-indicator method; potentiometric titration method

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.049

實驗課程改革

2016-04-12

北京市教委專項(PXM2013-014226-07- 000025；PXM2013-014226-07-000001)；首都醫(yī)科大學本科生科研創(chuàng)新項目(xsky2015046)；首都醫(yī)科大學第二課堂項目(drkt2015042)

孫雨麗(1996—),女,北京,本科生，藥學專業(yè)

李珺(1974—),女,湖北嘉魚，博士，副教授,主要從事藥物分析的研究.E-mail：lijun88@ccmu.edu.cn

O658

A

1002-4956(2016)10-0196-03