趙宏偉,槐佳孟,王澤,陳霞
山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,太原 030006
配位滴定法是一種非常重要的定量分析方法,其滴定分析是以配位反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法[1]。在大學(xué)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中,EDTA (乙二胺四乙酸)常用作配位滴定法中的滴定試劑,能夠與大多數(shù)金屬離子形成穩(wěn)定的1 : 1配位化合物[2]。在生活中常用EDTA作為滴定試劑進(jìn)行離子檢測(cè),例如自來(lái)水硬度的測(cè)定、鋁合金中鋁含量的測(cè)定、胃舒平藥片中Al(OH)3和MgO含量的測(cè)定等。
為保持學(xué)生在實(shí)踐課上的積極性,突出滴定法在日常生活中的應(yīng)用,本文介紹了用經(jīng)典EDTA滴定法測(cè)定痱子粉和皮膚軟膏中氧化鋅的方法,并將其作為我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中配位滴定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之一。
氧化鋅(ZnO)是一種白色粉末狀的無(wú)機(jī)物,是必要礦物質(zhì)鋅的來(lái)源。具有防腐、干燥、抗炎、除臭、紫外線防護(hù)等特性,是醫(yī)藥產(chǎn)品配料中常見(jiàn)的化學(xué)添加劑。然而,若人接觸鋅的濃度高于生理需要,是有一定毒性的[3]。因此,對(duì)藥物制劑中的鋅含量進(jìn)行定量分析是非常必要的。在本實(shí)驗(yàn)中,我們提出了一種通過(guò)經(jīng)典EDTA滴定法測(cè)定兩種藥物制劑(痱子粉和皮膚軟膏)中氧化鋅含量的方法。
經(jīng)典的滴定法由于其具有操作簡(jiǎn)單、成本低、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn),在分析高濃度分析物(例如藥物活性成分)的樣品時(shí),仍被廣泛應(yīng)用。Zn(II)離子的滴定方法有兩種,酸性溶液時(shí)使用二甲酚橙指示劑,堿性溶液時(shí)使用鉻黑T指示劑(EBT)[4,5]。本實(shí)驗(yàn)分別采用上述兩種指示劑法測(cè)定了不同藥品中的ZnO的含量,具體分析方法如圖1所示:首先用稀鹽酸分別提取粉劑和膏劑藥品樣品中的氧化鋅,其中,1) 軟膏法提取的氧化鋅,在pH = 10的緩沖溶液中,以EBT為指示劑,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定;2) 粉末法提取的氧化鋅,將溶液的pH調(diào)至5-6,以二甲酚橙為指示劑,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。最后學(xué)生計(jì)算樣品中ZnO的含量及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,將結(jié)果與產(chǎn)品標(biāo)簽信息進(jìn)行比較,計(jì)算相對(duì)誤差。
圖1 本文實(shí)驗(yàn)操作流程圖
(1) 學(xué)會(huì)復(fù)雜樣品的處理方法和待測(cè)試液的制備方法。
(2) 掌握用配位滴定法測(cè)定ZnO的原理和應(yīng)用。
(3) 了解利用滴定法測(cè)定藥品中金屬離子含量的實(shí)際意義。
(1) 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn):掌握配位滴定法的實(shí)驗(yàn)原理和操作。
(2) 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn):待測(cè)樣品的分析和樣品的預(yù)處理。
ZnO是一種兩性氧化物,可以與酸和強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)。與酸反應(yīng)見(jiàn)反應(yīng)式(1):
粉末痱子粉樣品提取Zn(II)離子。將樣品溶解在酸性介質(zhì)中,經(jīng)過(guò)濾除去懸浮物,得到從樣品中提取的Zn(II)的澄清溶液。
皮膚軟膏樣品提取Zn(II)離子。將樣品溶解在鹽酸和乙酸乙酯中,軟膏中的有機(jī)成分溶解在乙酸乙酯中,氧化鋅溶解在鹽酸中[6]。利用分液漏斗將有機(jī)相和水相進(jìn)行分離,得到從樣品中提取的Zn(II)的澄清溶液。
配位滴定法是基于金屬離子和配位離子之間的定量反應(yīng)。EDTA是配位滴定中常用的滴定試劑,可以與金屬離子形成穩(wěn)定的1 : 1配位化合物。標(biāo)定EDTA時(shí),一般選擇鉻黑T或二甲酚橙做指示劑,不同指示劑適應(yīng)的條件有所不同。選用鉻黑T作為指示劑時(shí),應(yīng)在pH = 10的緩沖溶液中進(jìn)行,選用二甲酚橙做指示劑,需將溶液pH調(diào)至5-6。
皮膚軟膏提取液中只有Zn(II)離子,可選擇上述兩個(gè)指示劑任意之一的測(cè)定條件進(jìn)行滴定。粉末狀的痱子粉中含有滑石粉,制備的待測(cè)溶液中主要成分為Zn(II)離子,但其中含有Mg(II)離子。Mg2+、Zn2+均能與EDTA形成穩(wěn)定的配合物,可以利用EDTA的酸效應(yīng)進(jìn)行分步滴定,防止Mg2+的干擾。當(dāng)酸度不同時(shí),鋅鎂離子的配位也不同[7]。在pH = 5-6時(shí),EDTA只和Zn2+配位,而Mg2+不被滴定;只有當(dāng)pH = 10的堿性條件下Mg2+可被滴定。
在滴定終點(diǎn),消耗的EDTA的摩爾數(shù)等于溶液中所含的金屬離子的摩爾數(shù)。樣品中ZnO質(zhì)量的計(jì)算式為:
式中:CEDTA是EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,單位為mol·L-1;VEDTA是滴定終點(diǎn)消耗的EDTA平均體積,單位為mL;MZnO為ZnO的分子量(81.38 g·mol-1),ms是每份待測(cè)試樣的樣品質(zhì)量,單位為g。
(1) 用酸處理樣品時(shí)要充分?jǐn)嚢?,盡量多地溶解待測(cè)離子。
(2) 用乙酸乙酯萃取時(shí)注意正確操作。
(3) 樣品處理時(shí)應(yīng)在通風(fēng)櫥下進(jìn)行。
酸式滴定管,錐形瓶(250 mL),容量瓶(250.0 mL),移液管(10.00 mL,25.00 mL),F(xiàn)A/JA1004型電子天平,稱量瓶;EDTA (0.01 mol·L-1左右,待標(biāo)定),HCl (1 : 1),ZnO (固體,AR),鉻黑T指示劑,二甲酚橙指示劑,六亞甲基四胺溶液(200 g·L-1),氨水(1 : 1),pH = 10的氨水-氯化銨緩沖溶液。
待測(cè)樣品:
1) 氧化鋅痱子粉(當(dāng)?shù)厮幍戢@得,健民集團(tuán)葉開(kāi)泰國(guó)藥(隨州)有限公司)。
2) 氧化鋅軟膏(當(dāng)?shù)厮幍戢@得,天津金耀藥業(yè)有限公司)。
6.2.1 Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及EDTA溶液的標(biāo)定
(1) 配制Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液和EDTA溶液。
a) 0.01 mol·L-1Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液配制。
準(zhǔn)確稱取0.2-0.25 g ZnO于50 mL燒杯中,加少量去離子水潤(rùn)濕后,緩慢滴加6 mol·L-1HCl水溶液,攪拌至其完全溶解。然后將溶液定量轉(zhuǎn)移至250.0 mL容量瓶中,加蒸餾水稀釋至刻度,搖勻,計(jì)算Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度。計(jì)算公式如下:
Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的計(jì)算,按照上述操作步驟,將準(zhǔn)確稱取的mZnO= 0.2072 g代入公式(3)中,求得CZn2+= 0.01020 mol·L-1。
b) 0.01 mol·L-1EDTA溶液配制。
稱取3.5-4.0 g乙二胺四乙酸二鈉鹽于200 mL燒杯中,用蒸餾水溶解,所得溶液倒入聚乙烯塑料瓶中,再加蒸餾水稀釋至1000 mL左右,搖勻。
(2) 標(biāo)定EDTA溶液。
用移液管移取25.00 mL Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液于錐形瓶中,逐滴加入1 : 1的氨水,同時(shí)不斷搖動(dòng)直至開(kāi)始出現(xiàn)白色渾濁(Zn(OH)2固體),以中和溶液中過(guò)量的HCl,注意過(guò)量的氨水能與Zn2+絡(luò)合,渾濁消失變?yōu)槌吻濉H缓蠹?0 mL蒸餾水、10 mL NH3-NH4Cl緩沖溶液和2-3滴鉻黑T指示劑,用待標(biāo)定的EDTA溶液滴至溶液由紫紅色剛好變?yōu)樗{(lán)綠色,記下消耗的EDTA溶液的體積。如此再重復(fù)滴定3次,取平均值后計(jì)算EDTA溶液的準(zhǔn)確濃度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。
數(shù)據(jù)處理:EDTA溶液滴定25.00 mL 0.01020 mol·L-1Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積分別記錄于表1中,EDTA與金屬離子形成穩(wěn)定的1 : 1配位化合物,由定量關(guān)系可知EDTA溶液濃度CEDTA按下式計(jì)算:
表1 Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定EDTA溶液
根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算出EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為:CEDTA= 0.01040 mol·L-1。
6.2.2 樣品中氧化鋅的提取及待測(cè)溶液的制備
1) 從痱子粉樣品中提取ZnO。
準(zhǔn)確稱取37.5020 g痱子粉于250 mL燒杯中,加入10 mL 6 mol·L-1HCl水溶液和40 mL蒸餾水?;旌衔镉貌AО魯嚢?0 min,靜置分層,上層為乳白色懸浮物,下層為無(wú)色透明液體,其中懸浮物通過(guò)布氏漏斗減壓過(guò)濾并用蒸餾水洗滌3次,所得濾液定量轉(zhuǎn)移至250.0 mL容量瓶中,加蒸餾水稀釋至刻度,搖勻,得到Zn(II)離子待測(cè)溶液。
2) 從皮膚軟膏樣品中提取ZnO。
準(zhǔn)確稱取1.2509 g的皮膚軟膏于250 mL的燒杯中,通風(fēng)櫥內(nèi)加10 mL 6 mol·L-1HCl水溶液、40 mL蒸餾水和50 mL乙酸乙酯[8]。向混合液中加入磁子,在通風(fēng)廚中用磁力攪拌器將混合物攪拌30 min。將得到的混合溶液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中,靜置分層,下層水相收集至250.0 mL容量瓶中,上層有機(jī)懸浮用20 mL飽和食鹽水洗滌三次,水相合并收集至容量瓶中,加蒸餾水稀釋至刻度線處,搖勻,得到Zn(II)離子待測(cè)溶液(圖2)。
圖2 分液漏斗進(jìn)行分液
6.2.3 氧化鋅含量的測(cè)定
痱子粉樣品。用移液管移取25.00 mL Zn2+待測(cè)試液3份于250 mL錐形瓶中,分別滴加2滴2 g·L-1二甲酚橙指示劑,滴加200 g·L-1六亞甲基四胺溶液至溶液呈現(xiàn)穩(wěn)定的紫紅色,再加5 mL六亞甲基四胺溶液,然后用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由紫紅色剛好變?yōu)辄S色,如圖3A所示,記下消耗EDTA溶液的體積。平行滴定3份,取平均值,利用上述公式(2)計(jì)算氧化鋅含量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表2中,與標(biāo)簽含量對(duì)比結(jié)果記錄在表3中。
圖3 (A) 痱子粉樣品Zn2+溶液滴定前紫紅色和滴定終點(diǎn)黃色;(B) 皮膚軟膏樣品Zn2+溶液滴定前紫紅色和滴定終點(diǎn)藍(lán)綠色
皮膚軟膏樣品。用移液管移取25.00 mL Zn2+待測(cè)試液3份置于250 mL錐形瓶中,分別滴加1 : 1 NH3·H2O,同時(shí)不斷搖動(dòng)直至開(kāi)始出現(xiàn)白色渾濁(Zn(OH)2固體),注意過(guò)量的氨水能與Zn2+絡(luò)合,渾濁消失變?yōu)槌吻?。分別加10 mL NH3-NH4Cl緩沖溶液、50 mL蒸餾水和2-3滴鉻黑T指示劑,然后用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至由紫紅色剛好變?yōu)樗{(lán)綠色,如圖3B所示,記下消耗EDTA溶液的體積。平行滴定3份,取平均值,利用上述公式(2)計(jì)算氧化鋅含量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表2中,與標(biāo)簽含量對(duì)比結(jié)果記錄在表3中。
數(shù)據(jù)處理:EDTA溶液滴定痱子粉和軟膏兩種25.00 mL Zn2+待測(cè)試液的體積分別記錄于表2中,氧化鋅在兩種藥品中的含量根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算,并記錄于表2中,計(jì)算方法根據(jù)公式(2)。
表2 ZnO氧化鋅的質(zhì)量含量的測(cè)定
從表2中數(shù)據(jù)可以看出,痱子粉樣品中氧化鋅含量為0.4965%,皮膚軟膏樣品中氧化鋅含量為14.88%。因復(fù)雜樣品可接受的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD數(shù)值不得高于5%,而兩種方法獲得的所有RSD值均低于1%,表明該方法具有較高的準(zhǔn)確度[9]。
6.2.4 氧化鋅含量的分析
為便于比較,將測(cè)得的氧化鋅的含量換算成與產(chǎn)品標(biāo)簽中相同的單位表示,數(shù)據(jù)列于表3中。
表3 氧化鋅測(cè)得值與標(biāo)簽值比較
本文中提到的方法準(zhǔn)確性和精確性,通過(guò)表2和表3的RSD和Er數(shù)據(jù)得到很好的驗(yàn)證。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得1 g痱子粉樣品含有4.9653 mg氧化鋅,1 g軟膏樣品含有149.7 mg氧化鋅。測(cè)定值與標(biāo)簽值相比,結(jié)果顯示:痱子粉樣品與產(chǎn)品標(biāo)簽信息的相對(duì)誤差為-0.69%,軟膏樣品的相對(duì)誤差-0.20%,二者的相對(duì)誤差均小于1%[9],測(cè)定結(jié)果也令人滿意。根據(jù)以上結(jié)果,兩種樣品的滴定方法都得到了有效驗(yàn)證。
6.2.5 實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證
已知EDTA滴定Zn(II)離子時(shí)可以在兩種不同的條件下進(jìn)行,即pH為5-6、二甲酚橙做指示劑或者pH = 10的緩沖溶液、鉻黑T作為指示劑。
文中實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)4.2.3小節(jié))采用的實(shí)驗(yàn)步驟是:1) 痱子粉樣品在pH為5-6、二甲酚橙做指示劑、0.01040 mol·L-1EDTA溶液滴定;2) 軟膏樣品在pH = 10的緩沖溶液、鉻黑T作為指示劑、0.01040 mol·L-1EDTA溶液滴定。
除了以上實(shí)驗(yàn)操作還做了以下條件實(shí)驗(yàn):1) 將軟膏樣品試樣在pH為5-6、二甲酚橙做指示劑、0.01040 mol·L-1EDTA溶液滴定,與4.2.2小節(jié)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果基本一致,說(shuō)明該試樣在兩種滴定方法中都適用;2) 將痱子粉樣品試樣在pH = 10的緩沖溶液、鉻黑T作為指示劑、0.01040 mol·L-1EDTA溶液滴定,利用上述公式(2)計(jì)算氧化鋅含量,測(cè)得三次結(jié)果的ZnO%平均值為0.9913%,即9.9 mg·g-1,其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)簽含量5.0 mg·g-1的數(shù)值,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)在堿性條件下,痱子粉中由于Mg2+存在會(huì)影響Zn2+的滴定。因此,該樣品的滴定應(yīng)在酸性條件下進(jìn)行。事實(shí)上,在進(jìn)行滴定分析時(shí),當(dāng)屏蔽掉鎂離子的干擾時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果和標(biāo)簽數(shù)據(jù)一致,因此,我們認(rèn)為痱子粉樣品中除了鎂離子和鋅離子外,不含其他金屬離子,在酸度pH = 5-6時(shí),滴定的是痱子粉樣品中鋅離子,而不存在其他離子干擾。
6.2.6 線性度曲線
用EDTA滴定法分析5、10、20、25、30 mL的Zn(II)待測(cè)溶液的等分試樣,并將每個(gè)等分試樣中ZnO的含量與預(yù)期含量作圖。線性擬合的r2值都在0.99以上,這表明兩種方法在這個(gè)工作范圍內(nèi)是線性的。其中藍(lán)色表示預(yù)測(cè)氧化鋅含量,紅色表示實(shí)驗(yàn)氧化鋅含量(圖4)。
圖4 實(shí)測(cè)的樣品中ZnO的質(zhì)量與預(yù)測(cè)的樣品中ZnO的含量關(guān)系
痱子粉和軟膏樣品的測(cè)定系數(shù)(R2)分別為0.9991和0.9994。這高于線性方法的最低接受值0.99,因此可以認(rèn)為該方法在分析的范圍內(nèi)是有線性關(guān)系的。
在具體教學(xué)中,先讓學(xué)生查閱資料,擬定實(shí)驗(yàn)方案,在此基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程需要學(xué)時(shí)數(shù)為4學(xué)時(shí)。具體實(shí)施如下:1) 首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的講解,用時(shí)0.5小時(shí)。包括氧化鋅在制藥工業(yè)中的重要性、HCl提取氧化鋅原理、使用緩沖劑的原因,以及演示預(yù)先準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)折點(diǎn)的顏色變化,最后講解ZnO含量的計(jì)算。2) 操作環(huán)節(jié)及測(cè)定過(guò)程用時(shí)2.5小時(shí)。包括:樣品稱重、提取及待測(cè)溶液的配制,EDTA溶液的標(biāo)定,組分含量的測(cè)定等等,所有學(xué)生都做了三個(gè)平行滴定,所需緩沖液和指示劑溶液由實(shí)驗(yàn)代課老師預(yù)先制備。3) 結(jié)果處理用時(shí)1小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整理數(shù)據(jù)、計(jì)算ZnO平均含量、計(jì)算RSD、相對(duì)誤差上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生在定量分析課程中應(yīng)用了本實(shí)驗(yàn)。本文提供了10名同學(xué)粉末痱子粉樣品數(shù)據(jù)及5名學(xué)生的軟膏樣品數(shù)據(jù)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將學(xué)生數(shù)據(jù)中氧化鋅含量對(duì)比進(jìn)行匯總,列于表4和表5中。
表4 學(xué)生使用痱子粉樣品獲得的氧化鋅含量的比較
表5 學(xué)生使用軟膏樣品獲得的氧化鋅含量的比較
學(xué)生們對(duì)痱子粉和皮膚軟膏的分析結(jié)果分別顯示在表4和表5中。每個(gè)結(jié)果都代表了每個(gè)學(xué)生三次單獨(dú)測(cè)定的平均值。結(jié)果顯示:粉末法測(cè)定值的RSD值范圍從0.10%到0.50%,軟膏法從0.22%到0.41%。學(xué)生測(cè)定值與標(biāo)簽數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差(Er/%)分別為:痱子粉為-0.98% - 0.05%,皮膚軟膏為-0.53% - 0.16%。在滑石粉的分析中,10項(xiàng)分析的相對(duì)誤差全部低于±1%,在軟膏的分析中,5項(xiàng)分析的相對(duì)誤差全部低于±1%。比較二者的相對(duì)誤差,發(fā)現(xiàn)痱子粉樣品相對(duì)誤差比較大,可能是因?yàn)轲蜃臃蹣悠贩勰┹^細(xì),對(duì)離子吸附較強(qiáng),學(xué)生過(guò)濾樣品時(shí)洗滌不夠充分,痱子粉中氧化鋅含量較少,導(dǎo)致誤差相對(duì)較大??傊@得數(shù)據(jù)誤差的原因可能是學(xué)生缺乏經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致樣品污染、技術(shù)儀器錯(cuò)誤、乙酸乙酯提取過(guò)程中樣品丟失,以及超過(guò)了滴定的終點(diǎn)。
文中提及的配位滴定法內(nèi)容,在定量分析課程教學(xué)中是十分重要的。本實(shí)驗(yàn)從痱子粉和軟膏兩種不同狀態(tài)的藥物樣品中提取待測(cè)成分,應(yīng)用過(guò)濾、萃取和滴定等技術(shù)進(jìn)行分析測(cè)定,不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且還鍛煉了他們解決問(wèn)題的能力,同時(shí)也豐富了教學(xué)內(nèi)容。實(shí)際樣品的分析不同于定量分析中教材上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),增加了樣品預(yù)處理環(huán)節(jié),為了得到待測(cè)試液,須除去干擾雜質(zhì)而采取萃取和過(guò)濾等步驟,將分析化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)聯(lián)系起來(lái),既彌補(bǔ)了理論教學(xué)中往往缺乏實(shí)際樣品分析內(nèi)容,又鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。另外整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生學(xué)會(huì)了如何評(píng)價(jià)一種實(shí)驗(yàn)方法是否準(zhǔn)確,以及如何從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度比較實(shí)驗(yàn)測(cè)定值和預(yù)期值的關(guān)系。
該實(shí)驗(yàn)已成功地應(yīng)用于我?;瘜W(xué)專業(yè)學(xué)生的定量分析實(shí)驗(yàn)課程中。通過(guò)總結(jié)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生的反饋,使用真實(shí)的樣品對(duì)吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有重要作用。為提高學(xué)生在實(shí)際教學(xué)中的積極性,增強(qiáng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技術(shù),建議在實(shí)際教學(xué)中多分析日常使用的樣品。