《生物体中几种元素的鉴定检测》实验的教学改进 ——以栀子叶中钙与铁的含量测定为例

欧阳宇，白爱民，刘 晨，王红英

(湖北师范学院 化学化工学院， 湖北 黄石 435002)

0 前言

动、植物体内(如鸡蛋壳、树叶、动物骨头)含有许多化学元素，如常见的钙、铁、磷等，利用无机化学实验的基础知识可以鉴定或分离某些元素。实验中通常的鉴定过程(以鸡蛋壳、骨头为例)概括为：灰化——硝化——分解——检测，基本原理往往是将鸡蛋壳、骨头中的Ca、Fe、P等元素转化为Ca2+、Fe3+、PO43-，从而进一步通过加入其它试剂显示特征颜色或沉淀来粗略判断与检验。但在实际的实验操作中，却往往因为处理后的溶液中Ca2+、Fe3+、PO43-的含量不多而导致实验现象不明显，况且不同特征沉淀因其溶度积常数不同，即便是Ca2+、Fe3+、PO43-的浓度一样，加入的试剂离子浓度一样，产生沉淀的灵敏程度也不一样，甚至可能看不到白色或黄色沉淀，就无法给学生一种直观的印象，教学效果欠佳。再者，离子间的相互干扰没有消除也可能导致实验现象不明显甚至得出错误的结论，这些都是该实验中存在的不足，为了改进实验教学效果，让该实验操作简便而又现象明显，并让学生直接从实验数据中正确得出离子含量，本文通过EDTA配位滴定法测定栀子叶中钙与铁的存在，并确定其含量，从而让学生掌握几种离子的鉴定方法，掌握EDTA配位滴定法的测定原理，熟悉其操作方法，了解平行实验及对比实验是化学实验设计中经常使用的方法之一，从而分析环境对栀子叶的影响以及栀子叶不同生长时期钙与铁含量的差异，收到了较好的教学效果。

栀子是茜草科植物山栀(Gardenia jasminoides Ellis)的果实，临床用于急性黄疸型肝炎、止血、扭挫伤等疾病，可用于医药学[1]。近年来，环境污染对植物生长的影响受到了人们的高度关注，而关于环境污染对栀子树体内矿质元素含量的影响的研究报道较少。本实验将湖北师范学院学舍八栋附近的栀子叶和化学楼附近的栀子叶进行对比，用EDTA滴定法对栀子叶中钙和铁的含量进行鉴定与检测，并研究了环境污染对栀子叶中某些矿质元素含量的影响。同时，本实验还采集了同一生长地点、不同生长时期的栀子叶样本作为对比，验证了钙和铁在不同时期植物体内的含量差异，增强了学生的学习兴趣。

1 钙与铁测定原理

1.1 钙离子的测定

钙离子的测定采用EDTA滴定法。其原理是在pH≥12的溶液中，EDTA与Ca2+形成无色络合物，钙指示剂则能与Ca2+生成紫红色的络合物，而钙指示剂形成的络合物不如钙与EDTA形成的络合物稳定。所以，当在有钙指示剂存在的含Ca2+溶液中滴入EDTA溶液达终点时，过量滴定液便能夺取红色络合物中的Ca2+而使钙指示剂游离，于是溶液由紫红色变为蓝色，即为终点[2]。

1.2 铁离子的测定

在pH值为1.3～2的溶液中，磺基水杨酸与三价铁离子能形成紫红色络合物，但其络合强度远小于EDTA与三价铁的络合强度。因此在滴定到达终点时溶液颜色由紫红色变为Fe-EDTA络合物的淡黄色[3]。(要严格控制溶液的酸度)

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

2.1.1 试剂 HNO3(6 mol/L)、HNO3(浓)、NaOH(2 mol/L)、NH3·H2O(2 mol/L)、(NH4)2C2O4(饱和)、KSCN(0.1 mol/L)、EDTA(乙二胺四乙酸二钠，含量≥99.0%)、三乙醇胺(含量≥75%)、钙指示剂(含量≥70%)、磺基水杨酸(含量≥98.0%)、铝试剂、镁试剂等，均为分析纯试剂。

2.1.2 仪器 电热恒温干燥箱(型号：SKQ-01)；马弗炉(型号为SX2-25-12)；电子天平(型号为TD)；电炉；坩埚；蒸发皿；试剂瓶；移液管；锥形瓶；容量瓶；量筒。

2.2 样品的灰化

分别让学生选取学舍八栋附近和化学楼附近栀子树上的嫩叶、成熟叶和枯叶足量。将上述叶子洗净，分别放在贴有相应标签的容器中，自然晾干。将烘箱的温度设定为80℃，把叶子放入其中，干燥80min，以除去叶子中部分水分。然后将烘好的叶子放入蒸发皿中，用电炉加热灼烧成灰，以除去叶子中大部分的水分和部分有机物。将灰分分别倒入洁净的坩埚中，最后放入马弗炉中，设定温度为800℃，灰化3h，以尽可能除去易挥发的基体和有机物。将灰化好的样品，用样品袋分装好，贴上标签，密封保存。

2.3 定性检测

分别取0.16g的6种已灰化好的样品于离心试管中，编号为1,2,3,4,5,6(见表1)。

取1号样品，加入2mL 6mol/L HNO3溶液，振荡。反应完全后，离心。取上层清液，用蒸馏水将其稀释至4mL，分成两等份，编号为①②。分别检测其中是否含Fe3+、Ca2+.

在①中，加入2mol/L的NaOH溶液，调节pH=1～2(此pH下，颜色反应现象最明显)，加入1滴KSCN溶液，观察到溶液变成红色，即可证明有Fe3+存在。

在②中，加入2mol/L的NaOH溶液，调节pH=6～7(此pH下，颜色反应现象最明显)，再加入3滴饱和(NH4)2C2O4溶液，观察到溶液中有白色沉淀生成；再加入6mol/L的HAc溶液，观察到沉淀不溶解；再加入2mol/L的HCl溶液，观察到沉淀溶解，即可证明有Ca2+存在[4]。

按上述步骤，对2,3,4,5,6号样品采用同样操作，记录实验结果列于表2.

表1 不同地点不同时期的栀子叶

表2 定性测定栀子叶中钙和铁的结果

注：“+”表示存在，“-”表示不存在

2.4 定量检测

2.4.1 样品前处理 分别称取0.2g的6种样品于离心试管中，编号1,2,3,4,5,6(同3.2中相对应的编号)。

在1号中加入2mL浓HNO3，振荡。完全反应后，离心。取上层清液，用100mL容量瓶定容，保存备用。按上述步骤，将2,3,4,5,6号样品分别配制成100mL的溶液。

2.4.2 配制0.0050mol/L的EDTA溶液 称取1.86g的乙二胺四乙酸二钠固体，用蒸馏水将其溶解，配制成1000mL的EDTA溶液。

2.4.3 配制5%的磺基水杨酸溶液 称取1g磺基水杨酸固体，溶于19g水中，配制成5%的磺基水杨酸溶液。

2.4.4 滴定钙含量 用10.00mL的移液管取10.00mL的1号溶液于250mL的锥形瓶中，加入10mL三乙醇胺，振荡，摇匀；再滴加2mol/L的NaOH溶液，调pH=10～12，加入少量的钙指示剂，振荡，摇匀。用0.0050mol/L的EDTA溶液滴定，至溶液由紫色恰好变为蓝色。记下消耗EDTA的体积V，平行三次，取平均值[5]。

其它5组均按以上方法滴定，记录实验结果列于表3、表4.

2.4.5 滴定铁含量 用10.00mL的移液管移取10.00mL的1号溶液于250mL的锥形瓶中，加入2mol/L的NH3·H2O溶液，调节pH=1～2，加入7～8滴5%磺基水杨酸溶液，摇匀。将锥形瓶放在60℃的水浴中，用0.0050mol/L的EDTA溶液滴定，至溶液由粉红色变为浅黄色。记下消耗的EDTA的体积V，平行三次，取平均值。具体结果列于表3、表4.

表3 测定不同时期栀子叶(学舍八栋附近) 中钙和铁含量所消耗的EDTA体积(mL)

通过表3实验数据比较可知，学舍八栋附近的三种栀子叶中，钙含量均比铁含量高。

表4 测定栀子叶(化学楼附近)中钙和铁含量所消耗的EDTA体积(mL)

通过表4实验数据比较分析，化学楼附近的三种栀子叶中，钙含量均比铁含量高。

为了测定不同生长时期、不同地点栀子叶中钙的含量，我们对学舍八栋及化学楼取用的不同生长时期的栀子叶做了对比实验，具体结果列于表5.

表5 测定不同时期、不同地点栀子叶中钙含量所消耗的EDTA体积(mL)

通过表5实验数据比较可知，化学楼附近的三种栀子叶中的钙含量均比学舍八栋附近对应生长时期的三种栀子叶中的钙含量高。

为了多角度地比较不同生长时期、不同地点的栀子叶中钙与铁的含量，我们也进行了系列平行实验，具体结果列于表6至表8。

表6 测定不同时期、不同地点栀子叶中的铁含量所消耗的EDTA体积(mL)

分析表6实验数据得知，化环楼附近的三种栀子叶中的铁含量均比学舍八栋附近对应生长时期的三种栀子叶中的铁含量高。

表7 测定不同时期、不同地点栀子叶中钙含量所消耗的EDTA体积(mL)

表7实验数据显示，学舍八栋附近的三种栀子叶中钙的含量：枯叶>成熟叶>嫩叶；化学楼附近的三种栀子叶中钙的含量：枯叶>成熟叶>嫩叶。

表8 测定不同时期、不同地点栀子叶中铁含量消耗的EDTA体积(mL)

通过表8实验数据的比较可知，学舍八栋附近的三种栀子叶中铁的含量：成熟叶>枯叶>嫩叶；化学楼附近的三种栀子叶中铁的含量：枯叶>成熟叶>嫩叶。

4 结论

本文以栀子叶为例，总结了之前的教学过程中存在的不足，尝试定性测定及用EDTA配位滴定法定量测定不同地域、不同生长时期栀子叶中钙与铁的含量，分析环境对栀子叶的影响以及栀子叶不同生长时期钙与铁的含量差异，实验现象更加明显，同时，在实验过程中，让学生感受平行实验、对比实验是学习化学的过程中经常使用的方法之一，当然，为了增加本实验数据的可信度，在时间充足的情况下，还可对样品进行空白实验，并做空白扣除。鉴定及检测结果表明：

1)从测定结果中可以看到，每种样品的三份平行样品测定现象明显，结果相近且可靠。定性测定的结果显示，栀子叶中普遍都含有钙元素和铁元素，定量测定的结果显示，不同生长时期，不同生长地点的含量有所不同。

2)本实验通过定性和定量检测不同生长地点、不同生长时期的栀子叶，得出即使生长地点不同，同一生长时期的植株体内钙含量均高于铁含量的结论，为日后的普通无机化学验证性实验提供了实验参考。这一结论的得出，也得到钙铁相对含量与植株的生长需求有关的理论支持。钙是植物体内的大量元素，植物需要量相对较大；而铁是植物体内的微量元素，稍多反而对植物有害，甚至致其死亡。

3)通过分析本实验定量检测的实验数据，得出相同生长时期、不同生长地点的植株中钙和铁的相对含量不一样的结论，为环境监测提供了思考空间。化学楼附近的土壤、水分和空气等环境，由于受实验楼中实验废水和废渣的影响，出现了钙和铁含量高于学舍八栋附近环境中的钙和铁含量的现象。栀子树受环境影响，导致植株体内金属元素含量偏高。

4)通过分析本实验定量测定的实验数据，还可以得出相同地点、同种植株体内的钙含量随生长时间的增加而升高的结论，进一步验证了钙在植物体内不可或缺，且不易转移的事实。钙是细胞壁和胞间层的组成部分。钙对碳水化合物和蛋白质的合成过程，以及植物体内生理活动的平衡等，起着重要作用。钙在植物体中不易流动，所以老叶中含钙量比幼叶多。

本实验是对生物体内几种离子的鉴定的教学方法上的一种尝试及改进，旨在让学生掌握生物体内几种离子的鉴定方法及EDTA配位滴定法的原理及操作方法，可能在实验结论的误差上比原子吸收法大，但原子吸收法测定条件较高，不易于低年级的学生掌握和操作，如果学生进入高年级学习，掌握了相关测定原理及操作后，可以尝试让学生用原子吸收法或分光光度法来精确测定动植物体内几种离子的含量，那时候学生就会得心应手，水到渠成。

参考文献:

[1]谢学建，张俊慧，马爱华. 中药栀子研究进展[J]. 时珍国医国药，2000,11(10): 943～944.

[2]刘 宇. 钙与镁含量测定的几个要点及指示剂的改进[J]. 科技情报开发与经济，2007,17(13): 263～264.

[3]程芳婷，罗细珍，孙立忠. 常用的铁离子含量分析方法探讨[J]. 工业水处理，2007,27(1): 61～63.

[4]湖北师范学院无机化学教研室.无机化学实验[M]． 武汉：华中师范大学出版社,2012.

[5]华中师范大学. 分析化学实验[M]．北京：高等教育出版社,2007.