大学化学, 2019, 34(9): 91-94 doi: 10.3866/PKU.DXHX201903014

化学实验

过氧化钙制备实验的改进——以鸡蛋壳为原料

彭敏, 石建新,, 王周, 李莲云

Improvement of the Experiment for Synthesis of Calcium Peroxide Using Egg Shells

PENG Min, SHI Jianxin,, WANG Zhou, LI Lianyun

通讯作者: 石建新, Email: cessjx@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2019-03-8   接受日期: 2019-04-8  

基金资助: 2017年中山大学校级质量工程项目“重点教材建设项目”

Received: 2019-03-8   Accepted: 2019-04-8  

Fund supported: 2017年中山大学校级质量工程项目“重点教材建设项目”

摘要

从提高学生环保意识和激发学生实验兴趣出发,以鸡蛋壳代替氯化钙为原料制备过氧化钙。设计蛋壳预处理过程,提出适合学生操作的由蛋壳制备氯化钙溶液的步骤。优化了教材方案中的双氧水和氨水用量。最终产品无水过氧化钙的产率在70%左右,纯度大于75%。

关键词: 鸡蛋壳 ; 过氧化钙

Abstract

Instead of calcium chloride, we used egg shells as material in the experiment for synthesis of calcium peroxide. This could help to improve students' environmental consciousness and stimulate students' interest in experiment. We designed procedures for egg shells pre-treatment and the synthesis of calcium peroxide, which were suitable for students. The amount of hydrogen peroxide and ammonia was optimized. The yield of anhydrous calcium peroxide was about 70% with a great than 75% purity.

Keywords: Egg shell ; Calcium peroxide

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彭敏, 石建新, 王周, 李莲云. 过氧化钙制备实验的改进——以鸡蛋壳为原料. 大学化学[J], 2019, 34(9): 91-94 doi:10.3866/PKU.DXHX201903014

PENG Min. Improvement of the Experiment for Synthesis of Calcium Peroxide Using Egg Shells. University Chemistry[J], 2019, 34(9): 91-94 doi:10.3866/PKU.DXHX201903014

过氧化钙是一种环境友好的无机产品,由于其良好的杀菌、消毒、漂白、增氧作用而在环境保护、食品、水产养殖等领域有广泛使用[1-6]。过氧化钙具有实用、环保的特性,在制备过氧化钙实验的教学中可以向学生灌输环保理念,能激发学生的实验兴趣。

过氧化钙的常见制备方法有两种[7]:(1) CaCl2·6H2O与H2O2及NH3·H2O反应;(2) Ca(OH)2与H2O2、NH4Cl反应。在实验教学中也有以碳酸钙[8] (或大理石)为原料的,但以蛋壳为原料则未见有报道。蛋壳含有丰富的钙,其质量的95%是碳酸钙[9]。我国是一个禽蛋生产、消费大国,鸡蛋产量和消费量连续20多年稳居世界第一,而每年废弃的鸡蛋壳约有400万吨,造成了严重的环境污染和资源浪费,不利于经济的可持续发展[10]。蛋壳作为原料常见易得,实验以蛋壳代替氯化钙,属于废弃物再利用,有利于提高学生的环保意识。通过该实验,学生可将生活中常见的鸡蛋壳变废为宝,这展现了化学的魅力,能更好地激发他们的实验兴趣。

1 实验部分

1.1 实验试剂与主要仪器

鸡蛋壳(市售鸡蛋取壳),二水合氯化钙(AR),30%双氧水(AR),浓氨水(AR),无水乙醇(AR),磷酸钙(AR),MnSO4 (0.1 mol·L-1),HCl (6 mol·L-1,2 mol·L-1),KMnO4 (0.02 mol·L-1),草酸钠(GR),1-14广泛pH试纸。

电子分析天平(梅特勒-托利多EL204),电子秤(梅特勒-托利多PL602-E),烘箱(上海一恒DZF-6050),电热磁力搅拌器(IKA C-MAG HS7),陶瓷研钵,酸式滴定管,铜水浴锅,锥形瓶,烧杯,搅拌子,表面皿,玻璃棒,温度计,刮铲等。

1.2 实验方案

1.2.1 鸡蛋壳的预处理

鸡蛋壳内壁有一层蛋白薄膜,在进行反应之前应尽量去除。称取7 g干燥的鸡蛋壳于研钵中,尽量研碎,转入250 mL烧杯中,加入大量自来水,并用玻璃棒剧烈搅拌冲洗,使得鸡蛋壳和膜的碎屑分离,趁膜的碎屑悬浮在水中时用倾析法倾出。重复此洗涤操作数次至水澄清无明显杂质,然后将水倾出。

1.2.2 鸡蛋壳制备氯化钙溶液

往洗净的鸡蛋壳里边搅拌边滴加17 mL 6 mol·L-1 HCl,滴加完毕后,搅拌的同时温热反应10 min,然后加热至沸,待小泡沫消除并形成较多大气泡时停止加热。冷却后抽滤,滤液转入100 mL烧杯,滤渣用30 mL纯水分数次洗涤并抽滤,合并滤液,得CaCl2溶液。

1.2.3 过氧化钙的制备

将10 mL 30% H2O2溶液与10 mL浓氨水混合,并加入l mL乙醇和0.2 g Ca3(PO4)2 (反应过程中加入微量Ca3(PO4)2及少量乙醇,可以增加CaO2的化学稳定性,从而提高产率[7])。用冰水分别冷却氯化钙溶液和双氧水-氨水溶液,待冷却至10 ℃以下后,在剧烈搅拌和继续冰冷条件下将双氧水-氨水溶液缓慢滴加至氯化钙溶液中。滴加完毕后停止搅拌,继续用冰水冷却约30 min。抽滤,并用少量冰水洗涤3次,抽干后,在120 ℃的烘箱中干燥0.5 h左右,冷却、称重。

1.2.4 产品中过氧化钙含量的测定

准确称取0.05-0.06 g CaO2产品于锥形瓶中,加入30 mL蒸馏水和10 mL 2 mol·L-1 HCl,完全溶解后加入几滴0.1 mol·L-1 MnSO4溶液,用已标定的0.02 mol·L-1 KMnO4标准溶液滴定至终点。

2 结果与讨论

2.1 蛋壳制备氯化钙溶液

实验教材使用的原料为7 g CaCl2·2H2O,含钙元素1.9 g。林莹等[11]的研究表明1 g鸡蛋壳含钙313 mg,粗略按30%计算,可得7 g CaCl2·2H2O与6.3 g鸡蛋壳的含钙量相当。考虑到鸡蛋壳内壁有一层蛋白薄膜不能参与反应,因此原料蛋壳选用7 g为宜。

在与盐酸进行反应前须对蛋壳进行预处理,包括研碎、清洗、去除蛋白膜。由于蛋壳密度比蛋白膜大的多,前者在水中沉降速度更快,可在搅拌清洗的时候趁蛋白膜悬浮水中利用倾析法分离。虽然不能彻底去除蛋白膜,但此法简单快速,适合学生操作。

通过实验对比,研碎蛋壳,可以促进其溶解在盐酸中的速度,但由于蛋壳含有少量的蛋白质成分[11],在其碳酸钙成分与盐酸反应时,其蛋白质成分也会进入反应液中,在生成的二氧化碳作用下形成大量难以消融的细小泡沫,反应体系体积迅速增大,如果以100 mL烧杯为反应容器,容易导致反应物冲出烧杯造成损失,因此,反应在250 mL烧杯内进行。

加热可以加速反应进行,反应结束后加热沸腾的目的是为了破坏其中的蛋白质成分,从而起到消泡的作用,同时也可除去部分未反应盐酸。过氧化钙是由CaCl2在碱性条件下与H2O2反应得到的,若CaCl2溶液中盐酸含量高会需要更多的氨水参与反应,显然不够经济环保,也不利于后续反应的进行。用试纸测所制备CaCl2溶液pH为4左右。

2.2 双氧水、氨水用量的确定

以氯化钙为原料,按教材方案[7]“将7 g CaCl2·2H2O溶于10 mL蒸馏水;另将30 mL 30% H2O2与5 mL浓氨水混合”进行实验,从学生实验结果数据可见过氧化钙产率普遍很低(见表1),最高只有50%左右,15个学生的平均产率为40%。

表1   用量为30 mL 30% H2O2与5 mL浓氨水时的产率

编号产品质量(m)/g产率(Y)/%
11.4840.8
21.0428.7
31.4239.1
40.9726.7
51.2133.3
61.8450.7
71.8250.1
81.6244.6
91.2233.6
101.7147.1
111.5442.4
121.3938.3
131.4339.4
141.8250.1
151.1431.4

7.00 g CaCl2·2H2O可制备出3.43 g CaO2,另加入了0.2 g Ca3(PO4)2,故产品产量最大为3.63 g

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CaCl2在碱性条件下与H2O2反应得到CaO2·8H2O沉淀,反应方程式如下:

${\rm{CaC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{\cdot}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 6}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O = Ca}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{\cdot8}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl}}$

根据式(1)计算,7 g CaCl2·2H2O完全反应需要5 mL 30% H2O2与7 mL浓氨水,而教材的氨水用量为5 mL [7] (此时NH3/Ca2+摩尔比为1.5),显然不够。钱林平等[12]提出NH3/Ca2+摩尔比为2或更高时产率较高,据此计算氨水至少需要7 mL;考虑到30% H2O2易分解,浓氨水易挥发,这两种试剂在平时的存储中都不够稳定,实际含量和其标签值相比有一定程度的降低,因此我们在理论需求量(5 mL 30% H2O2与7 mL浓氨水)的基础上有所增加,两者都调整为10 mL。学生按照修改后的用量实验,产率有大幅提升,15个学生的平均产率为84%,见表2。因此,在以鸡蛋壳为原料进行实验时,双氧水和氨水的用量也确定为10 mL。

表2   30% H2O2与浓氨水用量均为10 mL时的产率

编号产品质量(m)/g产率(Y)/%
12.8478.2
22.7174.7
33.2790.1
43.0684.3
53.1085.4
63.5597.8
72.9882.1
83.0082.6
92.9180.2
102.8578.5
112.9079.9
123.3592.3
132.7776.3
143.3090.9
153.0182.9

7.00 g CaCl2·2H2O可制备出3.43 g CaO2,另加入了0.2 g Ca3(PO4)2,故产品产量最大为3.63 g

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2.3 产品相关数据分析

以鸡蛋壳为原料制得无水过氧化钙产品为淡黄色粉末。三次实验的产率平均为72.4%,相关数据见表3

表3   鸡蛋壳制备无水过氧化钙

测定次数蛋壳质量(m)/g产品质量(m)/g产率(Y)/%
17.003.0275.9
27.022.7468.8
37.002.8872.4

蛋壳含钙量按30%计算,另加入了0.2 g Ca3(PO4)2,故产品产量最大为3.98 g

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测定了表3测定次数1的产品中无水过氧化钙含量,结果详见表4,含量平均为77.8%。

表4   产品中过氧化钙含量的测定

测定次数样品质量(m)/gKMnO4体积(V)/mL含量(P*)/%
10.052411.3278.6
20.059012.4877.0
30.055711.9077.7

*P = 5cVM/(2m × 1000) × 100%,式中c为KMnO4标准溶液的浓度,由优级纯草酸钠进行标定得c = 0.02019 mol·L-1M为无水过氧化钙分子量72.08

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3 结语

实验以废弃鸡蛋壳代替氯化钙作为原料制备过氧化钙,变废为宝,能很好地提高学生环保意识和激发其实验兴趣。实验中,蛋壳经过研碎、清洗,与盐酸反应得到CaCl2溶液,最后再与双氧水-氨水混合溶液反应得到过氧化钙。由于含有少量的蛋白质,在蛋壳与盐酸的反应中会形成大量的泡沫,可通过加热煮沸消泡,同时也能去除体系中未反应的盐酸。由蛋壳制备无水过氧化钙的产率为70%左右,产品纯度在75%以上。

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