工业混合碱各组分含量测定——一种综合型实验方案设计

doi:10.3866/PKU.DXHX202202043

摘要/Abstract

摘要：

利用两类双指示剂法、BaCl₂法和电位滴定法等4种实验方法，分别测定了工业混合碱I (NaOH + Na₂CO₃)和混合碱II (Na₂CO₃ + NaHCO₃)溶液中NaOH、Na₂CO₃与NaHCO₃等3种成分的质量浓度(即单位体积溶液中组分质量)。计算和比较了不同分析方法测定结果的误差和标准偏差，对不同分析方法测定结果进行了显著性检验，并分析了产生误差及造成显著性差异的原因。结果表明：电位滴定法的准确度和精密度均较好，BaCl₂法的准确度和精密度较差；BaCl₂法与其他3种方法测定结果的数据之间存在显著性差异。本文内容不仅对工业混合碱中各组分含量测定方法提供了一个参考，而且为酸碱滴定实验教学提供了一个综合型实验项目的设计方案。

关键词: 混合碱, 双指示剂法, BaCl₂法, 电位滴定法, 显著性检验, 综合型实验方案设计

Abstract:

Four experimental methods, including two double-indicator methods, the BaCl₂ method and the potentiometric titration method were developed for determining the mass concentration (Mass of components in unit volume of solution) of NaOH, Na₂CO₃ and NaHCO₃ in two types of industrial mixed alkali solutions, i.e., solutions I (NaOH + Na₂CO₃) and II (Na₂CO₃ + NaHCO₃). Errors and standard deviations of the four analytical methods were calculated and compared based on the measurements. Significance tests were also performed on the results of the four methods, and possible factors/causes that led to poor accuracy and significant differences were also discussed. It was concluded from the experimental results that the potentiometric titration offered the highest accuracy and precision, whereas the BaCl₂ method suffered from the lowest accuracy and precision from among the four methods. The results also showed significant differences between the BaCl₂ method and the other three methods. This paper not only provides a reference for the accurate determination of each component in industrial bases, but also supplies a comprehensive experimental protocol for acid-base titration teaching experiments.

Key words: Mixed base, Double indicator method, BaCl₂ method, Potentiometric titration method, Significance test, Comprehensive experimental design

王园朝, 程和勇. 工业混合碱各组分含量测定——一种综合型实验方案设计[J]. 大学化学, 2023, 38(1): 199-205.

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链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202202043

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I1/199

图/表 6

表1

4种不同滴定方法测定两类混合碱组分质量浓度的计算公式"

		混合碱I (Na₂CO₃ + NaOH)	混合碱II (Na₂CO₃ + NaHCO₃)
混合样品总体积/mL		25.00	25.00
方法一	酚酞为指示剂消耗HCl平均体积/mL	V₁	V₃
	甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积/mL	V₂	V₄
	组分质量浓度ρ/(g∙L⁻¹)	${\rho _{NaOH}} = \frac{{({V_1} - {V_2}){c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaOH}}}}}}{{25.00\;}}$	${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{2{V_3}{c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;}}$
		${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{2{V_2}{c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;}}$	${\rho _{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{({V_4} - {V_3}){c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{{25.00\;}}$
方法二	酚酞为指示剂消耗HCl平均体积/mL	V₅	V₇
	甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积/mL	V₆	V₈
	组分质量浓度ρ/(g∙L⁻¹)	${\rho _{{\text{NaOH}}}} = \frac{{{\text{(2}}{V_5} - {V_6}){c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaOH}}}}}}{{25.00\;}}$	${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{2{V_7}{c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;}}$
		${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{2({V_6} - {V_5}){c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;}}$	${\rho _{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{({V_8} - 2{V_7}){c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{{25.00\;}}$
方法三	酚酞为指示剂消耗HCl平均体积/mL	V₉	–
	甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积/mL	V₁₀	–
	组分质量浓度ρ/(g∙L⁻¹)	${\rho _{{\text{NaOH}}}} = \frac{{{V_9}{c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaOH}}}}}}{{25.00\;}}$	–
		${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{({V_{10}} - {V_9}){c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;{\kern 1pt} }}$	–
方法四	第一化学计量点消耗HCl平均体积/mL	V₁₁	V₁₃
	第二化学计量点消耗HCl平均体积/mL	V₁₂	V₁₄
	组分质量浓度ρ/(g∙L⁻¹)	${\rho _{{\text{NaOH}}}} = \frac{{(2{V_{11}} - {V_{12}}){c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaOH}}}}}}{{25.00{\kern 1pt} \;}}$	${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{2{V_{13}}{c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;}}$
		${\rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{2({V_{12}} - {V_{11}}){c_{{\text{HCl}}}} \times \frac{{{M_{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{2}}}{{25.00\;}}$	${\rho _{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = \frac{{({V_{14}} - 2{V_{13}}){c_{{\text{HCl}}}} \times {M_{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}}{{25.00\;}}$

表1

图1

表2

表3

测定结果相关数据列表"

		混合碱I (Na₂CO₃ + NaOH)	混合碱II (Na₂CO₃ + NaHCO₃)
取混合样品体积V/mL		25.00	25.00
方法一	酚酞为指示剂消耗HCl平均体积V/mL	V₁ = 14.45	V₃ = 4.96
	甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积V/mL	V₂ = 4.95	V₄ = 14.85
	组分平均质量浓度$ \overline \rho $/(g∙L⁻¹)	$ {\overline \rho _{{\text{NaOH}}}} = 1.520 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.099 $	$ {\overline \rho _{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 3.323 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.103 $
方法二	酚酞为指示剂消耗HCl平均体积V/mL	V₅ = 14.47	V₇ = 4.95
	甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积V/mL	V₆ = 19. 40	V₈ = 19.69
	组分平均质量浓度$ \overline \rho $/(g∙L⁻¹)	$ {\overline \rho _{{\text{NaOH}}}} = 1.526 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.090 $	$ {\overline \rho _{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 3.289 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.099 $
方法三	酚酞为指示剂消耗HCl平均体积V/mL	V₉ = 9.23	–
	甲基橙为指示剂消耗HCl平均体积V/mL	V₁₀ = 19.48	–
	组分平均质量浓度$ \overline \rho $/(g∙L⁻¹)	$ {\overline \rho _{{\text{NaOH}}}} = 1.477 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.173 $	–
方法四	第一突跃点消耗HCl平均体积V/mL	V₁₁ = 14.38	V₁₃ = 4.98
	第二突跃点消耗HCl平均体积V/mL	V₁₂ = 19.41	V₁₄ = 19.93
	组分平均质量浓度$ \overline \rho $/(g∙L⁻¹)	$ {\overline \rho _{{\text{NaOH}}}} = 1.496 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.133 $	$ {\overline \rho _{{\text{NaHC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 3.306 $ $ {\overline \rho _{{\text{N}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}} = 2.112 $

表3

表4

表5

参考文献 15

1	武汉大学分析化学实验, 第5版北京: 高等教育出版社, 2016.
2	华中师范大学等分析化学实验, 第4版北京: 高等教育出版社, 2011.
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12	武汉大学分析化学, 第5版北京: 高等教育出版社, 2016.
13	华中师范大学等分析化学, 第4版北京: 高等教育出版社, 2011.
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15	华东理工大学化学系等分析化学, 第5版北京: 高等教育出版社, 2008.

混合碱样品类型	ρ_NaOH/(g∙L⁻¹)	ρ_Na2CO3/(g∙L⁻¹)	ρ_NaHCO3/(g∙L⁻¹)
混合碱I样品溶液	1.504	2.121
混合碱II样品溶液		2.121	3.362

测定方法	ρ_NaOH/(g∙L⁻¹)							E_r/%	S	RSD/%
测定方法	1	2	3	4	5	平均值$ \bar x $	理论值T	E_r/%	S	RSD/%
方法一	1.526	1.501	1.532	1.523	1.518	1.520	1.504	1.1	0.0012	0.77
方法二	1.521	1.531	1.509	1.520	1.549	1.526		1.5	0.0015	0.99
方法三	1.422	1.498	1.468	1.520	1.477	1.477		−1.8	0.0037	2.5
方法四	1.481	1.501	1.485	1.497	1.516	1.496		−0.53	0.0014	0.93
ρ_Na2CO3/(g∙L⁻¹) (注：以混合碱I中的Na₂CO₃计算)								E_r/%	S	RSD/%
方法一	2.065	2.091	2.107	2.075	2.157	2.099	2.121	−1.0	0.0036	1.7
方法二	2.056	2.073	2.043	2.150	2.128	2.090		−1.5	0.0047	2.2
方法三	2.133	2.186	2.152	2.118	2.276	2.173		2.5	0.0063	2.9
方法四	2.143	2.150	2.138	2.142	2.092	2.133		0.56	0.0023	1.1
ρ_NaHCO3/(g∙L⁻¹)								E_r/%	S	RSD/%
方法一	3.314	3.345	3.276	3.358	3.322	3.323	3.362	−1.2	0.0032	0.95
方法二	3.278	3.302	3.275	3.269	3.321	3.289		−2.2	0.0022	0.66
方法四	3.374	3.369	3.302	3.365	3.340	3.350		−0.36	0.0030	0.89

NaOH质量浓度测定
	方法二	方法三	方法四
方法一	不存在显著差异	存在显著性差异	存在显著性差异
方法二	−	存在显著性差异	不存在显著性差异
方法三	−	−	存在显著性差异
Na₂CO₃质量浓度测定
方法一	不存在显著差异	不存在显著性差异	不存在显著性差异
方法二	−	存在显著性差异	不存在显著性差异
方法三	−	−	存在显著性差异
NaHCO₃质量浓度测定
方法一	不存在显著差异	−	不存在显著性差异
方法二	−	−	存在显著性差异

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