第一届广东省大学生化学实验竞赛 实验操作试题 B 参考答案及评分标准.docx
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第一届广东省大学生化学实验竞赛实验操作试题B参考答案及评分标准
实验操作竞赛试卷B参考答案
四种金属离子混合液的定性和定量分析
竞赛内容
实验操作
实验报告
实验思考
总分
分数
30
55
15
100
得分
重要说明：
↘本实验操作竞赛时间为8:
00-16:
00（包括回答思考题）。
每超时10min扣2分，最多不能超时30min（以10min为计时单位，不足10min按10min计）。
↘实验开始的2小时内，如实验失败，报监考老师同意后可重做，但要扣去5分。
↘安全注意事项：
有些试剂有不同程度的毒性，实验操作要在通风良好的地方进行。
↘实验期间，必须佩戴防护眼镜。
↘配发的玻璃器皿已按照化学实验基本要求进行了洗净。
↘提供给每位选手使用的各类溶剂量已足够，请节约使用。
如需增加使用溶剂，将被扣分。
一、实验目的
本实验侧重混合溶液中几种金属离子的定性和定量分析，涉及标准溶液的配制和标定，以及实际样品的测定。
目的在于考察选手对分析化学实验基本操作掌握的规范与熟练程度，也考察选手运用实验技能和相关化学知识解决实验问题的能力。
二、实验内容
实验题目：
四种金属离子混合液的定性和定量分析
某未知混合试液含有Fe3+、Cu2+、Ni2+、Pb2+离子，浓度均为约0.1mol·L-1，根据下列提示，请完成以下内容：
（1）确证混合液含有Fe3+、Cu2+、Ni2+、Pb2+离子；
（2）采用络合滴定分析方法，分别测定混合液中各组分的含量（g·L-1）。
要求：
1.简述实验的基本原理；
2.设计实验方案和步骤；
3.撰写实验报告（包括：
列出相应的数据处理表格；写出本实验过程中涉及的所有化学方程式或离子方程式；各组分含量的计算公式。
）；
4.结果与讨论。
相关内容提示：
1.K4[Fe（CN）6]：
在稀酸介质中，K4[Fe（CN）6]与Fe3+试剂生成深蓝色的普鲁士蓝沉淀；与Co2+、Ni2+生成淡绿色沉淀；中性或弱酸介质中，与Cu2+生成红棕色沉淀。
2.NH4SCN：
Fe3+与SCN-生成红色可溶性的络合物，加入KF，则红色褪去，确定有Fe3+。
Co2+与SCN-生成蓝色络合物；Zn2+与SCN-生成无色络合物。
3.K2CrO4：
在弱酸介质中，以Pb2+与CrO42-反应生成黄色PbCrO4沉定来检定Pb2+，必要时加入NaOH溶液，将沉淀溶解，以确证Pb2+的存在。
Ni2+与CrO42-反应同样生成黄色沉定。
4.在近中性或氨性介质（pH=5~10）中，Ni2+与丁二酮肟生成鲜红色丁二肟镍沉淀。
5.磺基水杨酸是EDTA滴定Fe3+的最佳指示剂。
滴定条件：
pH=1.5~2.5，加热到40~50C，整个滴定过程保持这个温度，紫红色→黄色。
三、试剂、材料和仪器
3.1主要试剂
试剂：
金属离子混合液，EDTA二钠盐（Na2H2Y·2H2O）（分析纯），金属Zn（分析纯，基准物质），以及相关的试剂。
指示剂：
2%的磺基水杨酸，0.2%的二甲酚橙。
3.2实验仪器：
3.2.1公用仪器
（1）电子天平
（2）电子台秤
（3）烘箱
（4）精密pH试纸（或pH计）
3.2.2个人仪器
实验柜已提供必备的各种仪器，如额外需要，请和监考老师联系。
四、相关物质的有关常数
1.物质的摩尔质量
分子式
Na2H2Y·2H2O
Zn
Fe
Cu
Ni
Pb
摩尔质量/g·mol-1
372.24
65.39
55.85
63.55
58.69
207.2
2.logKFe（III）Y=25.10，logKCuY=18.80，logKNiY=18.62，logKPbY=18.04。
3.Ksp[Fe（OH）3]=4.0×10-38，Ksp[Cu（OH）2]=2.2×10-20；
Ksp[Ni（OH）2]=2.0×10-15，Ksp[Pb（OH）2]=1.2×10-15。
4.酸效应系数
EDTA的lgαY（H）值
pH
lgαY（H）
pH
lgαY（H）
pH
lgαY（H）
pH
lgαY（H）
pH
lgαY（H）
0.0
23.64
2.5
11.90
5.0
6.45
7.5
2.78
10.0
0.45
0.1
23.06
2.6
11.62
5.1
6.26
7.6
2.68
10.1
0.39
0.2
22.47
2.7
11.35
5.2
6.07
7.7
2.57
10.2
0.33
0.3
21.89
2.8
11.09
5.3
5.88
7.8
2.47
10.3
0.28
0.4
21.32
2.9
10.84
5.4
5.69
7.9
2.37
10.4
0.24
0.5
20.75
3.0
10.60
5.5
5.51
8.0
2.27
10.5
0.20
0.6
20.18
3.1
10.37
5.6
5.33
8.1
2.17
10.6
0.16
0.7
19.62
3.2
10.14
5.7
5.15
8.2
2.07
10.7
0.13
0.8
19.08
3.3
9.92
5.8
4.98
8.3
1.97
10.8
0.11
0.9
18.54
3.4
9.70
5.9
4.81
8.4
1.87
10.9
0.09
1.0
18.01
3.5
9.48
6.0
4.65
8.5
1.77
11.0
0.07
1.1
17.49
3.6
9.27
6.1
4.49
8.6
1.67
11.1
0.06
1.2
16.98
3.7
9.06
6.2
4.34
8.7
1.57
11.2
0.05
1.3
16.49
3.8
8.85
6.3
4.20
8.8
1.48
11.3
0.04
1.4
16.02
3.9
8.65
6.4
4.06
8.9
1.38
11.4
0.03
1.5
15.55
4.0
8.44
6.5
3.92
9.0
1.28
11.5
0.02
1.6
15.11
4.1
8.24
6.6
3.79
9.1
1.19
11.6
0.02
1.7
14.68
4.2
8.04
6.7
3.67
9.2
1.10
11.7
0.02
1.8
14.27
4.3
7.84
6.8
3.55
9.3
1.01
11.8
0.01
1.9
13.88
4.4
7.64
6.9
3.43
9.4
0.92
11.9
0.01
2.0
13.51
4.5
7.44
7.0
3.32
9.5
0.83
12.0
0.01
2.1
13.16
4.6
7.24
7.1
3.21
9.6
0.75
12.1
0.01
2.2
12.82
4.7
7.04
7.2
3.10
9.7
0.67
12.2
0.005
2.3
12.50
4.8
6.84
7.3
2.99
9.8
0.59
13.0
0.0008
2.4
12.19
4.9
6.65
7.4
2.88
9.9
0.52
13.9
0.0001
5.酸效应曲线
五、实验内容
5.1基本原理
5.1.1定性分析
采用K4[Fe（CN）6]或NH4SCN，鉴定Fe3+。
利用HCl沉淀Pb2+，根据PbCl2易溶于热水，并在弱酸介质中，Pb2+与CrO42-反应生成黄色PbCrO4沉定来鉴定Pb2+，必要时加入NaOH溶液，将沉淀溶解，以确证Pb2+的存在。
利用NH3·H2O将Fe3+、Pb2+与Cu2+、Ni2+分离为：
Fe（OH）3、Pb（OH）2和Cu（NH3）42+、Ni（NH3）42+。
滤液在弱酸（HAc）介质中，K4[Fe（CN）6]溶液与Cu2+生成红棕色沉淀鉴定Cu2+；在氨性介质中，Ni2+与丁二酮肟生成鲜红色丁二肟镍沉淀鉴定Ni2+。
5.1.2定量分析
根据Fe3+与Pb2+、Cu2+和Ni2+的稳定常数的差别（
），采用控制酸度的方法，测定Fe3+。
利用NH3·H2O将Fe3+、Pb2+与Cu2+、Ni2+分离为：
Fe（OH）3、Pb（OH）2和Cu（NH3）42+、Ni（NH3）42+。
过滤后的Cu（NH3）42+、Ni（NH3）42+滤液用酸中和，Na2S2O3掩蔽Cu2+，采用返滴定法测定Ni2+；利用返滴定法测定Cu2+、Ni2+总量，采用差减法，确定Cu2+的含量。
利用返滴定法测定Fe3+、Ni2+、Cu2+、Pb2+总量，采用差减法，确定Pb2+的含量。
5.2实验方案设计和步骤
1.0.02mol·L-1Zn2+标准溶液的配制
用干净的小烧杯（或称量纸）准确称取0.32-0.34g配制250mL0.02mol·L-1的锌溶液所需的纯锌片于150mL烧杯中，加入7.5mL6mol·L-1的HCl溶液，立即盖上表面皿，微热，待锌完全溶解后，以少量水冲洗表面皿和烧杯内壁，冷却后，定量转移至250.00mL的容量瓶中，以水稀释至刻度，摇匀。
计算其准确浓度。
2.0.02mol·L-1EDTA标准溶液的配制及标定
用洁净的500mL烧杯称取配制400mL0.02mol·L-1EDTA溶液所需的EDTA二钠盐（Na2H2Y·2H2O）固体3.0g，在烧杯中加水、温热溶解、冷却后转移入试剂瓶中，摇匀。
吸取10.00mL0.02mol·L-1的Zn2+标准溶液于锥形瓶中。
加入2滴二甲酚橙指示剂，滴加20%的pH=5.5的（CH2）6N4（六次甲基四胺）溶液至溶液呈现稳定的紫红色，再过量5mL。
用0.02mol·L-1EDTA溶液滴定至溶液由紫红色变为亮黄色即为终点。
平行标定三份，计算EDTA溶液的准确浓度。
数据记录和结果表达如表1所示。
表10.02mol·L-1EDTA溶液的标定
标定次数
1
2
3
/g
VEDTA/mL
CEDTA/mol·L-1*
/mol·L-1
单次测定偏差d/mol·L-1
相对平均偏差/%
*
mol·L-1
3.Fe的测定：
取原液10.00mL于100mL容量瓶中，以水稀至刻度，摇匀。
从中吸取10.00mL溶液于锥形瓶中，加入10mL0.01mol·L-1HNO3（pH=1.5~2.5），摇匀后，加热到40~50C（注意：
实验过程中应保持在40~50C）。
加入2%磺基水杨酸8滴，用0.02mol·L-1EDTA进行滴定，消耗体积为VEDTAmL，由紫红色变成黄绿色为终点。
平行测定三份，计算Fe的含量。
数据记录和结果表达如表2所示。
表2Fe含量的测定
测定次数
1
2
3
V/mL
10.00
VEDTA/mL
CFe/g·L-1*
/g·L-1
单次测定偏差d/g·L-1
相对平均偏差/%
*
g·L-1，
Fe3+定性分析：
取原液2滴于白色点滴板上，加入1滴定K4[Fe（CN）6]溶液，立即生成蓝色沉淀，示Fe3+存在。
或加1滴饱和NH4SCN溶液，溶液呈血红色，示有Fe3+。
加2滴20%KF溶液，则红色褪去，确定有Fe3+。
4．混合液预处理（Fe3+、Pb2+与Cu2+、Ni2+分离）
取原液10.00mL于150mL烧杯中，小心分次加入10mLNH3·H2O（1+1），再多加20mL浓氨水。
加热，微沸腾1min。
冷却，将沉淀与溶液一起转移至100.00mL容量瓶中，以水稀至刻度，摇匀。
干过滤（滤纸、漏斗、接滤液的烧杯都应是干的）。
过滤后的滤液含Cu（NH3）42+、Ni（NH3）42+；沉淀含Pb（OH）2、Fe（OH）3。
5．Ni的测定：
吸取滤液10.00mL于锥形瓶中，用2mol·L-1HCl酸化（留意能否观察到有沉淀产生后又溶解）。
加入10mLpH=5.5的20%（CH2）6N4缓冲液，加入10滴20%的KF溶液（除去过滤不完全的Fe3+），摇匀后再加入10%Na2S2O36mL（或加Na2S2O3至无色后多加1mL）。
加入过量的0.02mol·L-1EDTAV1mL，用0.02mol·L-1Zn2+标准溶液进行返滴定，消耗V2mL，以二甲酚橙为指示剂，亮黄色变成酒红色为终点。
平行测定三份，确定Ni的含量。
数据记录和结果表达如表3所示。
表3Ni含量的测定
测定次数
1
2
3
V滤液/mL
10.00
V1/mL
V2/mL
CNi/g·L-1*
/g·L-1
单次测定偏差d/g·L-1
相对平均偏差/%
g·L-1，
Ni2+定性分析：
取滤液2滴于白色点滴板上，加1%的丁二酮肟1滴，生成红色沉淀示有Ni2+存在。
6.Cu的测定：
吸取滤液10.00mL于锥形瓶中，用2mol·L-1HCl酸化（留意能否观察到有沉淀产生后又溶解）。
加入10mLpH=5.5的20%（CH2）6N4缓冲液，加入10滴20%的KF溶液（除去过滤不完全的Fe3+）。
加入V3mL过量的0.02mol·L-1EDTA，用0.02mol·L-1Zn2+标准溶液进行返滴定，以二甲酚橙为指示剂，滴定终点后，消耗V4mL。
平行测定三份，确定Cu的含量。
数据记录和结果表达如表4所示。
表4Cu含量的测定
测定次数
1
2
3
V滤液/mL
10.00
V3/mL
V4/mL
CCu/g·L-1*
/g·L-1
单次测定偏差d/g·L-1
相对平均偏差/%
g·L-1，
Cu2+定性分析：
取滤液2滴于白色点滴板上（或试管），加浓HAc至弱酸性，再加入2滴K4[Fe（CN）6]溶液，生成红棕色Cu2[Fe（CN）6]沉淀，示Cu2+存在。
7.Pb的测定：
吸取步骤3（Fe的测定）原液稀释液10.00mL于锥形瓶中，加入V5mL过量的0.02mol·L-1EDTA，加入10mLpH=5.5的20%（CH2）6N4缓冲液，用0.02mol·L-1Zn2+标准溶液进行返滴定，以二甲酚橙为指示剂，滴定终点后，消耗V6mL。
平行测定三份，确定Pb的含量。
数据记录和结果表达如表5所示。
表5Pb含量的测定
测定次数
1
2
3
V/mL
10.00
V5/mL
V6/mL
CPb/g·L-1*
/g·L-1
单次测定偏差d/g·L-1
相对平均偏差/%
g·L-1
g·L-1
Pb2+定性分析：
取5滴原液于离心管中，加入2滴定2mol·L-1HCl溶液于混合液中，充分搅拌并加热2分钟，冷却后，离心分离。
加5滴热水于沉淀上，滴加1滴6mol·L-1HAc溶液和2滴5%的K2CrO4溶液，如有黄色沉淀，示有Pb2+存在。
必要时可进一步加数滴2mol·L-1NaOH溶液，将沉淀溶解，以确证Pb2+存在。
六、结果报告
Fe3+、Cu2+、Ni2+和Pb2+测定报告
离子
Fe3+
Cu2+
Ni2+
Pb2+
含量/g·L-1
七、结果与讨论
八、思考题
1、（2分）何谓封闭效应？
在络合滴定中，采用EDTA滴定剂测定Fe3+、Cu2+、Ni2+、Pb2时，以二甲酚橙为指示剂，哪些金属离子对指示剂产生封闭效应？
答：
封闭效应是MIn的稳定性大于MY，则终点时MIn中的In不能被EDTA置换出来，虽加入过量的EDTA也观察不到终点，这种现象称为指示剂的封闭效应。
在Fe3+、Cu2+、Ni2+、Pb2中，Fe3+、Cu2+和Ni2+对二甲酚橙指示剂产生封闭效应。
2、（3分）何谓返滴定法？
返滴定法适合哪些情况？
如采用以下实验方法测定Ni2+:
在pH=5~6下，即先加入一定量过量的EDTA与Ni2+络合，然后用标准Zn2+溶液回滴剩余的EDTA。
该方法的合理性如何？
答：
返滴定法：
在试液中先加入一定量过量的EDTA标准液，剩余的EDTA再用加一种金属离子的标准溶液回滴。
根据两种标准溶液的浓度和用量，即可求得待测组分的含量。
返滴定法主要用于下列情况：
（1）直接滴定时没有合适的指示剂，或待测离子对指示剂有封闭作用。
（2）待测离子与EDTA的络合速度很慢。
（3）待测离子在滴定条件下发生水解或沉淀反应。
以上方法的实验条件非常合理。
在pH=5~6下，即先加入一定量过量的EDTA与Ni2+络合，然后用标准Zn2+溶液回滴过量的EDTA，由于Ni2+已与EDTA络合，不再封闭XO，故在回滴时可采用XO作指示剂。
3、（5分）Fe3+与Cu2+、Ni2+和Pb2+的混合液中，如何测定其中的Fe3+，其理论基础是什么？
请确定用0.02mol·L-1EDTA滴定Fe3+时的最低酸度和最高酸度？
络合滴定测定Fe3+时，应采取什么适宜的实验步骤？
答：
（1）根据Fe3+与Pb2+、Cu2+和Ni2+的稳定常数的差别（
），采用控制酸度的方法，测定Fe3+。
（2）0.02mol·L-1EDTA滴定Fe3+时，
最低酸度：
mol·l-1，pOH=11.9，pH=2.1。
最高酸度：
8=25.108=17.10，pH=1.1~1.2。
（3）Fe3+测定的测定具体步骤：
吸取Fe3+试液于锥形瓶中，加入10mL0.01mol·L-1HNO3（pH=1.5~2.5），摇匀后，加热到40~50C。
加入0.2%磺基水杨酸8滴，用0.02mol·L-1EDTA进行滴定，由紫红色变成黄绿色，根据消耗的EDTA体积，确定Fe3+的含量。
4、（5分）在混合液Fe3+、Pb2+与Cu2+、Ni2+分离的预处理中，可以采用以下步骤：
取原液10.00mL于150mL烧杯中，小心分次加入10mLNH3·H2O（1+1），再多加20mL浓氨水。
加热，微沸腾1min。
冷却，将沉淀与溶液一起转移至100.00mL容量瓶中，以水稀至刻度，摇匀。
干过滤（滤纸、漏斗、接滤液的烧杯都应是干的）。
请问：
（1）过滤后的滤液和沉淀各含哪些物质？
（2）干过滤中，为什么要保持滤纸、漏斗、接滤液的烧杯都应是干的？
（3）采用滤液进行分析时，用2mol·L-1HCl中和过量的NH3·H2O时，能观察到沉淀产生后又溶解，请解释其原因？
答：
（1）过滤后的滤液含Cu（NH3）42+、Ni（NH3）42+；沉淀含Pb（OH）2、Fe（OH）3。
（2）保持过滤后的溶液浓度不改变。
（3）去除多余NH3·H2O的目的是保证后面测定时所加入的缓冲溶液具有最大缓冲容量。
观察到有沉淀产生后又溶解，是由于在NH3·H2O过量的Cu（NH3）42+溶液中，随着HCl的加入，先生成Cu（OH）2，然后又变成CuCl2溶液。
评分标准
具体内容
选手编号
满分
得分
一．实验操作
1．天平的选取、称量和记录
2
2．溶液的配制及标定
5
3．滴定管的选择和使用
4
4．容量瓶的使用
3
5.移液管的使用
4
5.指示剂的选择
4
6．终点的控制
4
7．实验的流畅性
4
分数
30
二．实验报告
1．表格设计的合理性
5
2．数据记录
5
3．化学方程式及计算公式
5
4．实验结果*
40
分数
55
三．结果与讨论
1.
2
2.
3
3.
5
4.
5
分数
15
总分
100
*实验结果
Fe3+、Ni2+、Cu2+与Pb2+含量测定的实验结果（共40分，每组份各10分）
得分
10
8
6
4
相对误差/%
≤0.3
≤0.4
≤0.5
>0.5
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