研究生设计与研究实验指导课

在春天里成长分析化学开放创新实验•开放创新（设计）实验：•给定实验题目、要求，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。•学生亲身体验一次实验研究过程•教学形式开放实验目的开放实验教学，培养独立工作能力；针对实际样品设计可行性分析方案；综合运用实验技能；培养查阅资料能力，运用知识的能力。增加生活常识，健康把握在自己手中。创新实验类别•蔬菜、食品中钙、镁、铁含量的测定•蔬菜、水果中维生素C的测定•蔬菜中草酸根含量的测定•食品、食品添加剂和药品中铝含量的测定•水、土壤中相关化学组分的分析•草酸合铁酸钾合成及各组分的确定•熟食类食品中亚硝酸根含量的测定•科研成果简化后转化为创新实验题目•学生自带题目，如：食品、药物、补钙冲剂、牛奶、饮料等相关内容。4概念与技术要点多•化学合成与提取技术•样品化学处理技术•滴定理论与技术•分光光度法理论与技术•标准溶液的配制与标定•干扰消除理论与技术•实验结果的表达与数据处理•推断化学组成•相关实验设备使用与维护等5特点涉及领域宽泛•化学学科—无机化学有机化学分析化学•其他领域—食品分析药物分析营养学环境学公共健康等6特点开放式设计研究实验样品钙、镁、铁对人体作用与食物来源•人体需要营养素，提供生长、发育、生命活动的需要。•营养素：蛋白质、糖、脂类、维生素、•无机盐、水六大物质。•无机盐（Ca、Mg、Fe、K、P等）又称矿物质，人体内无机盐有60多种，含量很少，占人体重（成人）的4%。其中有11种是主要的:•C、H、O、N、S、P、Cl、K、Ca、Mg、Fe•它是维持正常生理机能不可缺少的物质。•1.钙•人体从食物中摄取钙主要是氯化钙、磷酸钙、草酸钙、脂肪酸钙等等。其中只有氯化钙溶于水，其余都较难溶于水，不易被人体吸收。•Ca存在什么组织内？•人体中的钙99%存在于骨骼和牙齿中。•Ca在人体中的作用功能？–能促进骨、牙齿的正常生长。–钙是血液凝固的必须要素，是许多酶的致活剂。–钙能调节心脏和神经功能，维持肌肉的紧张力。•缺钙症状•我国膳食多以含钙低的谷物和植物性食物为主，造成了全民缺钙，缺钙会导致骨质疏松、增生、四肢麻木、抽筋、高血压、糖尿病、儿童发育迟缓、挑食、盗汗、青少年生长痛等疾病。•钙的来源：•钙来源较丰富。动物性食物中奶类含量丰富，每100g里含有120mg钙。虾皮（2000mg/100g）、蟹、蛤蜊和蛋类含钙也较多。植物性食物绿叶菜和豆类也是钙的重要来源•钙的吸收情况•食物中的钙虽然较多，但由于各种因素的影响，大部分不能吸收。其影响因素有：•1．体内缺乏维生素D•2．草酸和植酸过多，与钙生成难溶性正磷酸钙，不利于钙的吸收和利用。•（人体中钙与磷的比例：成人：1∶1.5，儿童：1∶1）••人体日需钙量：•成人：600mg/日，•儿童：600～800mg/日，•青少年：1000～1200mg/日。•每天的食物中是否能满足呢？•自己可估算一下。•2．铁•成人体内含铁量3～4克，三分之二集中在血红蛋白内。•铁的含量虽少，但生理作用十分重要，它是血红蛋白的重要成分，能参与体内氧和二氧化碳的运送。•人体内长期缺铁或铁的吸收受到限制，会产生缺铁性贫血。铁过多也不行，大量食用高铁食物，会发生组织损坏，肝和脾功能障碍，皮肤色素沉着等病症。•铁的来源：•动物的肝、肾、蛋黄、豆类、木耳、海带等含铁丰富。奶含铁量较少，牛奶含铁量更低。长期用牛奶喂养的婴儿应补充含铁量丰富的食物。•铁的吸收情况：•人体对各种食物中的铁的吸收率一般为1-30%。•影响因素：1.无机铁比有机铁易吸收；2.二价铁比三价铁易吸收；3.胃酸及食物中抗坏血酸，可使三价铁还原为二价铁，有利于吸收（饭后吃水果有科学性）。•铁日需量：•成人每天铁的需要量为12mg，•少年生长期日需量为15mg，•一般膳食可以满足。3.镁•镁是人体必需的微量元素之一。对心脏血管具有重要的保护作用，有“心血管卫士”之称。人体如果缺镁，可导致心动过速、心律不齐及心肌坏死和钙化。•把镁称为生命活动激活剂是当之无愧的。•国外科学家研究指出，人到中年以后要“镁”食。即要多食含镁丰富的食物。心血管疾病，如冠心病、高血压、高血脂、心肌梗塞、糖尿病等多在人到中年之后发生，这与体内镁含量降低有关。•营养学家推荐的富镁且其它营养素均较齐全的食物有：•谷类：荞麦面、小米、玉米、高粱面等；豆类有黄豆、黑豆、蚕豆、豌豆、豇豆、豆腐等；•蔬菜、水果：雪里蕻、苋菜、芥菜、干蘑菇、冬菇、紫菜、杨桃、桂圆、花生、核桃仁、虾米、芝麻酱等。•紫菜含镁最高，每100克含460毫克，被誉为“镁元素的宝库”。•镁是人体中仅次于钾的细胞内正离子，它参与体内一系列新陈代谢过程，包括骨及细胞的形成，与神经肌肉和心脏功能有密切关系。如果缺镁，可导致肌肉无力，耐久力降低。男性为350毫克，女性为300毫克。•专家认为，在正常摄入食物的情况下，一般不存在缺镁和补镁的问题。•选择大豆、芝麻、海带、虾皮等。菜类：小白菜、芹菜、大头菜等，测定其中钙、镁、铁含量。•通过自己亲自测试，大家会了解到每天吃的食物中含钙、镁、铁量的情况，以此来指导自己饮食健康，把自己所学的知识与生活现实联系起来。资料来源1.食品分析方面参考书可在超星图书馆下载2.《食品科学》杂志校园网-图书馆-杂志名-查阅3.相关的教材《分析化学实验》（武大主编）高教出版社（第四版）4.网上查阅相关资料（搜索）设计方案要求•1.实验题目•2.作者姓名，单位（写到学号）。•3.前言（简单表述）•4.设计原理：总体设计思想，可用框图简单表示；设计中的理论计算（方案可行性），设计报告重点部分。要求做到思路清晰，理论正确，计算准确，步骤详细，测定结果的公式表达（量化依据）要准确、规范，固体试样用质量分数表示，水质试样用质量浓度表示。（可以灵活运用表格）•5.主要仪器和试剂：试剂选择要有依据，取量范围要有计算依据，配制、标定方法要有可行性操作规程。•6.分析测试方法：自拟的操作规程要有切实的可操作性，越详细越好。实验报告要求•设计实验报告是在设计总体思想的指导下，具体实施，取得实验成果后的具体体现。具体要求如下：•1-6同设计报告，•7.原始记录（要求齐全）。•8.实验结果与数据处理：设计实验报告的重点部分，体现实验成果的部分，要求列出三线格，表序、表头、表注均表达清楚。•9.参考文献•10.写出设计总结（心得体会、经验教训、误差分析、教学建议等）。•大豆中钙含量的测定•实验目的：•了解大豆样品分解处理方法，并能运用所学理论知识设计出测定其中钙含量的方法。•了解日常食物中该的含量，注意饮食质量，提高健康意识。•样品分解•┌─┴───┐•残渣Ca2+,Mg2+Fe3+,•┌──┴───┐•取一份另取一份•︱︱•pH=12,NaOHpH=10,NH3·H2O•┌─┴───┐︱•Ca2+,Mg(OH)2EDTA滴定•︱︱•EDTA滴定Ca2+,Mg2+•︱合量•Ca2+含量••实验原理简介•大豆中钙含量的参考值是367mg/100g，属于常量分析的范畴，可以考虑用络合滴定法进行测定，其原理如下：•大豆经粉碎处理后，在碱性溶液中以钙指示剂指示终点，用EDTA标准溶液滴定，其反应是：Ca2++H2Y=CaY+2H+依据消耗V(EDTA)计算样品中Ca2+的含量。•相关理论计算•1.EDTA滴定Ca2+适宜酸度范围及最佳酸度：•最高酸度：logαY(H)所对应的pH：•∵logKˊCaY=logKCaY－logαY(H)≥8•∴logαY(H)≤logKCaY－8=10.69－8=2.7•查表可得pH≥7.6•最低酸度：金属离子水解的酸度:•[OH-]=•=•=0.052mol·L-1•pOH=2-0.7=1.3•pH=12.72))((2CaCOHCaKsp51.3100.005•计算表明：•EDTA滴定Ca2+适宜酸度范围：•pH7.6—12.7。•选用钙指示剂，其logKCaIn=6.1；理解常数Ka1=10-12.4Ka2=10-8.1最佳酸度确定的相关理论计算见表1表1.采用钙指示剂最佳酸度的选择pHlogαY(H)logKˊcaYpCasplogαIn(H)logKˊCaInΔpCaT·E(%)8.01.978.725.734.31.8-3.39-8689.01.289.416.083.542.65-3.43-12410.00.1410.246.492.413.69-2.8-11.211.00.0710.266.681.424.48-2.0-1.112.00.0110.486.710.55.6-0.11-0.1413.00.000810.396.60.16.0-0.6-0.06结论：计算数据表明，EDTA滴定Ca2+在适宜的酸度范围，选用钙指示剂指示终点其最佳酸度应为pH=13。2.估算大豆试样称样量•滴定分析要求T·E0.2%,滴定效耗EDTA的体积是：25mL≤V(EDTA)≥20mL.•依据大豆试样参考值367mg/100g，可配制C(EDTA)=0.005mol·L-1，大豆称样量估算如下：•m=V(EDTA)×C(EDTA)×M(Ca)×וm1=20×0.005×40.078××≈10.9g••m2=25×0.005×40.078××≈13.6g大豆试样称量范围是：11-14g。00.250.250367.010000.250.250367.010000.250.250367.01003.估计基准物的称量范围:•EDTA采用基准物CaCO3标定，称取一定量的CaCO3，溶解后定容250.0mL，分取25.00mL平行五份，为满足滴定误差的要求，滴定时消耗EDTA的体积要在20-25mL之间，则基准物CaCO3称样量的称量范围是：•m1=20×0.005×100.1××≈0.1g•m2=25×0.005×100.09××≈0.13g250.025.00110001000100.250.250主要试剂•EDTA溶液0.005mol·L-1：•称取0.92gEDTA二钠盐，溶解后转移到500ml试剂瓶中，稀释摇匀。•20%NaOH•1：3三乙醇胺•1：1HCl•钙指示剂•基准物质CaCO3•实验步骤•1.EDTA溶液的标定:•用差减法准确称取0.1-0.12g基准物质CaCO3于小烧杯中。少量水润湿，盖上表面皿，从烧杯嘴处往烧杯中滴加5ml1：1HCl溶液，使CaCO3完全溶解。加水50mL,微沸几分钟以除去CO2。冷却后用水冲洗烧杯内壁和表皿。定量转移至250mL容量瓶中。定容，摇匀。•用移液管移取钙标准溶液25.00mL于锥形瓶中，加水至100mL，加7-8mL20%•NaOH溶液，加少许钙指示剂，用EDTA标注溶液滴定溶液由红色变为蓝色为终点。平行五份，计算EDTA的浓度。•大豆试样的处理：•在市场上购买的大豆用家用粉碎机粉碎后，称取12克置于蒸发皿中，在煤气炉上灰化、炭化完全，置于高温炉中650℃灼烧1小时。取出冷却后，加入10mL1：1HCl溶液浸泡20分钟，并不断搅拌，静止沉降，过滤。用250mL容量瓶承接，用蒸馏水洗沉淀、蒸发皿数次。定容、摇匀，待用。•大豆试样中钙含量的测定•用移液管移取上述溶液25.00mL于锥形瓶中，加5mL1：3三乙醇胺,加水至100mL，加7-8mL20%NaOH溶液，加少许钙指示剂，用EDTA标注溶液滴定溶液由红色变为蓝色为终点。平行3份，计算大豆试样中钙含量。结果与讨论表1EDTA溶液的标定实验项目12345称量瓶+CaCO3(倾出前)/g13.7964称量瓶+CaCO3(倾出后)/g13.6944称出CaCO3质量/g0.1020基准Ca的浓度/mol·L-10.004076V(Ca)/ml25.00V(EDTA)/ml19.6019.5019.6819.5219.50C(EDTA)/mol·L-10.0051990.0052260.0051780.0052210.005226C(平均)/mol·L-10.005210Sc/mol·L-10.00001Sc/C(%)0.2•注：1.C(EDTA)=mol·