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四川农业大学第一届化学实验技能大赛
茶叶中无机元素（Fe、Al、Ca、Mg）的鉴定与测定

一、前言
茶叶的化学成分是由3.5-7.0% 的无机物和93～96.5%的有机物组成， 茶叶中的无机矿质元素约有27种，包括磷、钾、硫、镁、锰、氟、铝、钙、钠、铁、铜、锌、硒等多种。通过饮茶摄入的无机矿质元素能保持人体正常的糖代谢、有助于骨骼生长、维持体液平衡等。此外茶叶中也含有一些对人体有害的元素,如铝、铅、镉等,并且其浸出率均可达到60%。而过多的铝对人体的中枢神经系统、脑、肝、骨、肾、细胞、造血系统、人体免疫功能、胚胎等均有不良影响,铝可干扰孕妇体内的酸碱平衡,使卵巢萎缩,影响胎儿生长,并且影响机体磷、钙的代谢等
二、摘要
把茶叶加热灰化，某些元素形成易挥发物质逸出，其他元素留在灰烬中，用酸浸取，茶叶中无机离子进入溶液，所以可以从浸取液中鉴定测定Fe、Al、Ca、Mg元素，四种离子必须按一定条件进行鉴定和测定。
关键词：茶叶 无机离子 鉴定 测定
三、实验目的
1、了解并掌握鉴定茶叶中某些化学元素的方法。
2、学会选择合适的化学分析方法。
3、掌握配合滴定法测茶叶中钙、镁含量的方法和原理。
4、掌握分光光度法测茶叶中微量铁、铝的方法。
5、提高综合运用知识的能力。
四、实验原理
茶叶主要由C，H，N和O等元素组成，其中含有Fe，Al，Ca，Mg等微量金属元素，需先进行“干灰化”。 “干灰化”即试样在空气中置于敞口的蒸发皿后坩埚中加热，把有机物经氧化分解而烧成灰烬。灰化后经酸溶解,即可进行逐级分析。
四种金属离子氢氧化物完全沉淀的PH值
氢氧化物
Ca（OH
Mg(OH
Fe(HO
Al(HO
PH值
＞13
＞11
4.1
5.2-9
而PH＞9时，两性物质Al(HO又开始溶解。
铁铝混合液中Fe3+离子对Al3+离子的鉴定有干扰。利用Al3+离子的两性，加入过量的碱，使Al3+转化为离子留在溶液中，Fe3+则生成沉淀，经分离去除后，消除了干扰。钙镁混合液中Ca2+离子和Mg2+的鉴定互不干扰，可直接鉴定，不必分离。铁、铝、钙、镁各自的特征反应式如下：
Fe3+＋SC→血红色
Al3+＋铝试剂＋→红色絮状沉淀
Mg2+＋镁试剂＋天蓝色沉淀
Ca2+＋草酸盐＋→白色沉淀
根据上述特征反映的实验现象，可分别鉴定Fe、Al、Ca、Mg元素。
·对铁的测定
茶叶中铁含量较低，可用分光光度法测定。邻二氮杂菲（简写为phen)，是测定微量铁的较好试剂，在PH=2～9的范围内，二价铁离子与邻二氮杂菲生成及稳定的橘红色配合物［Fe（phen。配合物的lg=21.3(20℃)。
该配合物的最大吸收峰在510nm处，摩尔吸光系数=1.1×L·mo·c。
铁离子与邻二氮杂菲也能生成3：1的淡蓝色配合物，其lg=14.1。因此，显色之前应先预先用盐酸羟胺把Fe3+离子还原为F离子，其反应式如下：
2 Fe3+＋2N→2 F＋＋4＋2＋2
测定时，控制溶液的酸度在PH=5左右较为适宜，酸度高时，反应进行较慢；酸度太低，而F水解，影响显色。本测定方法不仅灵敏度高、稳定性好，而且选择性很高。
·对钙镁的测定
钙、镁含量的测定，可采用配合滴定法。在pH=10的条件下，以铬黑T为指示剂，EDTA为标准溶液。直接滴定可测得Ca，Mg总量。若欲测Ca，Mg各自的含量，可在pH>12.5时，使Mg2+离子生成氢氧化物沉淀，以钙指示剂、EDTA标准溶液滴定Ca2+离子，然后用差减法即得Mg2+离子的含量。
Fe3+, Al3+离子的存在会干扰Ca2+，Mg2+离子的测定，分析时，可用三乙醇胺 掩蔽Fe3+与Al3+。

·对铝的测定[1]
铝的测定方法主要有电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP)及ICP 质谱法联单(ICP-MS)、石墨炉原子吸收光度法、分光光度法、荧光分析法以及极谱法。随着有机试剂的不断发展和新的显色体系的出现，使铝的光度分析法测定的灵敏度和选择性有了较大程度的提高。 在pH6.5～7.0 范围内，铝(III)在表面活性剂OP 作用下和氯化十六烷基吡啶(CPC)的存在下与铬天青S(CAS)反应生成兰色的四元体系混合胶束。比色定量，其吸光度与铝的含量在一定浓度范围内成正比。结果表明，铝含量为0~3.3×mol/L 范围内，服从朗伯―比耳定律，该络合物在635nm 处具有最大吸光度，相关系数r=0.9968，其精密度(RSD)为2.92%，加标回收率在95%～105%之间。该分光光度法测定精度高且快速准确。

五、实验设备
·茶叶灰化所需设备
分析天平（0.1mg），马福炉，烘干箱,称量瓶，蒸发皿，研钵，1，50mL烧杯，250mL容量瓶（2个），250ml烧杯，长颈漏斗，滤纸，铁架台，酒精灯。
·鉴定Fe、Al、Ca、Mg所需设备
试管（4只） ，滴管（2只）滴定板，
·测定钙镁所需设备
酸式滴定管（50mL），锥形瓶（250 mL），移液管（25mL），容量瓶（250mL），烧杯（150mL），细口瓶（500mL），称量瓶（40mm×25mm）。
·测定铁所需设备
722型分光光度计，25ml容量瓶8只，100ml容量瓶一只，吸量管5ml5支 ，10ml 1支
·测定铝所需设备
722型分光光度计，25ml容量瓶8只，100ml容量瓶一只，吸量管5ml5支 ，10ml 1支

六、实验材料及试剂
·鉴定Fe、Al、Ca、Mg所需试剂
草酸铵溶液、铝试剂、KSCN溶液、镁试剂
·茶叶灰化所需试剂
HCl溶液(6 mol·L1) NH3·H2O溶液(6 mol·L-1) 6 mol·L-1NaOH
·测定钙镁所需试剂
HCl溶液(6 mol·L-1)，0.01 mol·L-1 EDTA标准溶液，0.01 mol·L-1 的钙标液，10% NaOH溶液，钙试剂（应配成1：100（NaCl）的固体指示剂），铬黑T指示剂（也应配成1：100（NaCl）的固体指示剂）， NH3.H2O-NH4Cl缓冲溶液（pH10），三乙醇胺水溶液（33%水溶液），蒸馏水。试剂均为分析纯。
0.01 mol·L-1钙标准溶液的配制及标定
准确称取0.2775g 无水CaCl2于小烧杯中，加水溶解，转移到250mL 容量瓶中，水稀释至刻度，摇匀备用，计算钙标准溶液的浓度c(Ca2+)。
0.01 mol·L-1EDTA溶液的配制及标定
0.01 mol·L-1EDTA 溶液的配制 准确称取1.9g乙二胺四乙酸（Na2H2Y·2H2O）于烧杯中，加300~400mL的温水溶解稀释至500mL，转移至500mL细口瓶中，摇匀。
0.01 mol·L-1EDTA溶液浓度的标定 用移液管准确移取25.00mL钙标准溶液于250mL锥形瓶中，加入约25mL水、2mL镁溶液、5mL 100g·L-1 NaOH溶液及约10mg钙指示剂，摇匀后，用EDTA标准溶液滴定至溶液由红色变为蓝色即为终点，记录所消耗的EDTA标液体积VEDTA。平行滴定3次，取平均值，计算EDTA的准确浓度。
10% NaOH溶液的配制
称取约12.5gNaOH固体于250mL烧杯中，加水溶解，稀释至500mL，转移至500mL细口瓶中，摇匀。
·测定铁所需试剂
纯NFe(S·12O ， 100g·盐酸羟胺溶液（因其不稳定需临时配用） 200ug· mFe标准储备溶液 20ug· mFe标准储备溶液 1mol·NaAc溶液 1g·邻二氮杂菲溶液 蒸馏水
200ug·mFe标准储备溶液的配制
准确称取1.728g分析纯NFe(S·12O，置于一烧杯中，以30ml 2 mol·L-1
的盐酸溶液溶解后，转入1000ml容量瓶中，以水稀释至刻度，摇匀。
20ug·mFe标准储备溶液的配制
由200ug·mFe标准储备溶液用水准确稀释10倍成为含铁20ug·m标准溶液。

·测定铝所需试剂
硫酸铝钾[KAL(SO4)2·12H2O]，氯代十六烷基吡啶(C21H38ClN·H2O)，铬天S(C23H13Cl2Na3O9S)，抗坏血酸(C6H8O6)，对硝基酚(C6H5NO3)，无水乙醇(CH3CH2OH)，氢氧化钠(NaOH)，盐酸(HCl)，氨水(NH3·H2O)，乙二胺(H2NCH2CH2NH2)，冰醋酸(CH3COOH)，盐酸羟胺(HONH3Cl)，硫酸亚铁铵[(NH4)Fe(SO4)2·6H2O]，硫酸铜(CuSO4·5H2O)，硫酸锰(MnSO4·H2O)。
铝标准储备液(100 μg/mL)：在电子分析天平上称取1.7582 g 硫酸铝钾[KAl(SO4)2·12H2O]溶于水后，加2 mL 6mol/L 的HCl，以水稀释至1000 mL(在容量瓶中)，得浓度为100 μg/mL 的铝液；
铬天青S(CAS)溶液(0.050%)：称取0.1000 g 铬天青S，加130 mL 95%乙醇，加水溶解，转入500 mL 容量瓶中，以水稀释至刻度，浓度为3.3×10-4 mol/L 铬天青S 溶液；
氯化十六烷基吡啶(0.01 mol/L)称氯化十六吡啶1.8000 g，加水，微热下溶解，稀释至500 mL，浓度为10 μg/L，再由所配液移取5.91 mL 液至500 mL 容量瓶中，以水稀释至刻度，此时溶液浓度为3.3×10-4 mol/L。
乙二胺-盐酸缓冲液(pH6.5～7.0)：取无水乙二胺100 mL，加水200 mL 稀释，冷却后缓缓加入浓盐酸190 mL，搅匀，用酸度计调节pH 值为6.5～7.0，若pH 大于7 慢慢滴加浓盐酸，若pH 小于6.5 可补加乙二胺(1+2)溶液。
对硝基酚乙醇溶液(0.1%)：称取0.1000 g 的对硝基酚于100 mL 烧杯中，加50 mL 乙醇(≥95%)溶解，转溶到100 mL 容量瓶中，用水稀释至刻度线。
聚乙二醇辛基苯基醚溶液[ρ(聚乙二醇辛基苯基醚)=30%]：吸取乳化剂聚乙二醇辛基苯基醚(C34H62O11)3.0 mL，溶于100 mL 水中。
实验中所有化学试剂均为分析纯试剂，实验所用蒸馏水为二次蒸馏水。
七、实验步骤
·待测液的制备
取在100～105℃下烘干的茶叶10g于研钵中捣成细末，转移至称量瓶中，称出称量瓶和茶叶的质量和，然后将茶叶末全部倒入蒸发皿中，再称空称量瓶的质量，差减得蒸发皿中的茶叶的准确质量。
将盛有茶叶末的蒸发皿加热使茶叶灰化（在通风厨中进行），然后升高温度，使其完全灰化，冷却后，加6 mol·L-1HCl 10mL于蒸发皿中，搅拌溶解（可能有少量不溶物）将溶液完全转移至150mL烧杯中，加水20mL，再加6 mol·L-1NH3·H2O适量控制溶液pH为6～7，使产生沉淀。并置于沸水浴加热30min，过滤，然后洗涤烧杯和滤纸。滤液直接用250mL容量瓶盛接，并稀释至刻度，摇匀，贴上标签，标明为Ca2+,Mg2+离子试液（1＃），待测。
另取250mL容量瓶一只于长颈漏斗之下，用6 mol·L-1HCl 10mL重新溶解滤纸上的沉淀，并少量多次地洗涤滤纸。完毕后，稀释容量瓶中滤液至刻度线，摇匀，贴上标签，标明为Fe3+离子试验（2＃），待测。
·Fe、Al、Ca、Mg元素的鉴定[2]

从1＃试液的容量瓶中倒出试液1mL于一洁净的试管中，然后从试管中取液2滴于点滴板上，加镁试剂1滴，再加6 mol·L-1NaOH碱化，观察现象，作出判断。（反应必须在碱下条件下进行，常需加EDTA溶液以掩蔽其他氢氧化物沉淀的干扰）
从上述试管中再取试液2～3滴 于另一试管中，加入1～2滴2 mol·L-1HAc酸化，再加2滴0.25 mol·L-1（N，观察实验现象，作出判断。
从2＃试液的容量瓶中倒出试液1mL于一洁净试管中，然后从试管中取试液2滴于点滴板上，加饱和KSCN 1滴，根据实验现象，作出判断。
在上述试管剩余的试液中，加6 mol·L-1NaOH直至白色沉淀溶解为止，离心分离，取上层清液于另一试管中，加6 mol·L-1HAc酸化，加铝试剂3～4滴，放置片刻后，加6 mol·L-1NH3·H2O碱化，在水浴中加热，观察实验现象，作出判断。

·测定钙镁
1钙含量的测定[4][5]
准确移取上述待测溶液25.00mL于250mL锥形瓶中，加入5mL三乙醇胺，加入10% NaOH 溶液10mL，加入钙指示剂0.1g，摇匀，用EDTA标准溶液滴定至溶液由粉红色变为蓝色为终点，记录所消耗的EDTA标液体积VCa(mL)。平行滴定三次，求平均值V(—)Ca(mL)。
2钙和镁总量的测定
准确移取上述待测溶液25.00mL于250mL锥形瓶中，加入5mL三乙醇胺，加入10mL NH3-NH4Cl缓冲液（pH10），加入2～3滴铬黑T，摇匀，用EDTA标准溶液滴定至溶液由紫色变为纯蓝色即为终点，记录所消耗的EDTA标液总体积V总(mL)。平行滴定三次，求平均值 V(—)总(mL)。
·铁的含量测定[3]
1 标准曲线的绘制
取25ml容量瓶6个，编号。分别准确吸取20ug· mFe标准溶液0.00（配置空白溶液，作参比），1.00，2.00，3.00，4.00和5.00 mL于6支容量瓶中，然后各加0.5 mL100g· 盐酸羟胺溶液，摇匀，经2min后，再各加2.5mL 1mol·NaAc溶液和1.5 mL1g·邻二氮杂菲溶液 ，以水稀释至刻度，摇匀。放置10min,在分光光度计上用1cm比色皿，在最大吸收波长（510nm)处，以空白溶液作参比，测定各溶液的吸光度，以铁含量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。
2 未知液中铁含量的测定
吸取5ml未知液代替标准溶液，其它步骤同上，测定其吸光度。根据未知液吸光度，在标准曲线上查出5ml未知液中的铁含量，以mg·表示结果。
·测定铝的含量
1 Al-CAS-CPC-OP 四元络合物标准曲线的绘制
于6 支25 mL 容量瓶中，分别加入0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60 mL 的铝操作液，加指示剂对硝基酚乙醇溶液(0.1%)一滴，用氢氧化钠调至出现黄色，再用HCl 调至刚变为无色，过量0.5 mL。并依次向其中加入6.00 mL CAS、3.00 mL乙二胺-盐酸缓冲溶液、8.00 mL CPC 和0.5 mL 乳化剂OP，用水稀释至刻度，摇匀，以试剂空白为参比。
2 未知液中铝含量的测定
移取上待测液液5.0 mL 置于烧杯中，并依次向其中加入6.00 mL CAS、3.00 mL 乙二胺-盐酸缓冲溶液、8.00 mL CPC 和0.5 mL 乳化剂OP，用水稀释至刻度，摇匀。以试剂空白作参比，用3 cm 比色皿，在λ=635 nm 波长处测定吸光度值。在标准曲线上查出5ml未知液中的铝含量，以mg·表示结果
八、实验结果及计算
计算茶叶中Ca的百分含量
Ca﹪=××100
计算Mg的百分含量
Mg消耗的EDTA标液体积数VMg(mL)= V(—)总(mL)—V(—)Ca(mL)
Mg﹪=××100
九、注意事项
1. 茶叶尽量捣碎，利于灰化。
2. 灰化应彻底，若算溶后发现有未灰化物，应定量过滤，将未灰化的重新灰化。
3. 茶叶灰化后，酸溶解速度较慢时可小火略加热，定量转移要安全。
4. 测Fe时，使用的吸量管较多，应插在所吸的溶液中，以免搞错。
5. 1＃250mL容量瓶试液用于分析Ca，Mg元素，2＃250mL容量瓶用于分析Fe，Al元素，不要混淆。
十、参考文献
1 茶叶中总铝含量的测定 郭金全(四川理工学院材料与化学工程系，自贡643000)
2 植物及茶叶中无机离子的鉴定与定量测定 张英 （安顺学院化学系04化教 贵州 561000）
3 无机及分析化学实验与理论指导（下）
4 REIKO Nagai,YOSHIO Ishima,FIJMIO Kukita,and TOSHIFUMI Takenaka.Calcium and Magnesium Contents of Ectoplasm and Endoplasm of Physarum polycephalum Plasmodium[J]. Protoplasma,1975(86): 169-174.
5 B.J.SZABO.Determination of Calcium and Magnesium in Sea Water[J]. Bulletin of Marine Science,1967,17(3):544-550.
十一、费用计算
费用估计200元左右
附：考虑时间和实验操作可行性，铝的测定可能无法完成