Question

20．茶叶中含有多种有益于人体健康的有机成分及钙、铁等微量金属元素，某化学研究性学习小组设计方案用以检验某品牌茶叶中铁元素的存在并测定钙元素的质量分数 （已知CaC₂O₄为白色沉淀物质）．首先取200g茶叶样品进行如图1操作：请回答下列有关问题：
（1）①文献资料显示，某些金属离子的氢氧化物完全沉淀的pH为：

离子	Ca2+	Fe3+
完全沉淀时的pH	13	4.1

②（NH₄）₃C₂O₄溶液显酸性
实验前要先将茶叶样品高温灼烧程灰粉，这部操作需要用到的实验仪器有：酒精灯、三脚架、玻璃棒、BC、其主要目的是使样品中的有机物完全分解．
A．蒸发皿        B．坩埚          C．泥三角           D．石棉网
（2）从滤液A→沉淀D的过程中需要加入的物质X可以选择C
A．CaO          B．Ca（OH）₂            C．NH₃•H₂O
（3）用KMnO₄标准溶液滴定C溶液时所发生的反应为：5C₂O₄^2-+2MnO₄^-+16H⁺=10CO₂↑+2Mn²⁺+8H₂O
现将滤液C稀释至250mL，再取其中的25.00mL溶液，用硫酸酸化后，用0.10mol•L^-1的KMnO₄标准溶液滴定，终点时消耗KMnO₄溶液体积如下表所示：

编号	终点时消耗KMnO4溶液体积（mL）
1	19.98
2	22.00
3	20.02

①此步操作过程中需要用到下列哪些仪器（如图）CDE（填写序号）；

②滴定达到终点时的现象是滴入最后一滴KMnO₄，溶液由无色变为紫色，且半分钟不恢复原色．
③为保证实验精确度，沉淀D及E需要分别洗涤，并将洗涤液转移回母液中，若不洗涤沉淀洗涤沉淀D，会使测定钙元素的含量偏低．（填“偏低”“偏高”、“无影响”，下同）若不洗涤沉淀E，会使测定钙元素的含量偏高．
④原茶叶中钙元素的质量分数为$\frac{\frac{a}{124}-0.05}{5}$．（用含a的代数式表示）
（4）设计最简单的实验检验茶叶中含有铁元素的操作和现象是：取少量的滤液A，滴入硫氰化钾溶液，溶液变成红色，证明溶液中存在铁离子，也证明离子茶叶中含有铁元素．

Answer 1

分析 茶叶中含钙、铁等微量金属元素，灼烧后加稀硫酸钙、铁等微量金属溶解成Ca²⁺，Fe²⁺等，则滤液A中Ca²⁺，Fe²⁺等，接着调节pH得发生的反应为Fe²⁺+2NH₃•H₂O=Fe（OH）₂↓+2NH₄⁺，故得到的沉淀D是氢氧化铁，还有未反应的Ca²⁺，则滤液B中含Ca²⁺，加草酸铵方式的反应为Ca²⁺+C₂O₄^2-=CaC₂O₄↓，故得到的沉淀E是草酸钙，还有未反应的C₂O₄^2-，则滤液C中含C₂O₄^2-，据此进行分析，
（1）②高温灼烧物质通常在坩埚内进行，据此选择；
（2）据流程图分析，第二步操作溶解灼烧后的茶叶用稀硫酸，第三步加x调节pH为6，故x为碱，还要不引入新的杂质，综合考虑；
（3）①根据配制一定物质的量浓度的溶液方法及滴定操作方法选择使用的仪器；
②根据滴定结束前溶液为为无色，滴定结束时高锰酸钾溶液溶液过量进行解答；
③D为氢氧化铁，E为草酸钙，据此进行分析；
④根据滴定消耗高锰酸钾的物质的量计算出与钙离子反应剩余的草酸根离子的物质的量，再根据醋酸铵的总的质量及样品质量计算出钙离子的质量分数，注意滴定体积与样品体积的关系；
（4）根据检验铁离子遇到硫氰根离子溶液显示红色进行解答．

解答 解：（1）②高温灼烧物质通常在坩埚内进行，要用到酒精灯、坩埚、泥三角、三脚架等，
故答案为：BC；
（2）据流程图分析，第二步操作溶解灼烧后的茶叶用稀硫酸，第三步加x调节pH为6，故x为碱，还要不引入新的杂质，后面步骤中友加入了（NH₄）₂C₂O₄，故x为NH₃•H₂O，
故答案为：C；
（3）①将滤液C稀释至500mL时需要使用到容量瓶，滴定操作中需要使用滴定管和锥形瓶，即CDE正确，
故答案为：CDE；
②滴定结束之前溶液为无色，滴定结束时高锰酸钾溶液过量，溶液变为紫色，所以滴定终点颜色变化为滴入最后一滴KMnO₄，溶液由无色变为紫色，且半分钟不恢复原色，
故答案为：滴入最后一滴KMnO₄，溶液由无色变为紫色，且半分钟不恢复原色；
③D为氢氧化铁，不洗涤沉淀洗涤沉淀，将导致质量增大，故草酸钙质量减小，钙含量偏低；E为草酸钙，不洗涤沉淀洗涤沉淀，将导致质量增大，故草酸钙质量偏高，
故答案为：偏低；偏高；
④ag草酸铵的物质的量为：$\frac{ag}{124g/mol}$=$\frac{a}{124}$mol，根据反应5C₂O₄^2-+2MnO₄^-+16H⁺=10CO₂↑+2Mn²⁺+8H₂O可知与钙离子反应的草酸根离子的物质的量为：$\frac{a}{124}$mol-$\frac{5}{2}$×（0.10mol•L^-1×0.02L）×$\frac{250mL}{25mL}$=（$\frac{a}{124}$-0.05）mol，根据化学式CaC₂O₄可知钙离子的物质的量为（$\frac{a}{124}$-0.05）mol，所以样品中钙离子的质量分数为：$\frac{40g/mol×（\frac{a}{124}-0.05）mol}{200g}$×100%=$\frac{\frac{a}{124}-0.05}{5}$，
故答案为：$\frac{\frac{a}{124}-0.05}{5}$；
（4）滤液A中含有铁离子，可以通过检验滤液A来验证该品牌茶叶中是否含有铁元素，方法为：取少量的滤液A，滴入硫氰化钾溶液，溶液变成红色，证明溶液中存在铁离子，也证明离子茶叶中含有铁元素，
故答案为：取少量的滤液A，滴入硫氰化钾溶液，溶液变成红色，证明溶液中存在铁离子，也证明离子茶叶中含有铁元素．

点评 本题考查了探究茶叶中铁元素、钙元素的含量的方法及性质实验方案的设计，题目难度较大，注意掌握性质实验方案的设计方法，明确探究物质组成及含量的方法，试题培养了学生灵活应用所学知识解决实际问题的能力．