高錳酸鉀滴定法測定維生素C含量的方法改進

本期點評專家

張永強" 正高級教師，特級教師，湖南省十佳科技教師。科普中國2021年度十大科普人物獎獲得者，全國校園發明創意大賽、湖南省青少年科技創新大賽、湖南省創新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

一、探究背景

人體所需的維生素C主要來源于水果、蔬菜等食品。測定各類食品中的維生素C含量對食品營養價值的評估具有積極意義。

受實驗條件所限，我采用高錳酸鉀滴定法對食品中的維生素C含量進行測定。用這種方法測定時，高錳酸鉀的反應產物是無色的二價錳離子，此時可以高錳酸鉀原本的顏色作為滴定終點，在觀察到淡紅色出現后停止滴定。

高錳酸鉀是化學實驗中常見的氧化劑，獲取方便，價格低廉。有研究者提出，溶液的適宜酸度應為0.5～0.6 mol/L，若酸度太低，維生素C易氧化分解，且高錳酸鉀的還原產物為褐色的水合二氧化錳沉淀。但酸化需要濃度較高的硫酸，日常難以獲取。如果用市售硫酸標準溶液，酸化50 mL試樣至0.5 mol/L的氫離子濃度至少需要2.5 L硫酸標準溶液，這顯然是不切實際的。

在操作中我發現，如果不用酸化溶液，并不會立即生成棕色的二氧化錳，而是在反應掉一定量的高錳酸鉀后，才可以觀察到棕色的二氧化錳。

所以，我進行了一個補充實驗。向適量高錳酸鉀溶液（0.020 0 mol/L）中滴入數滴維生素C飽和溶液，溶液變為無色，且出現大量褐色絮狀沉淀——溶液酸度過低，導致維生素C與高錳酸鉀反應生成水合二氧化錳沉淀。然后加入過量的維生素C溶液，可觀察到沉淀溶解，溶液變澄清。這說明，水合二氧化錳與維生素C溶液發生了反應。

補充實驗證明，在滴定時，維生素C能提供反應所需的氫離子，這樣就可以在不對溶液進行酸化處理后直接滴定，再計算得到維生素C的值。在實驗過程中，可使用pH計控制溶液的酸度，避免二氧化錳生成。

也就是說，這一方法摒棄了傳統的利用高錳酸鉀自身顏色指示滴定終點的方法。

二、探究過程

（一）實驗準備

高錳酸鉀標準溶液（0.020 0 mol/L）、維生素C溶液（自配）、pH計。試劑均為分析純。

（二）提出假設

通過查找資料了解到，維生素C具有連二烯醇的結構，可定量還原高錳酸鉀，其在水溶液中會電離反應所需的氫離子——這也是不酸化溶液時，維生素C仍能與高錳酸鉀反應的基礎。

根據維生素C的電離平衡常數Ka，可計算出一定酸度溶液中維生素C的分布系數δ的值，繼而計算出在一定濃度和體積的維生素C溶液中C6H8O6和H+兩種型體的量。根據分布系數計算式計算出維生素C的δ-pH圖像。

從圖像中可以看出，在一般滴定維生素C的方法中，將pH值控制在0.1左右的原因有兩個：一是讓溶液保持酸性，盡可能使高錳酸鉀保持較強的氧化性，避免生成二氧化錳；二是通過控制使C6H8O6型體占比盡可能大，避免在溶液中生成無法進行定量反應分析的C6H6O6。但如果沒有對溶液進行酸化處理，就要考慮以上兩點對溶液的影響，并在計算時引入更多參數來消除這些影響。這會導致計算過程更復雜。

通過推導得出當以一定pH值作為滴定終點時的維生素C含量計算公式，并使用pH計測量溶液滴定結束時的pH值，通過pH值計算溶液中的氫離子濃度。這樣就能在不酸化溶液的情況下，測量滴定結束時溶液的pH值，通過計算得到溶液中維生素C的量。

（三）實驗驗證

配制濃度為0.05 mol/L的維生素C溶液，準確量取5 mL，加入蒸餾水稀釋至40 mL，待滴定溶液中維生素C的含量為2.25×10-4mol。使用高錳酸鉀標準溶液（0.020 0 mol/L）進行滴定，并測量溶液反應時的pH值。重復3次，滴定結束后，取副反應系數α=1，整理分析數據。實驗結果符合預測——溶液pH值隨高錳酸鉀溶液的增加逐漸增大；當pH值大于7之后開始生成棕色沉淀，且pH值變化出現類似于酸堿中和滴定的pH突躍。這說明，滴定反應消耗了待測物的氫離子，這也間接地證明了我的假設。

改變維生素C溶液濃度，在pH值為3.4至3.7時停止滴定，再進行重復實驗，得到以下數據。

經過大量實驗，得到當pH值為3.4至3.7時，副反應系數α的最佳擬合函數為α=0.253+0.024·ln" " " " " " " " " "。

利用統計學方法檢驗改進后的方法。配制標準樣品，準確稱取1.0 g維生素C，溶解于200 mL蒸餾水中，得到濃度為0.028 39 mol/L的維生素C溶液，取8 mL試樣，用蒸餾水稀釋至50 mL，其中的維生素C含量應為2.271×10-4mol，即39.99 mg。依上述方法測量其中的維生素C含量，重復6次，得到以下數據。

根據計算結果，在顯著性水平為99%下，平均值和標準值間無顯著性差異，新方法的相對標準偏差為7.65%，說明其重復性較好，精密度較理想。

有了這個新方法，就可在不酸化溶液的前提下，利用pH計控制滴定時溶液的酸度，得到待測樣品中相對準確的維生素C的含量。除了計算量稍大之外，該方法簡易可行，減少了實驗所需試劑的種類，可作為一種快速測定維生素C含量的方法。

由于條件有限，我只能用維生素C純品配制標準樣品進行實驗，沒有進行實際應用檢驗和比較。在實際應用中，還應考慮金屬離子對維生素C分解的影響等。可采用其他方式對待測試樣進行預處理，對該方法進一步優化。

專家點評

作者提出一種改進的高錳酸鉀滴定法測定維生素C含量的新方法，即在不酸化溶液的條件下，通過控制pH值進行滴定，避免了傳統方法中需要大量酸化劑的不足，降低了實驗成本和復雜度，因而本實驗具有一定的創新性。

作者從化學反應原理出發，詳解二氧化錳與維生素C的反應機制，并通過電化學半電池反應式進行了理論推導，使得新方法有理有據。設計多個實驗驗證新方法的可行性和準確性，證明了新方法在顯著性水平下與標準值無顯著性差異，且方法的重復性和精密度良好。

建議適當增加實驗細節描述如具體操作步驟、溶液配制方法等，以便讀者能更好地復現實驗過程；加強實際應用驗證，驗證新方法在復雜基質中的準確性和適用性；加強拓展，在文末增加對新方法局限性的討論和未來研究方向的展望。

（欄目編輯" 秦銀銀）