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实验设计与评价
凯氏定氮法是由丹麦化学家凯道尔于1833年建立的，现已发展为常量、微量、平微量凯氏定氮法以及自动定氮仪法等，是分析有机化合物含氮量的常用方法。 凯氏定氮法的理论基础是蛋白质中的含氮量通常占其总质量的16%左右(12%～19%)，因此，通过测定物质中的含氮量便可估算出物质中的总蛋白质含量(假设测定物质中的氮全来自蛋白质)，即蛋白质含量
=。
凯氏定氮法是测定化合物或混合物中总氮量的一种方法。由于蛋白质含氮量比较恒定，可由其含氮量计算蛋白质含量，故此法是经典的蛋白质定量方法。测得的总氮量既包括非蛋白的氮，也包括一些无机氮，但由于正常食品中的氮一般来自蛋白质，所以可以粗略表征。 凯氏定氮仪测量样品蛋白质含量主要经过三个步骤：
第一步：硝解，将有机物中的氨基在高温和催化剂CuSO4条件下，与浓H2SO4 作用，生成无机铵盐(NH4)2SO4。
第二步：蒸馏，将硝解完成的样品中的铵盐在凯氏定氮仪中与碱反应，通过蒸馏释放出NH3，并用H3BO3 溶液吸收。
第三步：滴定，将收集的NH3通过已知含量的标准酸滴定，反算出NH3的含量。
“结石宝宝事件”中，不法分子在低蛋白含量的奶粉中加入三聚氰胺来“提高”奶粉中的蛋白质含量，导致许多婴幼儿肾结石。三聚氰胺(结构如图)，俗称“蛋白精”，目前由尿素加热分解制得，生产成本低廉，含氮量高。
现行检验蛋白质含量的国际标准(ISO 8968)法，实际上就是在凯氏定氮法之前多一道步骤，将样品先用三氯乙酸处理，三氯乙酸能让蛋白质形成沉淀，过滤后，将沉淀用浓硫酸使氮转化为铵盐，再继续用凯氏定氮法测定含氮量。
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问题1.凯氏定氮法在测定奶粉中蛋白质含量时，为什么会失真？(素养角度——宏观辨识与微观探析)
提示：凯氏定氮法实质上测定的是含氮量，氮元素可以来自其他含氮物质。
问题2.已知乳制品的换算系数为6.38，即若检测出氮的含量为1%，蛋白质的含量则为6.38%。三聚氰胺含氮量(氮元素的质量分数)是多少？假定奶粉中蛋白质含量为16%即为合格，某品牌婴幼儿配方乳粉抽查结果显示其三聚氰胺含量为
2 563.00 mg/kg，则该婴幼儿配方乳粉蛋白质含量实际上是多少？掺假百分率为多少？(素养角度——证据推理与模型认知)
提示：三聚氰胺的相对分子质量为126，则含N量为×100%=66.7%，婴幼儿配方乳粉抽
查结果显示其三聚氰胺含量为2 563.00 mg/kg，设质量为1 000 g，则三聚氰胺为2.536 g，含N量为
×100%≈0.17%，由检测出氮的含量为1%，蛋白质的含量则为6.38%，
对应蛋白质含量为0.17%×6.38≈1.09%，所以实际含蛋白质为16%-1.09%=14.91%，掺假百分
率为×100%=6.813%。
问题3.“毒奶粉”事件责任人被判处重刑，对社会发展有什么意义？(素养角度——科学态度与社会责任)
提示：科技是一把“双刃剑”，工业生产应把人民群众生命安全放在第一位。
“凯氏定氮法”是测定化合物或混合物中总氮量的一种方法。尿素化肥“金坷垃”曾一度在互联网上爆红。红星中学的化学实验小组成员想通过“凯氏定氮法”实验测定化肥“金坷垃”中的实际尿素含量，检验它是否确实有网上所说的神奇功效。 实验流程如下： 金坷垃
(NH4)2SO4溶液
NH3
(NH4)2B4O7溶液→用标准盐酸滴定
步骤：①取10.00 g“金坷垃”尿素[CO(NH2)2]化肥溶于水，定容至100 mL； ②在烧杯中加入10.00 mL步骤①中得到的金坷垃水溶液和辅助试剂，加热充分反应； ③将反应液转移到大试管中；
④按如图装置用水蒸气将NH3吹出，并用H3BO3溶液吸收(加热装置未画出)；
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⑤取下锥形瓶，滴加指示剂，用0.250 0 mol·L盐酸标准液滴定； ⑥重复实验操作。 数据记录如表：
消耗盐酸 实验编号 样品和辅助试剂 体积(mL) 10.00 mL溶液、0.2 g催化剂、 1 20 mL浓硫酸 10.00 mL溶液、0.2 g催化剂、 2 20 mL浓硫酸 10.00 mL溶液、0.2 g催化剂、 3 20 mL浓硫酸 4 回答下列问题：
(1)滴定时(NH4)2B4O7重新转化为H3BO3，反应的化学方程式为 __。 (2)步骤④的实验装置中需要加热的仪器是________(填仪器名称)，长导管的作用是__________________。
(3)编号为4的实验应加入的样品和辅助试剂为______________， 理由是__________________。
(4)通过计算可得“金坷垃”化肥中的氮含量为________克/每千克化肥(用含x的代数式表示，要求化简)。我国农业用尿素的标准为
级别 总尿素含量%≥ 优等品 46.4 一等品 46.2 合格品 46.0 33.50 33.90 33.45 -1
x 总尿素含量低于46.0%的为不合格品。若x=2.77，则根据上述测定，可以确定“金坷垃”尿素化肥属于 ________级别。
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【解析】(1)硼的化合价未变化，发生类似复分解反应，反应方程式为(NH4)2B4O7+2HCl+5H2O
4H3BO3+2NH4Cl；
(2)加热圆底烧瓶产生水蒸气，进入试管中将生成的氨气吹出；加热产生水蒸气，装置内压强增加，长导管防止装置中压力过大而发生危险，冷却时防止发生倒吸，起安全管作用； (3)依据编号1、2、3分析可知编号为4的实验应加入的样品和辅助试剂为
10.00 mL蒸馏水、0.2 g催化剂、20 mL浓硫酸，空白、等量对照实验目的是消除其他试剂、实验操作等因素引起的误差；
mL-x mL≈(33.62-x)×10L，
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(4)盐酸的体积为
令10 mL该化肥的含氮量的质量为m g，则 2N～(NH4)2B4O7～2HCl 28 g
2 mol
m g 0.250 0 mol·L-1×(33.62-x)×10-3L
所以m=3.5×(33.62-x)×10g，100 mL中即10.0 g含氮量3.5×(33.62-x)×10 g×
-3
-3
=35
×(33.62-x)×10g，含氮的质量=35×(33.62-x)×10×
-3-3
g·kg=(117.67-3.5x) g·kg。
-1
-1-1
若x=2.77，则化肥中的氮含量117.67-3.5×2.77=107.975 g·kg，100 g含氮元素10.797 5 g，转化为尿素含量=
××60 g·mol≈23.1 g，则尿素含量<46%，是不合格品。
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答案：(1)(NH4)2B4O7+2HCl+5H2O4H3BO3+2NH4Cl
(2)圆底烧瓶 作为安全管，防止装置中压力过大而发生危险；防止冷却时发生倒吸 (3)10.00 mL蒸馏水、0.2 g催化剂、20 mL浓硫酸 空白、等量对照以消除其他试剂、实验操作等因素引起的误差 (4)(117.67-3.5x) 不合格品 【加固训练】
(2017·全国卷Ⅰ)凯氏定氮法是测定蛋白质中氮含量的经典方法，其原理是用浓硫酸在催化剂存在下将样品中有机氮转化成铵盐，利用如图所示装置处理铵盐，然后通过滴定测量。已知：NH3+H3BO3
NH3·H3BO3；NH3·H3BO3+HCl
NH4Cl+H3BO3。
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回答下列问题：
(1)a的作用是________________。
(2)b中放入少量碎瓷片的目的是____________。f的名称是____________。
(3)清洗仪器：g中加蒸馏水；打开k1，关闭k2、k3，加热b，蒸气充满管路；停止加热，关闭k1，g中蒸馏水倒吸进入c，原因是________________；打开k2放掉水，重复操作2～3次。 (4)仪器清洗后，g中加入硼酸(H3BO3)和指示剂。铵盐试样由d注入e，随后注入氢氧化钠溶液，用蒸馏水冲洗d，关闭k3，d中保留少量水。打开k1，加热b，使水蒸气进入e。 ①d中保留少量水的目的是________________。
②e中主要反应的离子方程式为________________，e采用中空双层玻璃瓶的作用是________________。
(5)取某甘氨酸(C2H5NO2)样品m克进行测定，滴定g中吸收液时消耗浓度为
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c mol·L的盐酸V mL，则样品中氮的质量分数为____________%，样品的纯度≤________%。
【解析】(1)a为连通大气的玻璃管，当b中压强增大时，玻璃管的液面会上升，从而使体系压强趋于稳定，因此a的作用为平衡内外压强，防止压强过大发生危险。 (2)加入碎瓷片的目的是防暴沸，f为直形冷凝管。
(3)停止加热，关闭k1后，c至e中热的蒸馏水来源中断，f中的冷凝水使得残留的水蒸气液化，内部压强减小，g中的蒸馏水就会倒吸入c中。
(4)①d中保留少量水，一方面可以检验d装置是否漏气；另一方面若装置气密性不佳会导致氨气泄漏进入空气中，污染空气，而氨气易溶于水，可吸收氨气。
②e中加入了铵盐试样、NaOH，通入了热的水蒸气，所以氨气会逸出(一方面加热促进逸出，
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另一方面水蒸气可以带出氨气)，所以答案为OH+NNH3↑+H2O，e采用中空双层玻璃瓶，
可以减少热量的损耗，使得e的温度能维持在较高状态，有利于氨气充分逸出。
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2021版高考化学一轮复习10.4实验设计与评价练习含解析新人教版
