姚雪霞, 戴存禮, 李曉林, 劉玉濤

(南京農業(yè)大學 工學院, 江蘇 南京 210031)

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鄰菲羅啉分光光度法測定微量鐵實驗條件的探討

姚雪霞, 戴存禮, 李曉林, 劉玉濤

(南京農業(yè)大學 工學院, 江蘇 南京 210031)

在實驗教學中，一般采用鄰菲羅啉分光光度法測定微量鐵的含量，因為該方法具有取樣少、簡便和靈敏度高等特點。但在實際教學過程中，發(fā)現(xiàn)該實驗的影響因素較多，如波長的選擇、緩沖溶液的用量、顯色時間、顯色劑的用量，以及還原劑的選擇等都對最終的實驗結果產生一定的影響。并且不同的教材版本介紹的操作方法也不盡相同。為了更好地開展實驗教學，探討了以上各種影響因素對吸光度的影響，并得出最佳的實驗條件。和以往傳統(tǒng)的實驗教學相比，改進后的實驗不僅可以節(jié)省很多化學試劑，也減少了一定的環(huán)境污染。

分光光度法； 鄰菲羅啉； 鹽酸羥胺； 維生素C

0 引 言

溶液中微量鐵離子的測定方法很多，有原子吸收法、重鉻酸鉀法、分光光度法等[1-2]。其中采用分光光度法測定微量鐵的方法較多，如用雙波長法測定微量鐵的含量，用不同顯色劑測定微量鐵的含量[3-4]，并對電鍍廢液、循環(huán)水，脫鹽水，自來水等溶液中鐵離子含量進行了相應的測定[5-9]。目前，在實驗教學中，一般采用鄰菲羅啉(又名鄰二氮菲)分光光度法測定微量鐵的含量，因為該方法具有取樣少、分析快、簡便、準確和靈敏度高等優(yōu)點。但是采用該方法進行實驗教學時，發(fā)現(xiàn)實驗過程中的影響因素較多，如波長的選擇、緩沖溶液的選擇和用量、顯色的時間、顯色劑的用量以及還原劑的選擇等都會對最終的實驗結果產生一定的影響。以往的文獻也對該實驗進行了一些改進[10-13]，但是對以上這些影響因素進行全面系統(tǒng)分析卻不是很多，并且不同的教材版本介紹的操作方法也不盡相同[14-16]。為了更好地進行實驗教學，很有必要對這些影響因素進行系統(tǒng)分析，選擇出最佳的實驗條件，用以測定未知液的含鐵量。

1 實驗部分

1.1 分光光度計的光學原理

分光光度計采用的光學原理為朗伯-比爾定律。即當一束單色光通過一定濃度的稀有色溶液時，溶液對光的選擇吸收程度A與溶液的濃度或液層成正比，具體的數(shù)學表達式為

A=kcL=log(I0/I)

式中：A為吸光度，即光通過溶液時被吸收的強度；c為有色溶液的濃度；I0為入射光的光強；I為透射光的光強；L為液層的厚度；k為吸光系數(shù)。式中，k為常數(shù)，且待測溶液被裝在標準比色皿中，可認為溶液的厚度L也是常數(shù)。因此溶液的吸光度A只和溶液的濃度c成正比。在實驗中，可通過測定一組標準鐵溶液的吸光度A，繪制標準曲線，反過來求未知溶液的溶度c。

1.2 主要儀器和試劑

V-1200型紫外-可見分光光度計，0.1 mg的電子分析天平，PHS-3CT型酸度計。

0.1 g/L鐵標準溶液的配置：用電子分析天平準確稱取0.702 0 g分析純的NH4Fe(SO4)2·6H2O，置于一燒杯中，用30 mL, 2 mol/L HCl 溶液溶解后移入1 000 mL容量瓶中，用去離子水稀釋至刻度，搖勻。

0.01 g/L鐵標準溶液的配置：將0.1 g/L的鐵標準溶液準確移取稀釋10倍而成；1% 鹽酸羥胺溶液(因其不穩(wěn)定，需臨時用配)；0.1 % 鄰菲羅啉(新配制)。

HAc-NaAc緩沖溶液的配置：136 g NaAc和120 mL 純HAc混合稀釋至500 mL容量瓶；1%的Vc溶液(新配置)。

2 結果與討論

2.1 波長對吸光度的影響

移取3 mL鐵的標準液 (0.01 g/L)于50 mL的容量瓶中，依次加入5.0 mL緩沖溶液，2.5 mL鹽酸羥胺，5.0 mL鄰菲羅啉，并用去離子水稀釋至刻度線。以去離子水為參比液，在波長460～550 nm范圍內測量該標準鐵溶液的吸光度。以波長為橫坐標，吸收度A為縱坐標，繪制吸收曲線。

由圖1可知，在波長為510 nm處有最大的吸收度，因此后面實驗所采用的波長均為510 nm。

圖1 波長對吸光度的影響

2.2 緩沖溶液的用量對吸光度的影響

按照標準緩沖溶液的配置方法，應該是136 g NaAc和120 mL 純HAc混合稀釋至500 mL容量瓶，在配置標準溶液和待測液時，每次加入5 mL 的緩沖溶液。但是根據緩沖溶液的特性，只要加入的試劑不是強酸、強堿，則幾乎不改變弱酸 (HAc) 和其共軛堿 (NaAc) 的配比，即使加入較少的緩沖溶液，也可以很好地控制溶液的pH值。為了驗證緩沖溶液用量對于吸光度的影響，取6個編號為1～6的50 mL的容量瓶，分別加入1～6 mL的緩沖溶液，然后在每個容量瓶里面分別加入3 mL, 0.01 g/L標準鐵溶液, 2.5 mL 鹽酸羥胺，5 mL鄰菲羅啉，測量相應的pH值和吸光度。測量結果如表1所示。

表1 緩沖溶液用量對吸光度的影響

根據表1的測量結果，發(fā)現(xiàn)減少緩沖溶液試劑的用量對于溶液的pH值影響很小，對于溶液的吸光度也基本沒有影響。因此為了節(jié)約教學成本，減少實驗試劑的使用量，在配置標準鐵溶液時，均采用1 mL緩沖溶液控制溶液的pH值。

2.3 顯色時間對吸光度的影響

為了研究顯色時間對于吸光度的影響，移取3 mL鐵的標準液 (0.01 g/L)于50 mL的容量瓶中，依次加入1.0 mL緩沖溶液，2.5 mL鹽酸羥胺，5.0 mL鄰菲羅啉，并用去離子水稀釋至刻度線。以去離子水為參比液，開始每隔10 min測量1次該溶液的吸光度，到達1 h后，每隔1 h測量1次溶液的吸光度。

由圖2發(fā)現(xiàn),顯色時間對吸光度存在一定影響。當顯色時間到達50 min后，吸光度的值已經非常穩(wěn)定，不再變化。表明在50 min內，亞鐵離子和鄰菲羅啉的顯色反應已經完成。在以往實驗教材里面，一般要求顯色時間為10 min左右。圖2實驗數(shù)據表明，10 min后測定的吸光度和50 min后測定的吸光度差別已經很小。對于一般的教學實驗，由于上課實驗時間的限制，在充分搖勻基礎上，采用10 min后測A也是可行的。但是對于工業(yè)廢液等微量鐵離子含量的測定，最好在1 h以后進行，這樣可以減少一定的誤差。

圖2 顯色時間對吸光度的影響

2.4 顯色劑用量對吸光度的影響

作為顯色劑，鄰菲羅啉的用量既要保證亞鐵離子的顯色，但也要避免試劑浪費。理論上，1 mol的亞鐵離子需要3 mol的鄰菲羅啉，以形成穩(wěn)定的橘紅色絡合物。以往的實驗教材里面規(guī)定0.1% 的鄰菲羅啉顯色劑用量為5 mL。但是一般情況下，標準的顯色劑用量往往都超過實際需要的量。為了研究顯色劑用量對吸光度的影響，分別取6個編號為1～6的50 mL容量瓶，然后在每個容量瓶里面分別加入5 mL, 0.01g/L標準鐵溶液，1 mL 緩沖溶液，2.5 mL 鹽酸羥胺，再分別加入1～6 mL的鄰菲羅啉顯色劑，測量相應的吸光度。測量結果如表2所示。

表2 顯色劑的用量對吸光度的影響

根據表2的測定結果，發(fā)現(xiàn)2 mL顯色劑的用量已足夠使用。這主要是因為以往教材里面所使用的鄰菲羅啉顯色劑用量已經大大超過實際所需要的量。因此，為了節(jié)省實驗成本，減少實驗試劑的用量，在大規(guī)模的教學實驗過程中，采用2 mL鄰菲羅啉溶液配置鐵的標準溶液。

2.5 還原劑的選擇及標準曲線的繪制

對于該實驗，一般都是采用鹽酸羥胺作為還原劑，將三價鐵還原為二價鐵。但是鹽酸羥胺作為一種有毒試劑，并且在使用過程很不穩(wěn)定，每次實驗均需要臨時配置。為了減少實驗過程中帶來的環(huán)境污染，實現(xiàn)綠色化學實驗改革的目的，本實驗擬采用維生素C作為還原劑，測試標準溶液的吸光度，并和鹽酸羥胺的測試結果進行比較。下面為兩組標準鐵溶液的配置。

第一組采用鹽酸羥胺配置的標準鐵溶液：分別移取鐵的標準液 (0.01 g/L) 1.0～5.0 mL于編號1～5的5只50 mL容量瓶中，依次加入1.0 mL 緩沖溶液，2.5 mL鹽酸羥胺，2.0 mL鄰菲羅啉溶液，并用去離子水稀釋至刻度線，搖勻，放置50 min。

第二組為采用維生素C配置的鐵標準溶液，將鹽酸羥胺換成了具有同樣還原功能的維生素C 2.5 mL，其余步驟同上。

在510 nm波長處，測得編號1～5的3組含鐵溶液的吸光度，分別以1～5號標準鐵溶液的含鐵量為橫坐標，吸光度為縱坐標，通過Origin作圖軟件，進行線性回歸，得到兩條擬合的標準曲線(見圖3)。

(a) 添加鹽酸羥胺

(b) 添加維生素C

分析圖3可知，不論是添加還原劑鹽酸羥胺或是還原劑維生素C，都能得到相關性很好的標準曲線。并且對于含鐵量相同的標準鐵溶液，所測得的吸光度差別非常小。因此，對于鄰菲羅啉分光光度法測定微量鐵的實驗，采用無毒和更加環(huán)保的維生素C做還原劑是完全可行的。

2.6 未知液含鐵量的測定

以上標準曲線的繪制，采用了兩種還原劑，并對結果進行了比較分析。對于未知待測液，同樣采用兩種還原劑進行配置。首先，移取未知待測液3 mL 于編號為6的50 mL容量瓶中，然后分別添加1 mL的緩沖溶液，2.5 mL的鹽酸羥胺，2 mL的鄰菲羅啉，最后加去離子水至刻度線，搖勻，放置 50 min。

另外移取相同的未知待測液3 mL于另一個編號為6的50 mL容量瓶中，然后分別添加1 mL 的緩沖溶液，2.5 mL的維生素C，2 mL的鄰菲羅啉，最后加去離子水至刻度線，搖勻，放置50 min。

以上配置的兩組未知待測液，理論上含鐵量是完全相同的。下面對以上兩組未知待測液分別測試它們的吸光度。第一組加鹽酸羥胺的吸光度為0.166；第二組加維生素C的吸光度為0.168。根據上一節(jié)所得到的兩組標準曲線，帶入相應的線性回歸公式，分別得到第一組的含鐵量為0.525 mg/L，第二組的含鐵量為0.532 mg/L。由于本實驗在操作過程中，所需量取的溶液較多，難免會引入一定的誤差，因此可以認為以上兩種方法所測得的含鐵量基本一致。故采用維生素C代替?zhèn)鹘y(tǒng)的還原劑鹽酸羥胺是完全可行的。

2.7 實驗數(shù)據的不確定分析

盡管該實驗具有取樣少，分析快、簡便、準確和靈敏度高等優(yōu)點，但是在配置溶液時，由于量取的化學試劑較多，這些步驟都會或多或少的引入一些誤差。此外，在使用分光光度計時，也要嚴格按照實驗的規(guī)定進行，否則也會給實驗帶來一定的不確定度。比如，儀器預熱20 min后，開始測量前需要反復調透光率0%和透光率100%。比色皿必須用去離子水洗滌干凈，拿取比色皿時，只能用手捏住比色皿的毛玻璃面，裝待測液時，應先用待測液潤洗2或3次，保證待測液濃度不變，倒入的溶液應在2/3左右而不要太滿，放時應將透光面對著光路。此外，實驗完畢后用專用的洗滌液以及去離子水清洗比色皿，晾干后存放在比色皿盒內，不能用強堿溶液和強氧化劑洗滌，以免腐蝕玻璃，測量時最好從低濃度到高濃度進行，這樣可減少實驗的誤差。

3 結 語

在鄰菲羅啉分光光度法測定微量鐵的實驗教學過程中，發(fā)現(xiàn)該實驗的影響因素較多，各種教材的版本也不統(tǒng)一。為此，本文探討了吸收波長、緩沖溶液的用量、顯色時間、顯色劑的用量以及還原劑的選擇對吸光度的影響，并找到最佳的實驗條件。和以往傳統(tǒng)的實驗教學相比，在不影響實驗教學效果的同時，改進后的實驗不僅可以節(jié)省很多化學試劑，也減少了一定的環(huán)境污染。

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Investigating the Experimental Condition for Determination of Trace Iron by Phenanthroline Spectrophotometry

YAOXue-xia,DAICun-li,LIXiao-lin,LIUYu-tao

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

In the experimental teaching, phenanthroline spectrophotometry has been generally used to determinate the content of trace iron, because this method has less sampling, simple and high sensitivity. But in the course of the experimental teaching, it was found that many factors, such as the choice of the wavelength, the amount of buffer solution, the color time of color-developing agent, the amount of color-developing agent, and the selection of reductants and so on, had a certain impact on the final results. In addition, the different edition teaching materials have different operating methods. In order to better carry out the experimental teaching, the various factors effect on the absorbance were systematically analyzed. And the optimal experimental conditions were determined. Compared with traditional experimental teaching, the improved experiment can not only save many chemical reagents, but also reduce certain environmental pollution.

spectrophotometry; phenanthroline; hydroxylamine hydrochloride; vitamin C

2014-05-26

國家自然科學基金(No.41301261); 江蘇省自然科學基金(No.BK20130680); 南京農業(yè)大學工學院實驗教學改革研究項目(No.051010)

姚雪霞(1975-)，女，安徽黃山人，講師，現(xiàn)主要從事理論計算化學方向的研究。

Tel.:13770652672; E-mail:yaoxuexia@njau.edu.cn

O 6-339

A

1006-7167(2015)03-0016-04