張悅，王曉艷，高素華

天津理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，天津 300384

鄰二氮菲測鐵實(shí)驗(yàn)是各大高?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理是在pH為2-9的溶液中，F(xiàn)e2+與鄰二氮菲生成穩(wěn)定的紅色配合物[1]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通常為條件實(shí)驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知水樣中的鐵含量。通過此次實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)基本原理的理解，同時(shí)，熟悉并掌握分光光度計(jì)的使用方法，掌握標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定水溶液中微量鐵。近年來，許多高校對鄰二氮菲測定鐵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了內(nèi)容擴(kuò)充及方法改進(jìn)，如采用手持技術(shù)、增設(shè)采用不同光譜法含量測定對比或樣品前處理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、Origin/Excel軟件輔助分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等[2-8]。

我院前期通過統(tǒng)一更新722型分光光度計(jì)為普析通用T6紫外-可見分光光度計(jì)，降低本實(shí)驗(yàn)操作的繁瑣度，同時(shí)，采用Excel進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸，提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)，突出本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。但在本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，仍發(fā)現(xiàn)有諸多問題。我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)在大一年級開設(shè)，在預(yù)習(xí)和課堂教學(xué)互動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理理解并不到位，如課堂提問“本次實(shí)驗(yàn)原理是……”，大部分學(xué)生根據(jù)講義都能答出“Fe2+與鄰二氮菲生成穩(wěn)定的紅色配合物”；但當(dāng)問及“本次實(shí)驗(yàn)測定的是總鐵？Fe3+還是Fe2+？”“鄰二氮菲測鐵為什么要找最大吸收波長”時(shí)，只有個(gè)別學(xué)生能夠回答出大概的原因。另外，在課后學(xué)生教學(xué)反饋中，部分同學(xué)對Fe3+與鄰二氮菲絡(luò)合是否對Fe2+與鄰二氮菲絡(luò)合有影響存在疑問；部分同學(xué)對標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知水樣的實(shí)驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)處理的理解也不到位；少部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)做完，卻仍然不能明白實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的是什么。

因此，本實(shí)驗(yàn)對鄰二氮菲測鐵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，在原有內(nèi)容的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理部分“Fe2+與鄰二氮菲生成穩(wěn)定的紅色配合物，F(xiàn)e3+也可與鄰二氮菲生成淡藍(lán)色配合物”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；在測定吸收光譜的同時(shí)，計(jì)算不同波長處的摩爾吸光系數(shù)；同時(shí)，測定并計(jì)算未知水樣中的總鐵、Fe2+和Fe3+。同時(shí)，基于筆記本電腦的普及，通過Excel、Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)，旨在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，同時(shí)讓學(xué)生親自通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決困惑，加深學(xué)生對基本原理及操作的理解，在掌握分光光度法的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)解決實(shí)際問題的方法。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

掌握分光光度計(jì)的使用方法；掌握鄰二氮菲測鐵的基本原理；掌握標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知水樣中鐵的濃度。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在pH = 2-9的溶液中，鄰二氮菲與Fe2+生成穩(wěn)定的紅色配合物[Fe(phen)3]2+，其lgK穩(wěn)= 21.3 (20 °C)。紅色配合物的最大吸收峰在510 nm處，摩爾吸光系數(shù)ε= 1.1 × 104L·mol-1·cm-1。

Fe3+也可與鄰二氮菲生成淡藍(lán)色配合物，其穩(wěn)定常數(shù)lgK穩(wěn)= 14.1 (20 °C)。因此，在測定總鐵時(shí)，顯色之前應(yīng)預(yù)先用鹽酸羥胺將Fe3+還原Fe2+。

1.3 儀器與試劑

儀器：T6紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通用)、1 cm玻璃比色皿。

試劑：鹽酸羥胺(100 g·L-1，現(xiàn)配現(xiàn)用)、鹽酸溶液(6 mol·L-1)、鄰二氮菲溶液(1.5 g·L-1新配制)、NaAc溶液(1 mol·L-1)、Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液(含鐵0.1 mg·mL-1)。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 吸收曲線的繪制。

鄰二氮菲-Fe3+絡(luò)合物吸收曲線：精確移取1.00 mL Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mg·mL-1)注入50.00 mL容量瓶中，依次加入2.00 mL鄰二氮菲、5.00 mL NaAc，用去離子水稀釋至刻度，搖勻。以試劑空白溶液為參比，在440-560 nm之間每10 nm測定一次吸光度(其中在500-530 nm范圍內(nèi)，每間隔5 nm測量一次。每調(diào)一次波長，儀器都要調(diào)零)，以波長為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，用Excel軟件繪制吸收曲線。

鄰二氮菲-Fe2+絡(luò)合物吸收曲線：精確移取1.00 mL Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mg·mL-1)注入50.00 mL容量瓶中，加入1.00 mL鹽酸羥胺，搖勻，再依次加入2.00 mL鄰二氮菲、5.00 mL NaAc，用去離子水稀釋至刻度，搖勻。以試劑空白溶液為參比，在440-560 nm之間每10 nm測定一次吸光度(其中在500-530 nm范圍內(nèi)，每間隔5 nm測量一次。每調(diào)一次波長，儀器都要調(diào)零)，以波長為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，用Excel軟件繪制吸收曲線，確定最大吸收波長λmax。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。

精確移取5.00 mL Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mg·mL-1)，加入2.00 mL 6 mol·L-1鹽酸溶液，定容于50 mL容量瓶，為0.01 mg·mL-1Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液。在6個(gè)50 mL容量瓶中分別加入0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL 0.01 mg·mL-1Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1.00 mL鹽酸羥胺，搖勻，再依次加入2.00 mL鄰二氮菲、5.00 mL NaAc，用去離子水稀釋至刻度，定容后放置10 min。在最大吸收波長處，以試劑空白溶液為參比，分別測定吸光度。以濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理，記錄線性方程及R2。

(3) 未知樣品的測定。

精確移取一定體積未知樣品溶液于50.00 mL容量瓶中，加入1.00 mL鹽酸羥胺，搖勻，再依次加入2.00 mL鄰二氮菲、5.00 mL NaAc，用水稀釋至刻度，定容后放置10 min。在最大吸收波長處，以試劑空白溶液為參比，測定吸光度(吸光度需在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)，如遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)曲線中最大濃度標(biāo)樣的吸光度，調(diào)整樣品的移取體積或?qū)悠愤M(jìn)行逐級稀釋)。根據(jù)線性方程計(jì)算稀釋后樣品中總鐵含量，并計(jì)算原樣濃度。

精確移取一定體積未知樣品溶液于50.00 mL容量瓶中，依次加入2.00 mL鄰二氮菲、5.00 mL NaAc，用水稀釋至刻度，定容后放置10 min。在最大吸收波長處，以試劑空白溶液為參比，測定吸光度(吸光度需在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)，如遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)曲線中最大濃度標(biāo)樣的吸光度，調(diào)整樣品的移取體積或?qū)悠愤M(jìn)行逐級稀釋)。根據(jù)線性方程計(jì)算稀釋后樣品中Fe2+含量，并計(jì)算原樣濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析評價(jià)

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室有8臺(tái)紫外-可見分光光度計(jì)，每班學(xué)生人數(shù)在30左右。因此，本實(shí)驗(yàn)將一個(gè)班分成8個(gè)小組，每組3-4人。教師講解實(shí)驗(yàn)原理和分光光度計(jì)的使用方法后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟完成相關(guān)內(nèi)容，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟(1)所得數(shù)據(jù)繪制吸收曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，鄰二氮菲-Fe2+形成的配合物的吸光度隨波長的增大，先增大后減小，存在最大吸收波長。計(jì)算鄰二氮菲-Fe2+、鄰二氮菲-Fe3+絡(luò)合物不同波長處的摩爾吸光系數(shù)，結(jié)果見表1、表2。通過摩爾吸光系數(shù)的計(jì)算，讓學(xué)生進(jìn)一步理解朗伯比爾定律公式在實(shí)際中的應(yīng)用。A=εbc，當(dāng)c濃度一定時(shí)，使用相同的比色皿，b也為常數(shù)，因此，吸光度A與摩爾吸光系數(shù)成正比。在最大吸收波長處，摩爾吸光系數(shù)最大，靈敏度最高。這也是本實(shí)驗(yàn)確定最大吸收波長的原因。

圖1 吸收曲線

表1 鄰二氮菲-Fe2+吸收曲線數(shù)據(jù)

表2 鄰二氮菲-Fe3+吸收曲線數(shù)據(jù)

另一方面，值得注意的是，鄰二氮菲-Fe3+形成的配合物的吸光度較小，在510 nm處僅為0.003，其摩爾吸光系數(shù)僅為84 L·mol-1·cm-1，遠(yuǎn)小于9576 L·mol-1·cm-1(鄰二氮菲-Fe2+)。因此，F(xiàn)e3+對鄰二氮菲-Fe2+配合物吸光度的影響可以忽略。這也是本方法可以用于測定總鐵、Fe2+的原因。在本次實(shí)驗(yàn)中，為加深學(xué)生印象，吸收曲線溶液配制濃度較高。在后續(xù)教學(xué)中，也嘗試過以0.0004 mg·mL-1標(biāo)樣(即表3中標(biāo)1)進(jìn)行吸收曲線的測定，測定鄰二氮菲-Fe2+配合物摩爾吸光系數(shù)為10220 L·mol-1·cm-1，更接近教材中的數(shù)值(1.1 × 104L·mol-1·cm-1)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟(2) (3)所得數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如表3所示。標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)經(jīng)Excel線性回歸處理后，得到線性方程A= 201.75c- 0.0099，線性回歸系數(shù)R2= 0.999，見圖2。根據(jù)線性方程可計(jì)算出稀釋后水樣的濃度，見表3。未知水樣稀釋25倍后，總鐵濃度c(Fe)為0.0017 mg·mL-1，亞鐵離子濃度c(Fe2+)為0.0012 mg·mL-1，三價(jià)鐵離子濃度c(Fe3+)為c(Fe) -c(Fe2+)，為0.0005 mg·mL-1。最后根據(jù)稀釋倍數(shù)，可進(jìn)一步計(jì)算原樣中的c(Fe)、c(Fe2+)及c(Fe3+)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 標(biāo)準(zhǔn)曲線及樣品數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評價(jià)

通過紫外-可見分光光度計(jì)測定吸收曲線，原有實(shí)驗(yàn)通常為確定其最大吸收波長λmax。在本次教學(xué)改革中，學(xué)生計(jì)算不同波長處鄰二氮菲-Fe2+絡(luò)合物的摩爾吸光系數(shù)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握摩爾吸光系數(shù)隨吸收波長的變化趨勢，明確在鄰二氮菲測鐵實(shí)驗(yàn)中，最大吸收波長處摩爾吸光系數(shù)最大的原理。在本次教學(xué)改革中，學(xué)生對比Fe3+-鄰二氮菲、鄰二氮菲-Fe2+配合物的吸光度，加深其對實(shí)驗(yàn)原理的理解；并通過測定總鐵、Fe2+，使學(xué)生進(jìn)一步掌握鄰二氮菲測鐵原理，并熟悉本原理在實(shí)踐過程中的具體應(yīng)用，達(dá)到對知識(shí)的融會(huì)貫通。

在本次教學(xué)改革中，也嘗試不同的教學(xué)方法。學(xué)生通過預(yù)習(xí)掌握Excel數(shù)據(jù)處理和作圖方法，教師講授基本原理后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析所得數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析得出的規(guī)律，加深學(xué)生吸收光譜測定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模粚Ρ茸鴺?biāo)紙作圖和Excel作圖兩種方法、722分光光度計(jì)和普析通用T6紫外-可見分光光度計(jì)，讓學(xué)生了解科技進(jìn)步對儀器分析的影響。

3 結(jié)語

本次教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師根據(jù)學(xué)生的反饋和疑問，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)踐效果良好。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生分工合作，在提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力。未來教學(xué)改革中，教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中仍應(yīng)以學(xué)生為主體，關(guān)注學(xué)生教學(xué)反饋，針對學(xué)生提出的問題或存在的疑惑，引導(dǎo)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生思考、探索和提出自己的見解，真正實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。

不足之處在于，本次實(shí)驗(yàn)樣品為模擬水樣，無樣品前處理過程。未來教學(xué)改進(jìn)還需更多引入實(shí)際樣品中鐵的測定，讓學(xué)生學(xué)習(xí)樣品前處理的相關(guān)技術(shù)和方法；也可開展開放實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生“學(xué)以致用”，從日常食物、飲料中鐵的測定著手，查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，從而提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。