張斌，劉爽，朱艷艷，張家源，伍敏，劉春梅

鄭州大學化學學院，鄭州 450001

紫外分光光度法測定配合物組成和穩(wěn)定常數(shù)的實驗涉及到配位反應理論、光分析法基礎，對學生深入理解配位化學、儀器分析和理論化學的相關內(nèi)容頗有啟發(fā)[1,2]。此外，配合物配位數(shù)和穩(wěn)定性為推斷配合物的性質(zhì)提供了重要信息，具有重要的理論及實踐意義。在pH為2-9的溶液中，1,10-鄰二氮雜菲(Phen)可與Fe2+生成配離子[Fe(Phen)3]2+，其在可見光區(qū)最大吸收波長λmax= 510 nm，摩爾吸收系數(shù)為1.1 × 104L·mol?1·cm?1，溶液呈現(xiàn)顯著的橙紅色[3]。由于螯合配位及反饋π鍵的存在，[Fe(Phen)3]2+穩(wěn)定常數(shù)較高為lgK穩(wěn)= 21.3[4]。顯著的顯色反應和較高的穩(wěn)定常數(shù)，使得紫外-可見分光光度法測定Fe(II)-Phen配合物組成具有操作簡便、數(shù)據(jù)準確、重現(xiàn)性好等優(yōu)點；此外，不超過鐵含量5倍的Sn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cr3+、Mn2+、V5+、Co2+、Cu2+等均不干擾光度法測定，是工業(yè)用化工產(chǎn)品鐵含量測定(GB/T 3049-2006)的方法基礎。

以往由于實驗條件的限制，教學中通常采用指定檢測波長，由學生配制溶液，測定吸光度，之后手繪作圖進行數(shù)據(jù)處理分析。教學活動只是達到熟悉等摩爾連續(xù)變化法測定配合物組成和穩(wěn)定常數(shù)流程之目的，而對于研究體系則做不到完整、系統(tǒng)、深入理解。我們結(jié)合目前各校普遍具備的基本實驗條件，對本實驗項目進行了更新設計和優(yōu)化。通過測定紫外-可見吸收曲線，確定工作波長，結(jié)合前線軌道理論，詮釋配合物顏色；數(shù)據(jù)處理中利用軟件，避免人為因素造成的誤差。優(yōu)化改造后的實驗項目，體現(xiàn)了教學科研的深度融合，對于培養(yǎng)學生知識綜合運用能力大有幫助，對于學生科學研究素質(zhì)的提高具有積極意義。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 等摩爾連續(xù)變化法(Job法)測定原理

根據(jù)朗伯比爾(Lambert-Beer)定律，平行單色光通過比色皿中均勻、非散射的稀溶液時，溶液的吸光度A與溶液中吸光物質(zhì)的濃度c成正比。

其中，ε為摩爾吸收系數(shù)，b為吸收池厚度。

金屬離子Fe2+和1,10-鄰二氮菲有如下反應：

此配離子在pH = 2-9范圍內(nèi)，對波長為510 nm的光具有明顯吸收而顯示橙紅色[3]。亞鐵離子和配位體在此波長下無明顯吸收。因此，以510 nm為檢測波長，吸光度與溶液中配離子的濃度成正比。

將Fe2+與配體Phen配制成一系列濃度比(c(Fe2+) : c(Phen))變化，總濃度相等的溶液。以510 nm為工作波長，利用紫外-可見分光光度計得到系列溶液的吸光度。以吸光度為縱坐標，以連續(xù)變化的n(Fe2+)/[n(Fe2+) + n(Phen)]為橫坐標作圖(圖1)可獲得以下信息[5]：(1) 吸光度最高點對應的c(Fe2+) : c(Phen)為配離子組成比；(2) 吸光度最高點A1兩邊由于存在金屬離子或者配體過量，配合物的解離度很小，吸光度與配合物的濃度成線性關系(圖1中紅色線和黑色散點圖連線重合部分)；(3) 吸光度最高點時，配合物的解離度會略有增大，即最大吸收處的尖銳轉(zhuǎn)折會趨于平滑(圖1中A2)。

圖1 吸光度與n(Fe2+)/[n(Fe2+) + n(Phen)]的關系示意圖

圖1中A2為配合物的實驗測定最大吸光度，兩側(cè)數(shù)據(jù)線直線部分延長后的交點A1則為配合物的理論最大吸光度；由于吸光度與配合物的濃度成正比，所以配合物的解離度α可由下式進行計算得到：

進而可以計算絡合物的穩(wěn)定常數(shù)：

式中c0為配合物的理論濃度，可由加入鐵離子的量進行計算。

顯然，如已知配合物的組成比，則可對穩(wěn)定常數(shù)計算公式進一步變形。例如，假定鄰二氮菲合鐵(II)配離子組成比為1 : 3，即x = 1，y = 3。上式可簡化為：

1.1.2 溶液配制原理

Fe2+標準溶液中會有少量Fe3+存在，其也能與1,10-鄰二氮菲生成組成比為1 : 3的配離子，lgK穩(wěn)= 14.1，可見光區(qū)最大吸收波長λmax為610 nm，呈淡藍色[6]。Fe3+離子的存在，使實驗測試偏差較大。在加入顯色劑之前，需要加入還原劑把Fe3+還原為Fe2+。常用的還原劑有：鹽酸羥胺(NH2OH·HCl)，其在pH = 3-4的介質(zhì)中，幾分鐘內(nèi)將Fe3+還原為Fe2+離子[7]；抗壞血酸在pH = 0-1的較強酸介質(zhì)中，也能夠很快把Fe3+還原為Fe2+離子[8]。

考慮到1,10-鄰二氮菲的pKa= 4.84[9,10]，具有較強的加質(zhì)子能力，在強酸介質(zhì)中，[Fe(Phen)3]2+的解離程度會增大[11,12]；而在pH > 5.50的溶液中鐵離子易水解，生成氫化物沉淀，造成吸光度下降[8]。

因此，本項目宜選用鹽酸羥胺為還原劑，采用乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(pH = 4.50)來控制溶液的酸度。

1.2 儀器與試劑

TU-1900紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)，容量瓶等常規(guī)容量分析玻璃儀器，F(xiàn)e2+標準溶液(1.00 × 10-2mol·L?1)、Phen標準溶液(1.00 × 10-2mol·L?1)，HAc-NaAc緩沖溶液(pH = 4.50)，鹽酸羥胺(2%)，去離子水。

1.3 實驗步驟

(1) 根據(jù)文獻報道的單晶結(jié)構(gòu)計算配合物前線軌道(由教師指導學生在預習階段完成)。

(2) 配制5.00 × 10?4mol·L?1的Fe2+溶液及Phen溶液；

移取Fe2+標準液和鹽酸羥胺5.00 mL至100 mL容量瓶中，定容；

移取Phen標準液5.00 mL至100 mL容量瓶中，定容。

(3) 向具有序列編號的25.00 mL容量瓶中移取10.00 mL HAc-NaAc緩沖溶液，并加入所需體積(V)的Phen和Fe2+溶液。

(4) 測試配離子以及Phen溶液的紫外-可見吸收曲線，確定配合物在可見區(qū)最大吸收波長λmax作為工作波長。

(5) 利用工作波長測定配制的系列溶液的吸光度。

(6) 對數(shù)據(jù)進行分析，得到配離子的組成比，進而求出配離子的穩(wěn)定常數(shù)。

2 結(jié)果討論

2.1 溶液配制

在配制系列溶液方面，借鑒已有文獻資料，設計系列溶液中Fe2+與Phen比例，使最大吸光度兩側(cè)數(shù)據(jù)均衡分布，從而提高配合物解離度計算的準確度[13]。

2.2 工作波長的確定

從配體Phen和配離子[Fe(Phen)3]2+的紫外-可見吸收光譜圖(圖2a)可以看出，在200-350 nm的紫外區(qū)，[Fe(Phen)3]2+和Phen表現(xiàn)出相似的強吸收，可歸屬為Phen的π-π*的電子躍遷[14]。而在配體幾乎無吸收的區(qū)間(400-525 nm)，配合物有較明顯的吸收：最大吸收波長為510 nm，摩爾吸收系數(shù)為1.1 × 104L·mol?1·cm?1[15]，這也是配離子顯色的原因。通過圖2b可以看出，加入鹽酸羥胺以后的鐵離子溶液與鹽酸羥胺溶液的紫外-可見吸收光譜峰型相似，且均在400-525 nm之間未檢測到吸收。顯然，[Fe(Phen)3]2+在510 nm附近的吸收不是Fe2+的d → d禁阻躍遷[14]。此外，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，400-525 nm處的吸收并不是一個寬大的吸收峰，而是有一些平滑的峰包，為芳香環(huán)常有的精細結(jié)構(gòu)，說明此處配離子的吸收是中心Fe(II)離子和配體Phen作用后的共同貢獻。

圖2 紫外-可見吸收光譜

2.3 鄰二氮菲合鐵(II)的顯色反應機理

根據(jù)文獻報道，[Fe(Phen)3]2+的基態(tài)為低自旋(1A1，S = 0)，在吸收510 nm的光后產(chǎn)生金屬到配體躍遷(1MLCT)的單重激發(fā)態(tài)[16,17]。因此，鄰二氮菲合鐵(II)顯色的原因是發(fā)生了MLCT荷移躍遷[18]。2014年de Graaf, C.課題組[19]通過不同計算方法說明了紫外-可見吸收光譜的長波區(qū)吸收來源于MLCT荷移躍遷。此躍遷符合宇稱規(guī)則(Laporte rule)和自旋多重度要求，因此摩爾吸收系數(shù)達到了104數(shù)量級，表現(xiàn)出明顯的橙紅色。

對于本科生的實驗課程，紫外-可見吸收光譜的理論計算過于復雜，而前線分子軌道理論是學生較早接觸和經(jīng)常應用的知識。前線軌道中最高被占軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)，在討論化合物的低能量吸收光譜的電子躍遷過程具有重要的指導意義[20]。2018年Selmi，W.課題組[21]利用HOMO和LUMO軌道的電子云分布說明化合物Fe(phen)3(BF4)(C2O4BF2)·H2O存在荷移躍遷。本實驗指導學生運用Gaussian 09程序包[22]，采用密度泛函(DFT)理論中B3LYP方法，在6-31+G (d,p)基組(非金屬原子C，H，N)和贗勢基組LanL2DZ (金屬原子Fe)水平上對配離子的單晶結(jié)構(gòu)(圖3)進行了基態(tài)優(yōu)化計算。

圖3 [Fe(Phen)3]2+的單晶結(jié)構(gòu)[21] (省去了溶劑和平衡電荷的離子)

優(yōu)化前后配合物的結(jié)構(gòu)無明顯改變，相應的鍵長如表1所示。從表1的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-N鍵長略有增加，但都在3%之內(nèi)，說明計算中使用的方法是合適的。優(yōu)化得到的鍵長小于2.1 ? (1 ? = 0.1 nm)，符合低自旋的基態(tài)1A1時配位鍵的結(jié)構(gòu)特征[23]。根據(jù)GaussView 5生成的配離子電子云分布圖(圖4)可知，配離子的最高占據(jù)軌道(HOMO)的電子云在Fe上具有較多分布，而其最低未占據(jù)軌道(LUMO)軌道的電子云主要分布在配體Phen上。顯然HOMO到LUMO的躍遷可歸屬為鐵離子到配體Phen的荷移躍遷(1MLCT)。前線軌道的計算便于學生更加深入理解分子光譜的電子躍遷本質(zhì)，而且在客觀上也進一步培養(yǎng)了學生實踐結(jié)合理論的學術(shù)習慣。

圖4 [Fe(Phen)3]2+的前線軌道示意圖

表1 配離子晶體和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)主要鍵長值

2.4 配離子組成分析

指定工作波長為510 nm，對配制的系列溶液進行測試，得到對應的吸光度A數(shù)據(jù)(表2)。

表2 系列溶液組成及其吸光度

用吸光度A作縱坐標，以溶液中Fe2+的摩爾分數(shù)χ為橫坐標作圖可得散點圖(圖5)，從圖中可以看出，14#溶液的吸光度雖然接近0但不為0，這是由于在空白校正時，選取未加入Fe2+的1#溶液作為空白；因此，需要對溶液的吸光度加以校正，減小系統(tǒng)誤差[24,25]。

圖5 溶液吸光度A與Fe2+的摩爾分數(shù)χ關系圖

利用Origin軟件以散點圖中1#、14#溶液的吸光度連線作為基線進行吸光度校正，得到符合數(shù)據(jù)分析要求的散點圖。進一步對散點圖中頂點兩側(cè)的數(shù)據(jù)進行線性擬合得圖6。圖中頂點處的實測吸光度和理論吸光度非常接近，局部放大后得圖6右上部的小圖。從小圖中可以明顯分辨出實測最大吸光度A2(Y值)兩側(cè)數(shù)據(jù)的線性擬合直線交點A1對應的Fe2+摩爾分數(shù)χ(X值)為0.2498 ≈ 0.25，對應的組成比為Fe2+: Phen = 1 : 3。因此，可得鄰二氮菲合鐵(II)的組成為：[Fe(Phen)3]2+。

圖6 校正后的溶液吸光度A與Fe2+的摩爾分數(shù)χ關系圖

2.5 配離子解離度及穩(wěn)定常數(shù)計算

配制溶液中6#的Fe2+: Phen = 1 : 3，其吸光度A2(Y= 0.551)為實測配離子的吸光度。由圖6可以看出其吸光度值要小于擬合直線交點處的理論吸光度A1(Y= 0.560)，說明配離子發(fā)生了少量解離。解離度為：

進一步可得lgK穩(wěn)= 18.64，計算值在文獻報道的允許范圍內(nèi)(17.0 < lgK穩(wěn)< 21.5)。例如，1978年Irving等[26]指出[Fe(Phen)3]2+在298 K時lgK穩(wěn)= 20.69；2020年Mohamed等[10]提出由于Phen的質(zhì)子化效應等影響，在pH = 3.5的體系中得到[Fe(Phen)3]2+的表觀(條件)穩(wěn)定常數(shù)lgK穩(wěn)= 17.2；2016年Lima等[27]報道的穩(wěn)定常數(shù)分別為17次方和21次方(軟件處理)。因此，實驗結(jié)果處于合理的區(qū)間。

3 教學效果

本實驗現(xiàn)象明顯，也是目前分析檢測中常用的方法，具有較好的實用價值，學生表現(xiàn)出較強的實驗探究興趣和創(chuàng)新熱情。在規(guī)定的實驗課時內(nèi)，能夠順利完成所有實驗內(nèi)容，并獲得數(shù)據(jù)。兩屆學生的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示擬合直線交點A1對應的Fe2+摩爾分數(shù)χ處于0.240-0.255之間，重現(xiàn)性良好；測定的穩(wěn)定常數(shù)結(jié)果高度集中(17.5 < lgK穩(wěn)< 20.2)，符合預期結(jié)果；同時，通過分組對數(shù)據(jù)結(jié)果偏差的討論，也鍛煉了學生查閱資料、團結(jié)協(xié)作分析和解決問題的能力。此外，一部分同學還在文獻調(diào)研過程中對最新報道的鐵配合物類荷移躍遷激發(fā)態(tài)的相關研究[18,28]表現(xiàn)出了極大的興趣，聯(lián)系課題組進行相關科研實驗，有效起到了教學啟發(fā)科研的目的。

4 結(jié)語

本文對等摩爾連續(xù)變化法測定鄰二氮菲合鐵(II)的組成及穩(wěn)定常數(shù)實驗的內(nèi)容進行了改進與擴充，提高教學訓練的系統(tǒng)性與綜合性。實驗的開展有效促進了學生對配位平衡和酸堿平衡、配位顯色機理、等摩爾連續(xù)變化法等知識的理解和應用；對于數(shù)據(jù)處理軟件的運用，提高了實驗結(jié)果的規(guī)范性和可重復性；理論和文獻調(diào)研的知識在實驗和問題討論中得以驗證和升華，激發(fā)了學生的實驗探究興趣和創(chuàng)新熱情。改進后的實驗有利于培養(yǎng)學生的學術(shù)研究能力和創(chuàng)新性思維，符合新時代大學生培養(yǎng)要求。