比色法 Fe 分析

作者：Ulrich de la Camp 和 Oliver Seely [1]（经其同意复制，不承担当前内容的责任。）

讨论

在对 Mn 进行比色分析时，使用锰酸盐 (VII)（“高锰酸盐”）离子的特征颜色来确定 Mn 的浓度。然而，很少有金属离子表现出如此强的颜色，尤其是在低浓度下。幸运的是，许多高度有色的配合物可以由金属离子和有机或无机络合剂形成。这些配合物是路易斯酸（金属离子）和路易斯碱（络合剂）相互作用的结果。理想的颜色形成试剂应该是稳定的和选择性的（甚至专一的），并且快速反应形成可溶的、高度有色的配合物。有色配合物应具有高吸光度，并且不受 pH 或温度的微小变化而导致的颜色变化的影响。

比色试剂的应用并非一项新技术，其历史可以追溯到近两千年前。公元 60 年左右，老普林尼在他的《自然史》中推荐使用没食子来测定铜绿中的铁，铜绿是一种绿色颜料。没食子含有约 65-70% 的鞣酸，当与铁结合时，会导致形成黑色的铁/鞣酸配合物。

一般来说，有机比色试剂比无机比色试剂的灵敏度要高得多。它们呈现出更强烈的颜色，因此经常用于痕量分析。对于许多有机试剂，可以测定 ppm 级别的浓度。2,2'-联吡啶 (bipy)，M = 156.20 g mol⁻¹，与亚铁离子形成强烈的红色配合物，可用于测定 ppm 范围内的铁浓度。反应如下所示：

3 bipy + Fe²⁺ $\rightleftharpoons$ Fe(bipy)₃²⁺

下图显示了试剂的结构以及与 Fe 形成的配合物。

铁-联吡啶配合物的摩尔吸光度在最大吸光度波长为 8650 dm³ mol⁻¹ cm⁻¹。该配合物形成速度快，在 pH 值为 3 到 9 的范围内稳定，可用于测定 0.5 到 8 ppm 范围内的亚铁离子浓度。

如果存在三价铁，则必须将其还原为二价铁以生成有色物质。羟胺盐酸盐 HONH₃⁺Cl^- 是用于此目的的合适试剂。该还原反应如下所示：

2 HONH₃⁺Cl^- + 2 Fe³⁺ $\rightleftharpoons$ 4 H⁺ + 2 H₂O + N₂ + 2 Fe²⁺ + 2 Cl^-

可以根据比尔-朗伯定律计算样品中铁的浓度，但是在此程序中，我们采用了一种不同的方法。我们将准备一个标准溶液，并将样品和标准溶液的吸光度读数进行比较。这种技术最大程度地减少了仪器和溶液变化的影响。分光光度法通常精确到约 ± 1%，即约三位有效数字。即使可以使用更复杂的仪器获得更高的精度和准确度，但在大多数情况下，在百万分之几的浓度水平上，± 1% 的准确度已经足够了。在本程序中使用的硫酸亚铁铵标准通常不被认为是一级标准，但其纯度大于 99%，因此足以满足我们的目的。

该实验中一个主要的误差来源是对比色计的误用。在使用此仪器进行任何测量之前，请阅读说明并牢记于心。

实验

原始 Fe 溶液的制备。

准确地称取 ± 0.1 mg 的硫酸亚铁铵 Fe(NH₄)₂(SO₄)₂ 6 H₂O，M = 392.14 g mol⁻¹，制备 250 cm³ 该化合物浓度为 0.00200 mol dm⁻³ 的溶液。将盐定量转移到 250 cm³ 容量瓶中，加入足够的水溶解盐，加入 8 cm³ 的 3 mol dm⁻³ H₂SO₄，用蒸馏水稀释至刻度线，并充分混合。我们将此溶液称为 Fe 原液。将此溶液 10 cm³ 吸移到 100 cm³ 容量瓶中，加入 4 cm³ 的 3 mol dm⁻³ H₂SO4，用蒸馏水稀释至刻度线，并充分混合。将此溶液标记为原始 Fe 溶液，并计算此溶液中 Fe 的浓度（ppm）。

吸光度谱的测量。

为了确定最大吸光度的波长，需要获得铁-联吡啶配合物的吸光度光谱。在间隔处进行的读数足以勾勒出吸光度光谱，除了在吸光度峰值处，可能需要额外的点才能更完整地描述曲线。将 10 cm³ 的原始 Fe 溶液移入 50 cm³ 的容量瓶中。在第二个 50 cm³ 的容量瓶中，加入大约 10 滴 3 M H₂SO₄。然后，按照所述顺序，在每个烧瓶中加入 1 cm³ 的 10% 羟胺盐酸溶液、10 cm³ 的 0.1% 联吡啶溶液和 4 cm³ 的 10% 乙酸钠溶液。乙酸钠的目的是缓冲混合物。乙酸钠加上已经存在的硫酸，在约 4.5 至 5 的 pH 范围内形成乙酸-乙酸盐缓冲液。在添加每种试剂后，务必充分混合。然后用蒸馏水将每个烧瓶加至刻度线，并通过倒置和摇动充分混合。含铁的烧瓶与下一部分将要制备的标准 Fe 溶液具有相同的浓度。现在，从 400 nm 到 600 nm，以 10 nm 的间隔读取此溶液的吸光度读数，除非需要额外的点才能更好地定义曲线的形状。使用不含 Fe 的溶液作为空白。将吸光度（纵轴）对波长（横轴）在毫米方格纸上整齐地绘制出来。使用纸张的长边作为横轴。从该图中选择显示最大吸光度的波长。这就是用于测量未知溶液的波长。它被称为最大值波长（λ_max）。

确定标准 Fe 溶液的吸光度。

在开始本部分步骤之前，请务必记录在本部分分析中使用的比色计的编号。比色计的编号可以在比色计前面的一个小蓝色标签上找到。为了使此方法有效，所有后续的吸光度测量必须使用相同的比色计和相同的比色皿进行。丢弃 50 cm³ 容量瓶中的两种溶液。彻底冲洗两个容量瓶，然后根据之前的步骤，使用原始 Fe 溶液制备一组新的溶液。将含有 Fe 的溶液标记为标准 Fe 溶液，并计算其以 ppm 表示的 Fe 浓度。确定该溶液在先前确定的最大吸光度波长处的吸光度。使用不含 Fe 的溶液作为空白。至少进行三次测量。在每种情况下，重置零点和 100% 透射率。记录百分比透射率和吸光度值。清空比色皿，用相同溶液的另一部分重新填充它，然后再次确定吸光度值。计算所有六个吸光度值的平均值。

分析 Fe 未知物。

清洗一个 100 cm³ 的容量瓶，在磨口玻璃区域上标上您的姓名首字母，并将其交给您的指导老师，他们会将 10 cm³ 的未知溶液移入其中，并为您提供一个参考编号。然后加入 4 cm³ 的 3 mol dm^-3 H₂SO₄，充分混合，然后用蒸馏水加至刻度线。通过倒置和摇动塞住的烧瓶充分混合。将此溶液标记为第一个未知稀释液 (FUD)。将此溶液的 10 cm³ 移入 50 cm³ 的容量瓶中，然后严格按照此顺序加入 1 cm³ 的 10% 羟胺盐酸溶液、10 mL 的 0.1% 联吡啶溶液和 4 cm³ 的 10% 乙酸钠溶液。在添加每种试剂后，务必充分混合，方法是轻轻摇动或旋转烧瓶，但不要倒置。在添加所有试剂后，用蒸馏水将烧瓶加至刻度线，并通过倒置和摇动充分混合。此溶液将被称为第二个未知稀释液 (SUD)。使用之前的空白溶液作为参考，以及之前确定的最大吸光度波长，确定此溶液的吸光度。至少测量三次吸光度。清空比色皿，用相同溶液的另一部分重新填充它，然后再次确定吸光度。

分析城市自来水。

如果本实验中提供了城市自来水样品，您将确定两个样品中的铁浓度。城市自来水中的铁浓度接近此方法的精度水平，因为南加州大多数水中的铁浓度非常低。铁管是水中铁的最主要来源。Fe(OH)3 的溶度积为 4.0 x 10-38。计算得出，中性水中 Fe3+ 的浓度非常低，无法检测到，大约为每百万亿份水中一份铁 (10-18)。尽管如此，无论哪种形式的铁进入我们的供水系统，最终都可能以氢氧化铁的胶体沉淀形式存在。为了使少量铁溶解，我们对自来水酸化并煮沸两分钟，在冰水中冷却至室温，然后执行您现在熟悉的步骤。

步骤

您观察到的吸光度可能低于您对已知和未知样品观察到的吸光度。如果您确实获得非常低的吸光度读数，两个比色皿形状的微小差异足以使任何铁的存在无法检测到，除非考虑了两个比色皿之间系统误差的校正。清洗两个比色皿，并用空白溶液填充它们。使用其中一个比色皿校准分光光度计，然后使用另一个比色皿进行吸光度读数。确保比色皿上的垂直线在分光光度计中始终与塑料比色皿架上的标记相邻，无论是在校准过程中还是在所有未来的读数过程中。如果垂直线在任何读数过程中位于不同的位置，吸光度会发生轻微变化。第二个比色皿将是您放置样品的地方。我们将此吸光度称为系统误差吸光度 (A_{systematic error})。您测量的吸光度是两个比色皿之间的系统误差，使用第一个比色皿作为空白。此吸光度将从使用铁样品获得的读数中减去，如下所示：使用 50 mL 量筒，从两个不同的城市获取两个 50 mL 的城市自来水样品。将每个样品放入一个干净的 250 mL 烧杯中。在每个样品中加入 10 滴 3 M H2SO4。在热板上将每个样品煮沸 2 分钟。将两个样品在冰水中冷却，直到它们不再温暖。将每个样品依次倒回 50 mL 量筒中，并加入足够的蒸馏水，使每个样品的体积恢复到 50 mL。将每个样品的内容物倒回相同的 250 mL 烧杯中混合。将第一个样品的 35 mL 移入 50 mL 容量瓶中（使用 25 mL 容量移液管和 10 mL 容量移液管），然后严格按照此顺序加入 1 mL 的 10% 羟胺盐酸溶液、10 mL 的 0.1% 联吡啶溶液，最后使用滴管，加入最多 4 mL 的 10% 乙酸钠溶液至刻度线。在添加每种试剂后，务必充分混合，方法是轻轻倒置烧瓶。此样品在以下计算描述中将被称为城市反应烧瓶。使用之前的空白溶液作为参考，在之前确定的最大吸光度波长处，确定此溶液的吸光度。至少测量三次吸光度。用第二个从不同城市沸腾的自来水样品重复此部分。从每个实验值中减去代表比色皿之间系统误差的吸光度。

计算

未知物 Fe 浓度的计算可以通过比较方法进行。但是，只有在该系统在所涉及的浓度范围内符合比尔-朗伯定律的情况下才能进行此操作。对于铁-联吡啶配合物，该范围为 0.5 至 8 ppm。用于计算第二个未知稀释液中 Fe 浓度的适当关系式为

"A" 是吸光度，下标 "S" 分别表示标准 Fe 溶液的吸光度和浓度，而下标 "SUD" 分别表示第二个未知稀释液的吸光度和浓度。对于未知溶液的吸光度值，请使用对每个样品获取的三个读数的平均值。从获得的 [Fe]_SUD 值中，计算您的指导老师给您的原始未知 Fe 溶液中以 ppm 表示的铁浓度。

如果本实验中提供了城市自来水，则以上方程用于确定您测量吸光度的溶液的 [Fe]。由于该溶液被制备成 50 mL，但在过程中您使用了 15 mL 用蒸馏水制备的试剂，因此可以通过对以上方程进行简单的修改来找到城市自来水的 [Fe]

报告

报告以下数据

Fe 未知物编号
比色计编号
最大吸光度波长
标准 Fe 溶液的平均吸光度
标准 Fe 溶液的浓度（以 ppm 表示）
两个第二个未知稀释液 (SUD) 样品的吸光度
第二个未知稀释液的平均浓度（以 ppm 表示）。
使用上述 7 中给出的值，计算您的指导老师给您的溶液中以 ppm 表示的原始 Fe 浓度。（要达到这一点，您进行了两次稀释：（a）10:100 和 (b) 10:50）
如果本实验中提供了城市自来水，则两个城市自来水样品中以 ppm 表示的铁浓度。
您的实验室笔记本中包含相关数据的页面

将吸光度光谱的原件或副本附在报告单上。

关于比色法测定铁的问题

本步骤中使用的配体的名称和结构式是什么？
绘制 Fe2+ 与配体形成的配合物的结构式。
为什么本步骤中使用羟胺盐酸？
六水合硫酸亚铁铵的化学式是什么？
为什么本分析中使用乙酸钠？
铁-联吡啶配合物在哪个铁浓度范围内符合比尔-朗伯定律？
茶叶中含有大量的单宁酸。鉴于此事实，请解释为什么用蒸馏水泡的茶没有用普通水泡的茶那种典型的深棕色。
列出一些适用于比色分析的良好络合剂的特征。
计算您的标准 Fe 溶液中以 ppm 表示的 Fe 浓度。