比色法 Fe 分析

作者：Ulrich de la Camp 和 Oliver Seely [1]（經其同意複製，不承擔當前內容的責任。）

討論

在對 Mn 進行比色分析時，使用錳酸鹽 (VII)（“高錳酸鹽”）離子的特徵顏色來確定 Mn 的濃度。然而，很少有金屬離子表現出如此強的顏色，尤其是在低濃度下。幸運的是，許多高度有色的配合物可以由金屬離子和有機或無機絡合劑形成。這些配合物是路易斯酸（金屬離子）和路易斯鹼（絡合劑）相互作用的結果。理想的顏色形成試劑應該是穩定的和選擇性的（甚至專一的），並且快速反應形成可溶的、高度有色的配合物。有色配合物應具有高吸光度，並且不受 pH 或溫度的微小變化而導致的顏色變化的影響。

比色試劑的應用並非一項新技術，其歷史可以追溯到近兩千年前。公元 60 年左右，老普林尼在他的《自然史》中推薦使用沒食子來測定銅綠中的鐵，銅綠是一種綠色顏料。沒食子含有約 65-70% 的鞣酸，當與鐵結合時，會導致形成黑色的鐵/鞣酸配合物。

一般來說，有機比色試劑比無機比色試劑的靈敏度要高得多。它們呈現出更強烈的顏色，因此經常用於痕量分析。對於許多有機試劑，可以測定 ppm 級別的濃度。2,2'-聯吡啶 (bipy)，M = 156.20 g mol⁻¹，與亞鐵離子形成強烈的紅色配合物，可用於測定 ppm 範圍內的鐵濃度。反應如下所示：

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

下圖顯示了試劑的結構以及與 Fe 形成的配合物。

鐵-聯吡啶配合物的摩爾吸光度在最大吸光度波長為 8650 dm³ mol⁻¹ cm⁻¹。該配合物形成速度快，在 pH 值為 3 到 9 的範圍內穩定，可用於測定 0.5 到 8 ppm 範圍內的亞鐵離子濃度。

如果存在三價鐵，則必須將其還原為二價鐵以生成有色物質。羥胺鹽酸鹽 HONH₃⁺Cl^- 是用於此目的的合適試劑。該還原反應如下所示：

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

可以根據比爾-朗伯定律計算樣品中鐵的濃度，但是在此程式中，我們採用了一種不同的方法。我們將準備一個標準溶液，並將樣品和標準溶液的吸光度讀數進行比較。這種技術最大程度地減少了儀器和溶液變化的影響。分光光度法通常精確到約 ± 1%，即約三位有效數字。即使可以使用更復雜的儀器獲得更高的精度和準確度，但在大多數情況下，在百萬分之幾的濃度水平上，± 1% 的準確度已經足夠了。在本程式中使用的硫酸亞鐵銨標準通常不被認為是一級標準，但其純度大於 99%，因此足以滿足我們的目的。

該實驗中一個主要的誤差來源是對比色計的誤用。在使用此儀器進行任何測量之前，請閱讀說明並牢記於心。

實驗

原始 Fe 溶液的製備。

準確地稱取 ± 0.1 mg 的硫酸亞鐵銨 Fe(NH₄)₂(SO₄)₂ 6 H₂O，M = 392.14 g mol⁻¹，製備 250 cm³ 該化合物濃度為 0.00200 mol dm⁻³ 的溶液。將鹽定量轉移到 250 cm³ 容量瓶中，加入足夠的水溶解鹽，加入 8 cm³ 的 3 mol dm⁻³ H₂SO₄，用蒸餾水稀釋至刻度線，並充分混合。我們將此溶液稱為 Fe 原液。將此溶液 10 cm³ 吸移到 100 cm³ 容量瓶中，加入 4 cm³ 的 3 mol dm⁻³ H₂SO4，用蒸餾水稀釋至刻度線，並充分混合。將此溶液標記為原始 Fe 溶液，並計算此溶液中 Fe 的濃度（ppm）。

吸光度譜的測量。

為了確定最大吸光度的波長，需要獲得鐵-聯吡啶配合物的吸光度光譜。在間隔處進行的讀數足以勾勒出吸光度光譜，除了在吸光度峰值處，可能需要額外的點才能更完整地描述曲線。將 10 cm³ 的原始 Fe 溶液移入 50 cm³ 的容量瓶中。在第二個 50 cm³ 的容量瓶中，加入大約 10 滴 3 M H₂SO₄。然後，按照所述順序，在每個燒瓶中加入 1 cm³ 的 10% 羥胺鹽酸溶液、10 cm³ 的 0.1% 聯吡啶溶液和 4 cm³ 的 10% 乙酸鈉溶液。乙酸鈉的目的是緩衝混合物。乙酸鈉加上已經存在的硫酸，在約 4.5 至 5 的 pH 範圍內形成乙酸-乙酸鹽緩衝液。在新增每種試劑後，務必充分混合。然後用蒸餾水將每個燒瓶加至刻度線，並透過倒置和搖動充分混合。含鐵的燒瓶與下一部分將要製備的標準 Fe 溶液具有相同的濃度。現在，從 400 nm 到 600 nm，以 10 nm 的間隔讀取此溶液的吸光度讀數，除非需要額外的點才能更好地定義曲線的形狀。使用不含 Fe 的溶液作為空白。將吸光度（縱軸）對波長（橫軸）在毫米方格紙上整齊地繪製出來。使用紙張的長邊作為橫軸。從該圖中選擇顯示最大吸光度的波長。這就是用於測量未知溶液的波長。它被稱為最大值波長（λ_max）。

確定標準 Fe 溶液的吸光度。

在開始本部分步驟之前，請務必記錄在本部分分析中使用的比色計的編號。比色計的編號可以在比色計前面的一個小藍色標籤上找到。為了使此方法有效，所有後續的吸光度測量必須使用相同的比色計和相同的比色皿進行。丟棄 50 cm³ 容量瓶中的兩種溶液。徹底沖洗兩個容量瓶，然後根據之前的步驟，使用原始 Fe 溶液製備一組新的溶液。將含有 Fe 的溶液標記為標準 Fe 溶液，並計算其以 ppm 表示的 Fe 濃度。確定該溶液在先前確定的最大吸光度波長處的吸光度。使用不含 Fe 的溶液作為空白。至少進行三次測量。在每種情況下，重置零點和 100% 透射率。記錄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，然後再次確定吸光度值。計算所有六個吸光度值的平均值。

分析 Fe 未知物。

清洗一個 100 cm³ 的容量瓶，在磨口玻璃區域上標上您的姓名首字母，並將其交給您的指導老師，他們會將 10 cm³ 的未知溶液移入其中，併為您提供一個參考編號。然後加入 4 cm³ 的 3 mol dm^-3 H₂SO₄，充分混合，然後用蒸餾水加至刻度線。透過倒置和搖動塞住的燒瓶充分混合。將此溶液標記為第一個未知稀釋液 (FUD)。將此溶液的 10 cm³ 移入 50 cm³ 的容量瓶中，然後嚴格按照此順序加入 1 cm³ 的 10% 羥胺鹽酸溶液、10 mL 的 0.1% 聯吡啶溶液和 4 cm³ 的 10% 乙酸鈉溶液。在新增每種試劑後，務必充分混合，方法是輕輕搖動或旋轉燒瓶，但不要倒置。在新增所有試劑後，用蒸餾水將燒瓶加至刻度線，並透過倒置和搖動充分混合。此溶液將被稱為第二個未知稀釋液 (SUD)。使用之前的空白溶液作為參考，以及之前確定的最大吸光度波長，確定此溶液的吸光度。至少測量三次吸光度。清空比色皿，用相同溶液的另一部分重新填充它，然後再次確定吸光度。

分析城市自來水。

如果本實驗中提供了城市自來水樣品，您將確定兩個樣品中的鐵濃度。城市自來水中的鐵濃度接近此方法的精度水平，因為南加州大多數水中的鐵濃度非常低。鐵管是水中鐵的最主要來源。Fe(OH)3 的溶度積為 4.0 x 10-38。計算得出，中性水中 Fe3+ 的濃度非常低，無法檢測到，大約為每百萬億份水中一份鐵 (10-18)。儘管如此，無論哪種形式的鐵進入我們的供水系統，最終都可能以氫氧化鐵的膠體沉澱形式存在。為了使少量鐵溶解，我們對自來水酸化並煮沸兩分鐘，在冰水中冷卻至室溫，然後執行您現在熟悉的步驟。

步驟

您觀察到的吸光度可能低於您對已知和未知樣品觀察到的吸光度。如果您確實獲得非常低的吸光度讀數，兩個比色皿形狀的微小差異足以使任何鐵的存在無法檢測到，除非考慮了兩個比色皿之間系統誤差的校正。清洗兩個比色皿，並用空白溶液填充它們。使用其中一個比色皿校準分光光度計，然後使用另一個比色皿進行吸光度讀數。確保比色皿上的垂直線在分光光度計中始終與塑膠比色皿架上的標記相鄰，無論是在校準過程中還是在所有未來的讀數過程中。如果垂直線在任何讀數過程中位於不同的位置，吸光度會發生輕微變化。第二個比色皿將是您放置樣品的地方。我們將此吸光度稱為系統誤差吸光度 (A_{systematic error})。您測量的吸光度是兩個比色皿之間的系統誤差，使用第一個比色皿作為空白。此吸光度將從使用鐵樣品獲得的讀數中減去，如下所示：使用 50 mL 量筒，從兩個不同的城市獲取兩個 50 mL 的城市自來水樣品。將每個樣品放入一個乾淨的 250 mL 燒杯中。在每個樣品中加入 10 滴 3 M H2SO4。在熱板上將每個樣品煮沸 2 分鐘。將兩個樣品在冰水中冷卻，直到它們不再溫暖。將每個樣品依次倒回 50 mL 量筒中，並加入足夠的蒸餾水，使每個樣品的體積恢復到 50 mL。將每個樣品的內容物倒回相同的 250 mL 燒杯中混合。將第一個樣品的 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），然後嚴格按照此順序加入 1 mL 的 10% 羥胺鹽酸溶液、10 mL 的 0.1% 聯吡啶溶液，最後使用滴管，加入最多 4 mL 的 10% 乙酸鈉溶液至刻度線。在新增每種試劑後，務必充分混合，方法是輕輕倒置燒瓶。此樣品在以下計算描述中將被稱為城市反應燒瓶。使用之前的空白溶液作為參考，在之前確定的最大吸光度波長處，確定此溶液的吸光度。至少測量三次吸光度。用第二個從不同城市沸騰的自來水樣品重複此部分。從每個實驗值中減去代表比色皿之間系統誤差的吸光度。

計算

未知物 Fe 濃度的計算可以透過比較方法進行。但是，只有在該系統在所涉及的濃度範圍內符合比爾-朗伯定律的情況下才能進行此操作。對於鐵-聯吡啶配合物，該範圍為 0.5 至 8 ppm。用於計算第二個未知稀釋液中 Fe 濃度的適當關係式為

"A" 是吸光度，下標 "S" 分別表示標準 Fe 溶液的吸光度和濃度，而下標 "SUD" 分別表示第二個未知稀釋液的吸光度和濃度。對於未知溶液的吸光度值，請使用對每個樣品獲取的三個讀數的平均值。從獲得的 [Fe]_SUD 值中，計算您的指導老師給您的原始未知 Fe 溶液中以 ppm 表示的鐵濃度。

如果本實驗中提供了城市自來水，則以上方程用於確定您測量吸光度的溶液的 [Fe]。由於該溶液被製備成 50 mL，但在過程中您使用了 15 mL 用蒸餾水製備的試劑，因此可以透過對以上方程進行簡單的修改來找到城市自來水的 [Fe]

報告

報告以下資料

Fe 未知物編號
比色計編號
最大吸光度波長
標準 Fe 溶液的平均吸光度
標準 Fe 溶液的濃度（以 ppm 表示）
兩個第二個未知稀釋液 (SUD) 樣品的吸光度
第二個未知稀釋液的平均濃度（以 ppm 表示）。
使用上述 7 中給出的值，計算您的指導老師給您的溶液中以 ppm 表示的原始 Fe 濃度。（要達到這一點，您進行了兩次稀釋：（a）10:100 和 (b) 10:50）
如果本實驗中提供了城市自來水，則兩個城市自來水樣品中以 ppm 表示的鐵濃度。
您的實驗室筆記本中包含相關資料的頁面

將吸光度光譜的原件或副本附在報告單上。

關於比色法測定鐵的問題

本步驟中使用的配體的名稱和結構式是什麼？
繪製 Fe2+ 與配體形成的配合物的結構式。
為什麼本步驟中使用羥胺鹽酸？
六水合硫酸亞鐵銨的化學式是什麼？
為什麼本分析中使用乙酸鈉？
鐵-聯吡啶配合物在哪個鐵濃度範圍內符合比爾-朗伯定律？
茶葉中含有大量的單寧酸。鑑於此事實，請解釋為什麼用蒸餾水泡的茶沒有用普通水泡的茶那種典型的深棕色。
列出一些適用於比色分析的良好絡合劑的特徵。
計算您的標準 Fe 溶液中以 ppm 表示的 Fe 濃度。