实验十九 磺基水杨酸铁配合物的组成及稳定常数的测定
实验目的
1、了解比色法测定溶液中配合物的组成和稳定常数的原理。 2、学习分光光度计的使用方法。
预习要点
一、预习721型分光光度计的使用方法（见附录），分光光度法测定配合组成和稳定常数的原理及操作要点。
二、思考并回答下列问题
1、如果溶液中同时有几种不同组成的有色配合物存在能否用本实验方法测定它们的组成和稳定常数？
2、用等摩尔数连续变化法测定配合物的组成时，为什么说溶液重金属离子的摩尔数与配位体摩尔数之比正好与配离子组成相同时，配离子的浓度为最大？
3、实验中如果温度有较大变化，对测得的稳定常数有何影响？
4、实验中每个溶液的pH值是否一样，如果不一样对结果有何影响？
基本原理
COOHHOSO3H磺基水杨酸（简化为H3R），与Fe3+可以形成稳定的配合物，配合物的组成随溶液的pH值的不同而改变。在pH=2~3时，pH=4~9时，pH=9~11.5时，磺基水杨酸与Fe3+能分别形成不同颜色且具有不同组成的配离子。本试验是测定pH=2~3时形成的紫红色的磺基水杨酸铁配离子的组成及其稳定常数。实验中通过加入一定量的HClO4溶液来控制溶液的pH值。
测定配离子的组成时，分光光度法是一种有效的方法。实验中，常用的方法有两种：一是摩尔比法，一是等摩尔数连续变化法（也叫浓比递变发）。本实验采用后者，用上述方法时要求溶液中的配离子是有色的，并且在一定条件下只生成这一种配合物，本实验中所用的
3+
磺基水杨酸是无色的，Fe溶液很稀，也可以认为是无色的，只有磺基水杨酸铁配离子显紫红色，并且能一定程度的吸收波长为500nm的单色光。
根据比尔定律：
D = ε·C·L
其中：D，光密度；ε代表每一有色物质的特征常数，称之为消光系数；L，液层厚度；C，溶液浓度，当液层厚度一定时，则溶液光密度就只与溶液的浓度成正比。
本实验过程中，保持溶液中金属离子的浓度（CM）与配位体的浓度（CR）之和不变（即总摩尔数不变）的前提下，改变CM与CR的相对量，配制一系列溶液，测其光密度，然后再以光密度D为纵坐标，以溶液的组成（配位体的体积分数）为横坐标作图，得一曲线，如图19-1所示，显然，在这一系列溶液中，有一些是金属离子过量，而另一些溶液则是配位体过量，在这两部分溶液中，溶液离子的浓度都不可能到最大值，因此溶液的光密度也不可能达到最大值，只有当溶液中金属离子与配位体的摩尔比与配离子的组成一致时，配离子的浓度才最大，因而光密度才最大，所以光密度最大值所对应的溶液的组成，实际上就是配合物的组成。
图 1 光密度随溶液组成变化曲线
VR如图所示，光密度最大值所对应的溶液组成为0.5，即VRVM=0.5，也即：nRnRnM0.5，整理后得，n:n = 1:1，就是说在配合物中，中心离子与配位体之比为1:1（若
R
M
VRVRVM=0.8时，nR:nM为若干？）
用等摩尔系列法还可以求算配合物的稳定常数。在图 1中，在极大值两侧，其中M或H3R过量较多的溶液中，配合物的电离度都很小（为什么？）所以光密度与溶液的组成几乎呈线性关系，但当VM与VR之比接近配合物的组成时也就是说两者过量都不多的情况下，形成的配合物的电离度相对来说就比较大了，所以在这些区域内曲线出现了近于平坦的部分，图 1的A点为两侧直线部分的延长线交点，它相当于假定配合物完全不电离时的光密度的极大值（D1），而B点则为实验测得的光密度的极大值（D2），显然配合物的电离度越大，则D1-D2的差值就越大，所以配离子的电离度
D1D2α=D1
对于平衡
M + nRMRn
Cα Cα C（1-α）
[MRn]来说，其表观稳定常数可以表示为： K=[M][R]n
当n = 1时
[MR]C(1)1K=[M][R]=C•C=C2
式中C为与A点（或B点）相对应得溶液中M离子的总摩尔浓度（配离子的平衡浓度与金属离子的平衡浓度之和），将α值代入上式即可求出稳定常数。
仪器药品
721型分光光度计，容量瓶（50mL），烧杯（50mL），Fe3+（1.00×10-2 mol•L-1），磺基水杨酸（1.00×10-2 mol•L-1），HClO4(2.5×10-2 mol•L-1)，洗瓶。
实验步骤
一、 配制系列溶液
将11个容量瓶洗净并编号。 在1号容量瓶中，用吸量管加入0.025 mol•L-1HClO4溶液5.00mL、Fe3+溶液（1.00×10-2
mol•L-1）5.00mL、然后用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。
按同样方法根据表 1中所示各溶液的量将2号~11号溶液配好。 表 1 实验记录表
0.025 mol•L-1HClO4的体积（mL）
5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00
Fe3+溶液(1.0×10-2 mol•L-1)的体积(mL)
5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
二、测定系列溶液的光密度
测定使用72型分光光度计，1厘米比色皿，以蒸馏水为空白，选用波长为500nm的单色光。
比色皿要先用蒸馏水冲洗，再用待测溶液洗三遍，然后装好溶液（注意不要太满），用镜头纸擦净比色皿的透光面（水滴较多时，应先用滤纸吸去大部分水，再用镜头纸擦净）。
将测得的光密度值记在表 1中。 三、结果处理
以光密度为坐标，以配位体的体积分数为横坐标作图，求出磺基水杨酸铁的组成并计算表现稳定常数。
[注1]如考虑弱酸的电离平衡，则对表现稳定常数要加以校正，矫正后即可的K稳校正公式为
lgK稳 = lgK + lgα
其中：K为表现稳定常数
α为酸效应系数，对磺基水杨酸，当pH = 2时，lgα= 10.2。
H3R溶液(1.00×10-2 mol•L-1)的体
积(mL)
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00
配位体的 体积分数
容量瓶 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
VRVRVm
光密度 D
水中铁离子含量测定方法 水中铁离子含量测定方法
铁在深层地下水中呈低价态,当接触空气并在pH大于5时, 便被氧化成高铁并形成氧化铁水合物(Fe2O3•3H2O)的黄棕色沉淀,暴露于空气的水中, 铁往往也以不溶性氧化铁水合物的形式存在。当pH值小于5时,高铁化合物可被溶解。 因而铁可能以溶解态、胶体态、悬浮颗粒等形式存在于水体中, 水样中高铁和低铁有时同时并存。
二氮杂菲分光光度法可以分别测定低铁和高铁,适用于较清洁的水样;原子吸收分光光度法快速且受干扰物质影响较小。水样中铁一般都用总铁量表示。 11.1 二氮杂菲分光光度法 11.1.1 应用范围
11.1.1.1 本法适用于测定生活饮用水及其水源水中总铁的含量。
11.1.1.2 钴、铜超过5mg/L,镍超过2mg/L,锌超过铁的10倍对此法均有干扰,饿、镉、汞、钼、银可与二氮杂菲试剂产生浑浊现象。
11.1.1.3 本法最低检则量为2.5μg, 若取50ml 水样测定, 则最低检测浓度为0.05mg/L。 11.1.2 原理
在pH3～9的条件下,低铁离子能与二氮杂菲生成稳定的橙红色络合物,在波长510nm处有最大光吸收。二氮杂菲过量时,控制溶液pH为2.9～3.5,可使显色加快。
水样先经加酸煮沸溶解铁的难溶化合物,同时消除氰化物、亚盐、多磷酸盐的干扰。加入盐酸羟胺将高铁还原为低铁,还可消除氧化剂的干扰。 水样不加盐酸煮沸,也不加盐酸羟胺,则测定结果为低铁的含量。 11,1.3 仪器
11.1.3.1 100ml三角瓶。 11.1.3.2 50ml具塞比色管。 11.1.3.3 分光光度计。 11.1.4 试剂
11.1.4.1 铁标准贮备溶液:称取0.7022g硫酸亚铁铵[Fe(NH4)2(SO4)2•6H2O],溶于70ml 20+50硫酸溶液中,滴加0.02mol/L 的高锰酸钾溶液至出现微红色不变,用纯水定容至1000ml。此贮备溶液1.00ml含0.100mg铁。
11.1.4.2 铁标准溶液(使用时现配):吸取10.00ml铁标准贮备溶液(11.1.4.1), 移入容量瓶中,用纯水定容至100ml。此铁标准溶液1.00ml含10.0μg铁。
11.1.4.3 0.1％二氮杂菲溶液:称取0.1g氮杂菲(C12H8N2•H2O) 溶解于加有2滴浓盐酸的纯水中,并稀释至100ml。此溶液1ml可测定100μg以下的低铁。
注:二氮杂菲又名邻二氮菲、邻菲绕啉,有水合物(C12H8N2•H2O)及盐酸盐 (C12H8N2•HCl)两种,都可用。
11.1.4.4 10％盐酸羟胺溶液:称取10g盐酸羟胺(NH2OH•HCl),溶于纯水中,并稀释至100ml。 11.1.4.5 乙酸 铵缓冲溶液(pH4.2): 称取250g乙酸铵( NH4C2H3O2) ,溶于150ml纯水中,再加入700ml冰乙酸混匀,用纯水稀释至1000ml。 11.1.4.6 1+1盐酸。 11.1.5 步骤
11.1.5.1 量取50.0ml振摇混匀的水样(含铁量超过50μg时, 可取适量水样加纯水稀释至50.0ml) 于100ml三角瓶中。
注: 总铁包括水体中悬浮性铁和微生物体中的铁, 取样时应剧烈振摇成均匀的样品,并立即量取。取样方法不同,可能会引起很大的操作误差。
11.1.5.2 另取100ml三角瓶8个,分别加入铁标准溶液(11.1.4.2)0、0.25、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00ml,各加纯水至50ml。
11.1.5.3 向水样及标准系列三角瓶中各加4ml 1+1盐酸(11.1.4.6)和1ml 盐酸羟胺溶液(11.1.4.4),小火煮沸至约剩30ml(有些难溶亚铁盐,要在pH2左右才能溶解,如果发现尚有未溶的铁可继续煮沸浓缩至约剩15ml) , 冷却至室温后移入50ml比色管中。
11.1.5.4 向水样及标准系列比色管中各加2ml二氮杂菲溶液(11.1.4.3), 混匀后再加10.0ml乙酸铵缓冲溶液(11.1.4.5),各加纯水至50ml刻度,混匀,放置10～15min。 注: ① 乙酸铵试剂可能含有微量铁,故缓冲溶液的加入时要准确一致。
② 若水样较清洁,含难溶亚铁盐少时,可将所加试剂: 1+1盐酸(11.1. 4.6)、二氮杂菲溶液(11.1.4.5)及乙酸铵缓冲溶液(11.1.4.5)用量减半。 但标准系列与样品操作必须一致。 11.1.5.5 于510nm波长下,用2cm比色皿,以纯水为参比,测定样品和标准系列溶液的吸光度。
11.1.5.6 绘制校准曲线,从曲线上查出样品管中铁的含量。 11.1.6 计算
C＝M/V .............................(32)
式中: C———水样中总铁(Fe)的浓度,mg/L; M———从校准曲线上查得的样品管中铁的含量,μg; V———水样体积,ml。 11.1.7 精密度与准确度
有39个实验室用本法测定含铁150μg/L的合成水样, 其他成分的浓度金属离子(μg/L)为:汞,5.1;锌,39;铜,26.5镉,29锰,130。相对标准差为18.5％, 相对误差为13.3％
1.
利用Fe3+氧化性设计实验:
(1)取一定量的待测溶液,加入过量的铜粉
----Cu+..+..2Fe3+..=..Cu2+..+..2Fe2+
----充分反应后,过滤.
----称量反应前后铜的质量变化,计算溶液中Fe3+的含量.
(2)取一定量的待测溶液,加入过量的铜粉
----通入过量氯气,再加入过量的铜粉.
----充分反应后,过滤.
----称量反应前后铜的质量变化,计算通入氯气后溶液中Fe3+的含量.
----根据两次计算的Fe3+的差值计算Fe2+含量.
2.
利用Fe2+还原性设计实验
(1)用酸性高锰酸钾溶液滴定,据消耗高锰酸钾溶液的量计算溶液中亚铁离子的含量.
(2)加入过量的铜粉,过滤,再用酸性高锰酸钾溶液滴定,据消耗高锰酸钾溶液的量计算加入铜粉后溶液中亚铁离子的含量.
----据两次消耗的高锰酸钾溶液的差值计算Fe3+的含量.
关键词：测定 的测定 铁的测定
一、 测定方法 二氮杂菲分光光度法 二、 方法依据
《生活饮用水卫生规范》(2001) 三、 测定范围
测定生活饮用水及其水源中的铁含量 四、 测定原理
在pH3---9条件下，低铁离子与二氮杂菲生成稳定的橙色络合物，在波长510nm处有最大光
吸收。二氮杂菲过量时，控制pH2.9----3.5，可使显色加快。水样先经加酸煮沸溶解难溶的铁
化合物，同时消除氰化物、亚盐、多磷酸盐的干扰。加入盐酸羟胺将高铁还原为低铁，还可消除氧化剂的干扰。 五、 试剂
1、 盐酸溶液（1+1）
2、 乙酸铵缓冲溶液（pH4.2）,称取250克乙酸铵，溶于150mL纯水中，再加入700mL冰乙酸，混匀。
3、 盐酸羟胺（100g/L）
4、 二氮杂菲溶液（1 g/L）：称取0.1 g二氮杂菲，溶于加有2滴盐酸（ρ20=1.19g/mL）的纯水中，并稀释至100mL。
5、 铁标准储备液[ρ（Fe）=100ug/mL]：称取0.7022克硫酸亚铁铵，溶于少量纯水，加入3mL盐酸（ρ20=1.19g/mL），于容量瓶中，定容成1000mL。
6、 铁标准使用液（使用时现配）[ρ（Fe）=10.0ug/mL]：吸取10 mL铁标储备液移入容量瓶中，用纯水定容至100mL。 六、 仪器设备
1、 锥形瓶（150mL）
2、 具塞比色管（50mL） 3、 分光光度计 4、 比色皿（2cm） 七、 分析步骤
1、 吸取50mL混匀水样于150mL锥形瓶。
2、 另取8个150mL锥形瓶，分别加入铁标准使用液0，0.25，0.50,1.00,2.00,3.00,4.00和5.00mL，各加纯水至50mL。
3、 向水样及标准系列中各加4mL盐酸溶液，和1mL盐酸羟胺溶液，小火煮沸至约剩30mL，冷却至室温后移入50mL比色管中。
4、 向水样及标准系列管中各加2mL二氮杂菲溶液，混匀后再加10mL乙酸胺缓冲液，各加纯水至50mL，混匀，放置10---15min。
5、 于510nm波长，用2cm比色皿，以纯水为参比，测量吸光度。 6、 绘制标准曲线，从曲线上查出样品管中铁的质量。 八、计算： ρ（Fe）= m/V
式中：ρ（Fe）----水样中总Fe的质量浓度，mg/L m----从标准曲线中查得样品管中铁的质量，ug v----水样体积，mL。
