Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子鑒定分離的兩種設(shè)計(jì)方案*

馬亞魯 馬媛媛 賈佩楠 李小層 劉娜 張慧婷

(天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 天津 300072)

混合離子的分離與鑒定是無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一，可訓(xùn)練學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作和基本技能，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力[1]。

在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)混合離子的分離與鑒定則是以鑒定為目的，提出了分別分析和系統(tǒng)分析的設(shè)計(jì)原則。在已知組成的混合溶液中，若某一離子有特效反應(yīng)，或其他離子的存在并不干擾此離子的鑒定，就可取混合液直接鑒定該離子的存在，這稱為分別分析。然而，特效反應(yīng)或離子間完全無干擾的情況并不多。通常需要根據(jù)共存離子的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的分離方案，按一定的順序進(jìn)行分離后，再依次檢出各個(gè)離子，這種分析方法稱為系統(tǒng)分析[2]。

在審閱學(xué)生自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，經(jīng)?？吹揭苑蛛x為目的，先對(duì)各個(gè)離子進(jìn)行分離，再進(jìn)行分別鑒定的設(shè)計(jì)思路。從本質(zhì)上講，以鑒定為目的的思想是基于混合離子的定性分析，可以直接判斷混合液中有哪幾種離子共存；而以分離為目的的思想則是先將待測(cè)混合離子逐一進(jìn)行分離，再定性或定量判定離子的種類和數(shù)量。由于以上兩種設(shè)計(jì)思想根本不同，本文將前者稱為鑒定分離，將后者稱為分離鑒定。以下以Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子的鑒定分離和分離鑒定為例，設(shè)計(jì)并比較兩種方案的特點(diǎn)。

1 Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子的鑒定分離方案設(shè)計(jì)

Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子鑒定分離的具體設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子鑒定分離的設(shè)計(jì)方案

在圖1所示的設(shè)計(jì)方案中，所涉及到的鑒定反應(yīng)包括：

(1)

(2)

(3)

其中dmgH2為丁二酮肟的簡(jiǎn)寫形式，化學(xué)式為CH3C(NOH)C(NOH)CH3。Ni2+與兩個(gè)以氫鍵結(jié)合的大環(huán)狀配體形成Ni(dmgH)2配合物(圖2)，為鮮紅色沉淀。

圖2 Ni(dmgH)2的結(jié)構(gòu)式

本設(shè)計(jì)方案中應(yīng)用了沉淀分離、離子掩蔽等方法，以排除離子在鑒定過程中的干擾；同時(shí)，還應(yīng)注意Fe3+、Co2+、Ni2+的特征鑒定反應(yīng)的反應(yīng)條件(pH、試劑濃度等)。該方案簡(jiǎn)單可行，是學(xué)生在鑒定分離實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到的。

2 Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子的分離鑒定方案設(shè)計(jì)

許多金屬離子(主要是過渡元素)由于能形成配陰離子，可被吸附在陰離子交換樹脂上，從而與陽離子分離；同時(shí)被吸附的配陰離子按其與樹脂的親合力大小，在離子交換樹脂柱上形成色帶(如離子有顏色，從柱上可以觀察到明顯的色層)，然后利用這些配陰離子的穩(wěn)定性不同，選用適當(dāng)?shù)南疵搫墒顾鼈儽舜朔蛛x，這種分離分析方法在分析化學(xué)上稱為離子交換分離法[3-4]。

應(yīng)用離子交換法分離Fe3+、Co2+、Ni2+的基本原理是在12mol·L-1HCl中，F(xiàn)e3+、Co2+、Ni2+均能形成相應(yīng)的氯配陰離子(如[FeCl4]-、[CoCl4]2-、[NiCl4]2-等[5])，并可吸附在強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂上。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)所吸附配陰離子穩(wěn)定常數(shù)的差異，采用分步淋洗的方式(即選用不同濃度的HCl溶液(12mol·L-1、4.5mol·L-1、0.1mol·L-1))洗脫分離之。洗脫過程為交換過程的逆過程。采用不同濃度的HCl洗脫柱層時(shí)，由于配陰離子與樹脂的親和力存在明顯差別，可使吸附在離子交換樹脂上的配陰離子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的陽離子而被洗脫下來，從而達(dá)到分離的目的。當(dāng)用12mol·L-1HCl溶液洗脫時(shí)，與共存的[CoCl4]2-、[FeCl4]-比較，[NiCl4]2-的穩(wěn)定性較差，最先以Ni2+的形式被洗脫出來；然后可用4.5mol·L-1HCl溶液洗脫Co2+,用0.1mol·L-1HCl溶液洗脫Fe3+，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Fe3+、Co2+、Ni2+的分離[6-7]。

實(shí)驗(yàn)選用的強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂為氯型，可能吸附其他雜質(zhì)，故應(yīng)在使用前進(jìn)行預(yù)處理，即用12mol·L-1鹽酸淋洗交換樹脂柱，目的是把柱層樹脂完全轉(zhuǎn)化為氯型，同時(shí)使溶液中的鹽酸處于高濃度狀態(tài)。依次選取12mol·L-1、4.5mol·L-1和0.1mol·L-1鹽酸溶液適量淋洗，注意控制淋洗液的流出速率在每秒1～2滴左右。

在實(shí)驗(yàn)過程中，交換柱上有明顯的顏色變化，其中Co2+和Ni2+的交換層分段很整齊，F(xiàn)e3+和Co2+的交換層分段有交叉現(xiàn)象。Ni2+、Co2+、Fe3+將依次解吸，可分段收集淋洗液，根據(jù)Fe3+、Co2+、Ni2+各離子的特征反應(yīng)進(jìn)行鑒定。

對(duì)比第一種方案，此設(shè)計(jì)方案費(fèi)時(shí)、繁瑣，而且對(duì)環(huán)境不夠友好。故不提倡在無機(jī)化學(xué)混合離子鑒定實(shí)驗(yàn)中使用先分離再鑒定的方案。我們將這一設(shè)計(jì)方案制作成演示實(shí)驗(yàn)的錄像，既介紹了離子交換法的原理和實(shí)驗(yàn)技能，又提供給學(xué)生新的解題思路，讓學(xué)生與第一方案進(jìn)行比對(duì)，以加深學(xué)生對(duì)混合離子鑒定反應(yīng)的理解。

2 小結(jié)

通過比較兩種方案，可讓學(xué)生深刻體會(huì)混合離子鑒定反應(yīng)的原則和方法。借助Fe3+、Co2+、Ni2+混合離子的分離實(shí)驗(yàn)，從鑒定和分離的不同視角對(duì)混合離子的鑒定反應(yīng)進(jìn)行了介紹。將Fe3+、Co2+、Ni2+的離子交換樹脂法分離制作成錄像，在混合離子鑒定實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行演示， 教學(xué)效果良好。

[1] 張桂香.大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)-無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)分冊(cè).天津：天津大學(xué)出版社,2011

[2] 古鳳才.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程.第3版.北京：科學(xué)出版社，2009

[3] 方禹之.分析科學(xué)與分析技術(shù).上海：華東師范大學(xué)出版社，2001

[4] 朱盈權(quán)，李俊義.實(shí)用分析化學(xué).成都：四川人民出版社，1981

[5] 謝高陽，俞練民，劉本耀，等.無機(jī)化學(xué)叢書·第9卷：錳分族 鐵系 鉑系.北京：科學(xué)出版社，1996

[6] 姚思童，徐炳輝，靳惠明.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(2)：229

[7] 胡廣林，張雪梅，徐寶榮.分析化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010