“化學實驗技術”大賽中兩種鐵含量測定方法建立*

孫曉陽，常 順，張錦慧，劉 恒，賴東平

(黑龍江生物科技職業學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

全國職業院校技能大賽已成功舉辦了13屆，是目前規模最大、影響力最強、技能水平最高的全國性、綜合性職業院校技能大賽。近年來，教育部注重發揮職業院校技能大賽在促進“三教”改革、提升職業院校人才培養質量中的引領作用，不斷改革大賽辦賽模式。2020年，借鑒世界職業技能大賽理念，推進大賽治理體系和治理能力建設，開展大賽改革試點?！盎瘜W實驗技術”賽項即為2020年開始舉辦的改革試點賽[1]，賽項以原“工業分析與檢驗”賽項為基礎，充分借鑒了世界職業技能大賽的理念，改革創新了競賽的內容、形式、評分標準等。

2021年，“化學實驗技術”賽項在2020年基礎上又進行了更新和改革，競賽內容范圍更廣，對選手的綜合素養要求更高。在B模塊樣品中鐵含量的測定中，需要選手確定采用鄰菲啰啉或磺基水楊酸分光光度法，自行設計實驗方案，對模擬試樣進行測定，獲取準確的測定結果[2]。對于參賽隊伍來說，賽前建立鐵試樣的含量測定方法至關重要。建立競賽用的測定方法與建立常規樣品分析方法有所不同，不僅要保證方法的精密度、準確度，更要求充分結合賽項規程提供的已知條件，針對賽項評分的標準，考慮賽場出現的各種變化，同時要做到節約比賽時間，提高選手操作的便捷性。

我院參賽隊伍以賽項規程、考核要點、賽項樣題為核心，通過文獻查閱、條件摸索，建立了兩種鐵含量測定方法。

1 實驗部分

1.1 原理

目前，實驗室測定試樣中的鐵離子含量主要有原子吸收分光光度法、紫外可見分光光度法[3]、重鉻酸鉀滴定法[4]等。2021年，“化學實驗技術”賽項規程中明確了采用1,10-菲啰啉或者磺基水楊酸為顯色劑[2]。

1)1,10-菲啰啉分光光度法測定鐵含量原理

用抗壞血酸將試樣中的三價鐵(Fe3+)還原成二價鐵(Fe2+)。在pH=2～9時，二價鐵(Fe2+)與1,10-菲啰啉生成橙紅色絡合物，在分光光度計最大吸收波長處(510 nm)測定其吸光度[5]。

2)磺基水楊酸分光光度法測定鐵含量原理

在pH8～11.5的氨性條件下，三價鐵離子(Fe3+)與磺基水楊酸生成穩定的黃色絡合物，在分光光度計最大吸收波長處(420 nm)測定其吸光度[6]。

1.2 實驗材料

1.2.1 儀器與試劑

UV-1800PC-DS2紫外-可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；AE224分析天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

抗壞血酸、三水乙酸鈉、氨水、氯化銨、1,10菲啰啉、磺基水楊酸、冰乙酸、硫酸、十二水合硫酸鐵氨[NH4Fe(SO4)2·12H2O]、蒸餾水。

1.2.2 溶液配制

抗壞血酸溶液(100 g/L)：稱取 100 g 抗壞血酸，加水溶解稀釋到 1000 mL，即得。

1,10-菲啰啉溶液(1.5 g/L)：稱取 1.5 g1,10-菲啰啉，加水溶解稀釋到 1000 mL，即得。

乙酸-乙酸鈉緩沖液(pH4.5)：稱取三水乙酸鈉 272 g，加水 500 mL 溶解，加冰乙酸 240 mL，加水稀釋到 1000 mL，即得。

氨-氯化銨緩沖液(pH10):氨-氯化銨緩沖液(pH10.0)取氯化銨 5.4 g，加水 20 mL 溶解后，加濃氨溶液 35 mL，再加水稀釋至 100 mL，即得。

磺基水楊酸溶液(100 g/L)：稱取 25 g 磺基水楊酸，加水溶解稀釋到 250 mL，即得。

鐵離子(Fe3+)儲備液(1.0 g/L)：稱取 8.636 g 十二水合硫酸鐵氨[NH4Fe(SO4)2·12H2O]，精確至 0.001 g,以 400 mL 水溶解，加入1∶1硫酸 100 mL，加水定容至1000 mL。

鐵離子(Fe3+)標準溶液A(20 mg/L)：精密移取上述鐵離子(Fe3+)儲備液(1.0 g/L)5.0 mL，置于250 mL量瓶中，加水稀釋并定容至刻度。

鐵離子(Fe3+)標準溶液B(60 mg/L)：精密移取上述鐵離子(Fe3+)儲備液(1.0 g/L)15.0 mL，置于250 mL量瓶中，加水稀釋并定容至刻度。

1.3 工作曲線繪制

1.3.1 1,10-菲啰啉分光光度法

鐵離子(Fe3+)標準系列溶液配制：分別精密移取0.0、3.0、6.0、9.0、12.0、15.0、18.0 mL 鐵離子(Fe3+)標準溶液A(20 mg/L)置于7個100 mL量瓶中，在上述7瓶溶液中分別加入1 mL的抗壞血酸溶液，搖勻后加入 20 mL 的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(pH4.5)和 10 mL 的1,10-菲啰啉溶液(1.5 g/L)，用水稀釋至刻度，搖勻。靜置15 min即得0～7號溶液。

測定最大吸收波長：以上述配制的0號溶液為空白，在波長400～600 nm 范圍對4號溶液進行光譜掃描，測得最大吸收波長為 510.0 nm。

繪制標準曲線：以0號溶液為空白，在波長 510 nm 處測定上述0～7號標準系列溶液的吸光度，擬合獲得標準曲線。測定結果見表1。

表1 1,10-菲啰啉分光光度法標準曲線

1.3.2 磺基水楊酸分光光度法

鐵離子(Fe3+)標準系列溶液配制：分別精密移取0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 mL 鐵離子(Fe3+)標準溶液B(60 mg/L)置于7個 100 mL 量瓶中，在上述7瓶溶液中分別加入 10 mL 磺基水楊酸溶液(100 g/L),加入氨-氯化銨緩沖液(pH10)20 mL。用水稀釋至刻度，搖勻，靜置 10 min。即得0～7號溶液。

測定最大吸收波長：以上述配制的0號溶液為空白，在波長400～600 nm范圍對4號溶液進行光譜掃描，測得最大吸收波長為 510.0 nm。

繪制標準曲線：以0號溶液為空白，在波長 510 nm 處測定上述0～7號標準系列溶液的吸光度，擬合獲得標準曲線。測定結果見表2。

表2 1,10-菲啰啉分光光度法標準曲線

1.4 樣品分析

1.4.1 鐵試樣制備方法

稱取 6.909 g 十二水合硫酸鐵氨[NH4Fe(SO4)2·12H2O]，精確至 0.001 g,以 400 mL 水溶解，加入1∶1硫酸 100 mL，以水定容至 1000 mL，即得鐵試樣(質量濃度 800 mg/L)。

1.4.2 樣品溶液配制

1,10-菲啰啉分光光度法：精密移取上述鐵試樣 10.0 mL，加水定量稀釋至 100 mL，精密移取該溶液 2.5 mL置于 100 mL 量瓶中，加入 1 mL 的抗壞血酸溶液，搖勻后加入 20 mL 的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(pH4.5)和 10 mL 的1,10-菲啰啉溶液(1.5 g/L)，用水稀釋至刻度，搖勻，靜置 15 min 即得待測溶液。平行制備3份。

磺基水楊酸分光光度法：精密移取上述鐵試樣 10.0 mL，加水定量稀釋至 100 mL，精密移取該溶液 5.0 mL 置于 100 mL 量瓶中，加入 10 mL 磺基水楊酸溶液(100 g/L),加入氨-氯化銨緩沖液(pH10)20 mL。用水稀釋至刻度，搖勻，靜置 10 min 即得待測溶液。平行制備3份。

1.4.3 樣品測定

1)待測溶液測定。以標準曲線0號溶液為空白，在波長 510 nm 處測定1,10-菲啰啉分光光度法的3份待測溶液的吸光度。在波長 420 nm 處測定磺基水楊酸分光光度法的3份待測溶液的吸光度。由測得吸光度從工作曲線獲得待測溶液中鐵的質量濃度。測定數據見表3。

2)鐵試樣含量計算。按(1)式計算出試樣中鐵含量，以質量濃度ρ(Fe)計，單位mg/L。取3次測定結果的算術平均值作為最終結果。計算結果見表3。

ρ(Fe)=ρx×n

(1)

式中：ρ(Fe)為試樣中鐵的質量濃度，mg/L；ρx為從工作曲線獲得的待測溶液中鐵質量濃度，mg/L；n為試樣溶液的稀釋倍數。

3)測定結果分析：對試樣中鐵含量測定結果的精密度進行分析，以相對極差A(%)表示，結果見表3。

(2)

以鐵試樣配制質量濃度800 mg/L作為真實質量濃度值，計算測定結果的相對誤差，結果見表3。

表3 樣品中Fe測定結果

2 結果與討論

2.1 標準曲線的設計

設計標準曲線的質量濃度范圍時要注意:除了要保證樣品點的數目足夠，分布均勻，還應該盡可能使較多樣品點的吸光度值分布在0.2～0.8。一方面，吸光度在此范圍內時采用紫外可見分光光度法測定樣品最為穩定和準確；另一方面，通?！盎瘜W實驗技術”賽項中對于樣品點的分布有評分要求，過多樣品點超出0.2～0.8的范圍，會被扣除一定分值?？紤]到比賽現場與練習環境的各種差異，要盡可能設計耐用性較好的標準曲線。

根據賽前公布的競賽規程及樣題[2]推測，賽場除提供 10 mL 的刻度吸管外，只提供一支體積 250 mL 的量瓶用于鐵離子儲備液的稀釋。這些客觀條件都決定了不能隨意設計標準曲線各樣品點溶液的稀釋方式。在設計具體的配制方案時，要確保利用賽場提供的容量儀器能夠實現，并且盡可能的使選手操作便捷，質量濃度和體積的倍數要易于理解和計算。

2.2 確定待測溶液的配制方法

不同于實際工作中可能需要用建立的測定方法測定多種不同濃度范圍的試樣，競賽現場只需要測定一個質量濃度的鐵試樣。該試樣為專家組配制形成，這就決定了建立方法時不需要考慮固體樣本的前處理等問題。

為了使對未知試樣的測定盡可能的準確，理想的待測溶液的質量濃度應該分布在標曲范圍的中間區域(吸光度值在0.35～0.55附近)。所以參賽選手應該以待測溶液終質量濃度為導向，根據賽場提供的未知鐵試樣質量濃度范圍，結合比賽現場提供的刻度吸管及容量瓶的具體規格，設計出合理且易于操作的未知試樣的配制方案。

2.3 結果的精密度與準確度的分析

本實驗中的玻璃容量儀器等級均為A級，并經過體積密度法檢定，比色皿在使用之前已進行配對試驗。在此條件下，選手操作的平行性、規范性，是影響方法精密度的主要因素。顯色反應的充分和產物的穩定是影響測定準確度的主要因素。本文中建立的兩種方法分別以乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(pH4.5)和氨-氯化銨緩沖液(pH10)調節顯色反應的酸堿環境，均能保證生成穩定的有色產物，此結果與有關文獻的報道一致[7-9]。在1,10-菲啰啉分光光度法中要注意抗壞血酸溶液作為還原劑本身易于氧化，應盡可能當天配制使用，以免由于對試樣中三價鐵離子還原不完全而造成測定結果不準確。