Fe3+和Al3+分離實(shí)驗(yàn)的微型化

段秀琴 張曄 范強(qiáng)

摘 要：在Fe3+和Al3+分離實(shí)驗(yàn)中，乙醚用量大、空氣逸散量大，因此造成環(huán)境污染。針對(duì)給環(huán)境和操作者帶來危害的現(xiàn)象，用微型儀器代替常量?jī)x器分離Fe3+和Al3+離子。用分光光度法對(duì)萃取多次的水相產(chǎn)物進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，常量法萃取三次的吸光度為0.055，萃取五次的吸光度為0.005，而微量法萃取三次的吸光度為0.004。微量法萃取三次完全達(dá)到常量法萃取五次的分離效果。每次實(shí)驗(yàn)可減少乙醚用量約2000mL，減少乙醚的逸散量約500mL，逸散率僅為常量的3.4%，極大降低了乙醚的逸散率，減輕了對(duì)環(huán)境的污染，符合綠色化學(xué)的要求。

關(guān)鍵詞：萃取分離;綠色化學(xué);微型化

中圖分類號(hào)：O06-332? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）09-0013-04

綠色化學(xué)是當(dāng)今國際化學(xué)科學(xué)研究的前沿。目標(biāo)是化學(xué)過程不產(chǎn)生污染[1]。綠色化學(xué)十二條原則中談到，要盡可能不使用、不產(chǎn)生對(duì)人類健康和環(huán)境有毒有害的物質(zhì)。但是，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室污染非常嚴(yán)重，已經(jīng)成為一類典型的小型污染源，其危害不可估量[2]。

因此，要按照綠色化學(xué)的原則，在研究中盡量減少實(shí)驗(yàn)室的污染，這是科研工作者的研究理念。

而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化的有效途徑之一是實(shí)驗(yàn)的微型化。自從20世紀(jì)80年代美國科學(xué)家在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的微型制備實(shí)驗(yàn)研究中取得成功后，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究與應(yīng)用就成為一種趨勢(shì)[3]。

微型化實(shí)驗(yàn)，就是以盡可能少的化學(xué)試劑，在微型化學(xué)儀器中，獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)[4]。微型化實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性變革，未來化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。采用微量化實(shí)驗(yàn)的方法，試劑用量比常規(guī)實(shí)驗(yàn)可節(jié)省約70%—90%[5]。但卻可以達(dá)到準(zhǔn)確、明顯、安全、節(jié)約藥品和防止環(huán)境污染的目的[6-8]。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的微型化，是降低污染的有效手段。在減少試劑用量的同時(shí)，往往也能節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間。因此，近年來在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用[9-10]。

常規(guī)方法的Fe3+和Al3+分離實(shí)驗(yàn)過程中，乙醚用量較大且回收率低。乙醚是揮發(fā)性較強(qiáng)的液體，且對(duì)人體有較強(qiáng)的毒害作用。吸入大量乙醚蒸氣會(huì)導(dǎo)致失去知覺，乙醚曾經(jīng)被用作外科手術(shù)上的全身麻醉劑[11]。

鑒于乙醚的危害較大，本文對(duì)Fe3+和Al3+分離實(shí)驗(yàn)的微型化做了探討。用微型儀器代替常量?jī)x器分離Fe3+和Al3+離子。用分光光度法對(duì)萃取的產(chǎn)物進(jìn)行分析。結(jié)果表明，用微量法萃取三次，完全可以達(dá)到常量法萃取五次的分離效果。即節(jié)省了原料，降低了污染物的排放，還縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，縮短了人與有害物的接觸時(shí)間，有效降低了對(duì)人的危害。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

試劑：乙醚、三氯化鐵、三氯化鋁、濃鹽酸、硫氰化鉀均為分析純。

儀器：紫外-可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）;100mL分液漏斗、25mL滴液漏斗、25mL蒸餾瓶、5mL＼10mL注射器、1mL＼5mL吸量管、微型蒸餾裝置（中國教學(xué)儀器設(shè)備上海公司，高中微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)箱ML-2A，專利號(hào)：ZL94243806）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

Fe3+離子與Cl-離子在6mol.L-1的鹽酸中，能夠生成[FeCl4]-四氯合鐵配離子。在強(qiáng)酸和乙醚（Et2O）的萃取體系中，Et2O與H+氫離子結(jié)合，生成較大體積的乙醚-氫配離子（Et2O·H+），[FeCl4]-四氯合鐵配離子也有較大的體積，乙醚-氫配離子和[FeCl4] –四氯合鐵配離子均有較低的電荷。因此，容易形成締合物Et2O·H+·[FeCl4]-。在這種離子締合物中，Cl-氯離子和Et2O分別取代了Fe3+三價(jià)鐵離子和H+氫離子的配位水分子，并且中和了電荷，具有疏水性，能夠溶于乙醚中。因此，加入乙醚后Fe3+就從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相。

在6mol.L-1的鹽酸中，Al3+離子與Cl-離子生成配離子的能力很弱，因此Al3+仍然留在水相中。通過萃取，分離為有機(jī)相和水相。

在含有Fe3+離子的有機(jī)相中加水，使體系的H+離子濃度和Cl-離子濃度降低。在這種條件下，乙醚-氫配離子Et2O·H+與[FeCl4]-配離子解離趨勢(shì)增加，F(xiàn)e3+離子又生成了簡(jiǎn)單的水合鐵離子，被反萃取到水相中。由于乙醚沸點(diǎn)較低（35.6℃），因此，采用普通蒸餾的方法，就可以實(shí)現(xiàn)水和乙醚的分離。這樣Fe3+離子又恢復(fù)到了初始的狀態(tài)，從而達(dá)到了Fe3+和Al3+分離的目的。流程如圖1。

1.3 裝置圖

圖2是萃取裝置。該萃取裝置中的A是常規(guī)用的100mL梨形分液漏斗。B是一個(gè)25mL滴液漏斗，和梨形漏斗相比，中部呈柱狀，容積略小。裝置C由兩個(gè)注射器（5mL＼10mL）和一段乳膠管構(gòu)成，替代常量?jī)x器。改進(jìn)后的萃取裝置與常規(guī)裝置的主要不同有兩點(diǎn)，一個(gè)是漏斗的容量小，由常規(guī)容量改為微量;另一個(gè)是漏斗為圓柱形。漏斗細(xì)長(zhǎng)，雖然振搖后靜置分層時(shí)間略長(zhǎng)，但分離較徹底，可以減少萃取次數(shù)[12]。

圖3是蒸餾裝置。儀器規(guī)格有常規(guī)和微型兩種。

1.4 萃取

混合液的制備。以1：1的體積比，分別移取5% FeCl3溶液和5% AlCl3溶液，混合均勻，再加入等體積的濃鹽酸，制備成混合液。

分別用裝置A、B、C進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)，探索萃取分離效果及乙醚的使用情況。

首先按照常規(guī)方法[8]。用裝置A萃取。將30ml混合溶液和30mL乙醚，先后倒入100mL梨形分液漏斗，蓋上瓶塞，搖晃均勻后，放氣，靜置，待分層后，從下端放出含有Al3+的水層，再從上端倒出含有Fe3+的乙醚層。由于每次萃取量有限，此時(shí)水層會(huì)呈明顯的黃色，說明水相中依然含有大量Fe3+。因此，要繼續(xù)進(jìn)行萃取。

將含有Al3+的水層倒回分液漏斗，再次加入30mL乙醚，進(jìn)行第二次萃取。蓋上瓶塞，搖晃均勻后，放氣，靜置，待分層后，從下端放出含有Al3+的水層，再從上端倒出含有Fe3+的乙醚層。如此重復(fù)操作四次。

鑒于柱形漏斗分離效果較好的特點(diǎn)，我們改用25mL滴液漏斗，用裝置B進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)。同時(shí)減少混合液的用量為8mL，加入8mL乙醚。操作方法與常規(guī)方法相同。

最后用裝置C進(jìn)行萃取，用5mL注射器抽取1.5mL混合液，再抽取等體積的乙醚。拔下針頭，在出口處連接乳膠管，乳膠管上放置一個(gè)輸液器上的控制閥。充分搖動(dòng)，通過控制閥進(jìn)行放氣操作，重復(fù)幾次搖動(dòng)和放氣后，將注射器倒置在鐵架臺(tái)上靜置。待分層后，用另一個(gè)注射器抽出上邊含F(xiàn)e3+的乙醚層。然后給萃取裝置再次按上針頭，抽取乙醚，進(jìn)行第二次萃取。如此重復(fù)操作四次。

裝置C有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一、可以實(shí)現(xiàn)微量化，每次萃取僅用1.5mL乙醚。第二、針管為柱形，相當(dāng)于柱形漏斗，柱形漏斗有利于更好地萃取。第三、在移取乙醚及乙醚和水兩相分離時(shí)，可以采用抽出的方法，和常規(guī)的傾倒方法相比，避免了乙醚與空氣更多地接觸，降低了乙醚在空氣中的逸散量。

1.5 蒸餾

將三種萃取方法所得的乙醚相，分別用常量?jī)x器和微量?jī)x器進(jìn)行蒸餾，根據(jù)蒸出乙醚的量，計(jì)算乙醚回收率和逸散量。

1.6 分析測(cè)定

Fe3+與SCN-在酸性條件下，可以生成血紅色配合物。該反應(yīng)非常靈敏，據(jù)此分析水相中Fe3+的含量。

Fe3++SCN-=[Fe（SCN）]2+（血紅色）

首先移取1mL5%FeCl3溶液，加入4mL0.1mol.L-1的KSCN溶液，稀釋到10mL，在分光光度計(jì)上進(jìn)行全波段掃描，確定硫氰合鐵配離子的最大吸收峰。

移取萃取分離后的水相溶液1mL，加入1mL 0.1mol.L-1的KSCN溶液，稀釋到10mL，在最大吸收峰處用分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，從而確定水相中Fe3+的含量。

測(cè)量蒸餾出來的乙醚體積，計(jì)算回收率和逸散量。

回收率的計(jì)算：回收率%=×100%

逸散量=使用體積-回收體積

2 結(jié)果分析

2.1 最大吸收峰的確定

經(jīng)過全波段掃描，得到圖4。從圖譜中看出，硫氰合鐵的最大吸收峰在465nm處。

2.2 萃取分離效果分析

在465nm處，對(duì)三種萃取分離方法得到的水相產(chǎn)物，分別測(cè)定吸光度。用萃取裝置A，使用30mL乙醚，第一次萃取物吸光度為0.974。第五次產(chǎn)物基本無色，吸光度為0.005。

用B裝置，改梨形漏斗為柱形滴液漏斗，混合物減少到8mL，和梨形漏斗的分離效果比，吸光度明顯變小。第一次萃取物吸光度為0.569。第四次產(chǎn)物基本無色，吸光度為0.004。說明Fe3+的含量明顯減少，每一次的分離效果明顯變好。但也需要萃取四次以上。

改用C裝置，用醫(yī)用注射器替代漏斗，混合液的體積進(jìn)一步減少為1.5mL，第一次萃取物吸光度為0.432。萃取分離三次的吸光度為0.004，已經(jīng)低于常量萃取五次的數(shù)值，達(dá)到常量分離五次的效果。與裝置B相比，滴液漏斗的下部為球形，不是柱形。而注射器是規(guī)整的柱形，非常有利于分離。

由圖5也可以看出，裝置C的每一次萃取效果，都明顯好于前兩個(gè)裝置。

2.3 乙醚回收率

我們將乙醚的用量和回收量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從乙醚的耗用量來看。因?yàn)橛肅裝置萃取，僅僅三次就可以達(dá)到分離的目的，而且每次只用1.5mL，所以乙醚總用量是4.5mL。而用A和B裝置萃取，均需要萃取五次，乙醚總用量分別為150mL和40mL。使用A和B裝置萃取，不僅乙醚的用量大，而且因?yàn)橐颐岩讚]發(fā)，又由于操作中有傾倒乙醚的過程，逸散到空氣中的量增多，回收量明顯降低，逸散量分別為38mL和9.6mL。而裝置C的逸散量?jī)H為1.3mL。盡管回收率相差不大，均在70%以上，但逸散總量卻相差很多，直接影響環(huán)境中乙醚的含量。

通常情況下，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室要有14組以上的學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)情況，我們做了進(jìn)一步計(jì)算。逸散到實(shí)驗(yàn)室的總量分別為：

裝置A用30mL混合液，需要萃取五次，每次實(shí)驗(yàn)逸散乙醚：38×14=532mL。

裝置B用8mL混合液，需要萃取五次，每次實(shí)驗(yàn)逸散乙醚：9.6×14=134.4mL。

裝置C微量法用1.5mL混合液，每次逸散乙醚1.3×14=18.2mL。

用注射器萃取乙醚逸散量占常規(guī)法的百分?jǐn)?shù)為18.2÷532=3.4%。

從計(jì)算結(jié)果看，微量法的逸散量?jī)H僅是常規(guī)的3.4%，大幅度減少了乙醚對(duì)環(huán)境的污染。微量法每次實(shí)驗(yàn)可節(jié)省乙醚2037mL。在實(shí)驗(yàn)室的逸散量可以減少513.8mL。常量實(shí)驗(yàn)

與微量實(shí)驗(yàn)相比，相當(dāng)于多逸散約一瓶試劑的乙醚。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，將常量法改為微型實(shí)驗(yàn)，是完全可行的。經(jīng)過更換儀器減少試劑用量，經(jīng)過三次萃取，僅用4.5mL乙醚就可以達(dá)到Fe3+和Al3+分離的目的。每次實(shí)驗(yàn)比常量法節(jié)省乙醚約2000mL。讓學(xué)生學(xué)會(huì)分離萃取的方法的同時(shí)，大大減少了乙醚的用量和空氣中的逸散量，逸散量比常量法減少約500mL，逸散量?jī)H為常規(guī)方法的3.4%。極大程度的減少有害物質(zhì)的釋放量，降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的污染。另外萃取的次數(shù)減少，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間縮短，這樣就縮短了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室停留的時(shí)間，減輕了與乙醚的接觸，減輕了對(duì)健康的危害?？傊?，該實(shí)驗(yàn)的微型化是完全可行的，是非常必要的。

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