不同技術(shù)方法測定配合物穩(wěn)定常數(shù)的實驗研究

摘 要：以測定Fe（Ⅱ）和鄰菲羅啉反應(yīng)生成的配合物穩(wěn)定常數(shù)為例，探究了威尼爾分光光度計、圖像比色法和創(chuàng)新分光光度計在實驗數(shù)據(jù)上的差異。研究發(fā)現(xiàn)，威尼爾分光光度計、圖像比色法可以得到與文獻接近的數(shù)據(jù)結(jié)果，Phyphox的數(shù)據(jù)偏移較大。根據(jù)本實驗得到的數(shù)據(jù)，分析了這些技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：分光光度法；圖像比色法；Phyphox；配合物穩(wěn)定常數(shù)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、問題的提出

（一）朗伯比爾定律與分光光度法

基于朗伯比爾定律，不同類別的分光光度計廣泛用于儀器分析實驗課程教學(xué)和定量分析科研中，但各有優(yōu)缺點。單光束分光光度計簡單、價廉，但不能夠做全波段光譜掃描；雙光束分光光度計可以實現(xiàn)全波段自動掃描，但價格較高，儀器復(fù)雜；其他科研用分光光度計儀器體積大，且價格較為昂貴……種種原因限制了分光光度法在基礎(chǔ)教育課堂的使用與開發(fā)，在一定程度上限制了學(xué)生對化學(xué)科學(xué)研究的想象與認識。

（二）分光光度法的創(chuàng)新應(yīng)用

基于這一現(xiàn)狀，已有部分研究針對“分光光度法走入中等教育課堂”展開了不同層面的探究與嘗試。結(jié)合已有文獻進行分析，分光光度法的創(chuàng)新應(yīng)用大致可分為三類：手持分光/色度儀器、圖像比色法、創(chuàng)新分光光度計設(shè)計。

手持儀器由于具有良好的精密性，在中學(xué)實驗探究中有較為良好的應(yīng)用。已有研究使用如手持色度計、威尼爾分光光度計和威尼爾Specro Vis光纖等設(shè)備對配位化學(xué)平衡和焰色反應(yīng)進行了定性和定量分析[2][3]。與手持儀器相比，圖像比色法更適合在有限的條件下開展。有外國學(xué)者在新冠疫情期間針對酸堿指示劑百里酚藍在pH值影響下的化學(xué)平衡移動進行了線上教學(xué)，從RGB值的角度引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)字圖像進行分析[4]。與上兩種方法不同的是，創(chuàng)新分光光度計設(shè)計側(cè)重于設(shè)計簡易分光光度計，如利用LED燈或智能手機既作為光源又作為檢測器，對特定樣品進行定量分析[5][6]。

綜上，一系列方法提供了可行的實驗路徑，但也帶來了一系列問題。圖像比色法使用不同參數(shù)進行分析，得到的結(jié)果不盡相同；不同分析方法與分光光度計的分析結(jié)果存在一定程度的差異，但已有研究更側(cè)重于新手段的開發(fā)，缺少不同方法間的比較?；诖耍狙芯恳訤e（Ⅱ）與鄰菲羅啉的配位反應(yīng)為例，探討不同技術(shù)方法測定配合物穩(wěn)定常數(shù)的精準性。

二、實驗設(shè)計

（一）設(shè)計思路

Fe（Ⅱ）能與鄰菲羅啉形成穩(wěn)定的橙紅色配離子，生成的配離子色澤穩(wěn)定，能吸收510nm的光，常用該反應(yīng)進行實驗教學(xué)。本研究首先計算好所需溶液的體積，再用移液槍直接向試管中加入溶液，由此可以免去使用容量瓶配制溶液的繁瑣流程[7]。

（二）實驗儀器與藥品

（1）實驗儀器

分析天平，威尼爾分光光度計，智能手機（華為mate40、iPhone15pro），DRAGONLAB移液槍。

（2）實驗藥品

六水合硫酸鐵（Ⅱ）銨（ AR），鹽酸羥胺（CP），鄰菲羅啉（AR），乙酸銨（AR），無水乙醇（AR），乙酸（AR），鹽酸（AR）。

（3）實驗用品

手工實驗箱，容量瓶，試管，比色皿。

（三）實驗原理

在實際實驗中，發(fā)現(xiàn)Phyphox APP檢測的環(huán)境光強與光源距離有很大關(guān)系。為了保證較好的檢測效果，需要調(diào)節(jié)光源和檢測器間的距離。

（二）反應(yīng)體系配制

取14支潔凈試管，參考張斌等[8]優(yōu)化的實驗試劑與用量，計算得到了各組實驗的試劑用量，每份溶液總體積為3mL。按照表1的用量在試管中配制反應(yīng)溶液。加樣完畢并振蕩試管后，靜置反應(yīng)體系三分鐘使其充分配位。

（三）數(shù)據(jù)采集

樣品反應(yīng)結(jié)束后，分別從試管頂部和試管側(cè)面對樣品進行俯拍和側(cè)拍，采集圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)采集完畢后，以1號樣品做參比，用威尼爾分光光度計分別測定樣品的吸光度。結(jié)束后，使用兩部智能手機，利用Phyphox APP再次對環(huán)境光強進行測定，待APP界面的光強數(shù)值穩(wěn)定后測定5s，然后更換樣品，最終可得到環(huán)境光強隨時間變化的曲線圖。導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)上傳電腦，以待后續(xù)分析。

四、實驗結(jié)果與分析

（一）威尼爾分光光度計測得的吸光度-Fe（Ⅱ）摩爾分數(shù)曲線圖

使用威尼爾分光光度計測得配合物吸光度，并使用1號和14號進行吸光度矯正，得到吸光度-Fe（Ⅱ）摩爾分數(shù)圖，如圖2所示。

兩條擬合直線交點雖較理論配比有所偏移，但在可接受范圍內(nèi)，計算得到lgK穩(wěn)

= 19. 8。根據(jù)文獻記載，lgK穩(wěn)在17. 0～21. 5內(nèi)處在可接受范圍內(nèi)[8]。以威尼爾分光光度計得到的結(jié)果為基準，進一步比較圖像比色法和Phyphox APP計算穩(wěn)定常數(shù)得到結(jié)果的差異。

（二） R、G、B及其相關(guān)參數(shù)的數(shù)值- Fe（Ⅱ）摩爾分數(shù)曲線圖

使用智能手機分別對玻璃試管中的樣品從頂部、側(cè)面拍照，得到了可用于后續(xù)分析的圖像（見圖3）。

對俯拍、側(cè)拍得到的樣品色塊R、G、B值作圖，得到如圖4所示的俯拍、側(cè)拍RGB值-Fe（Ⅱ）摩爾分數(shù)散點圖。

可以看出，無論俯拍還是側(cè)拍，R、G、B值的走勢都呈現(xiàn)相同的規(guī)律：R值在一定范圍波動，G值和B值隨樣品中配合物濃度升高而減小，且B值減小得更明顯。俯拍和側(cè)拍的差異在于，側(cè)拍R、G、B值變動的范圍更小，這可能是由于俯拍相較側(cè)拍接受更多環(huán)境光，使整體顏色更加鮮亮。隨著樣品橙紅色的加深，R通道數(shù)值在三個通道中的占比逐漸增加。這符合RGB通道在計算機中的應(yīng)用模式，作為一種加法色彩系統(tǒng)，一個顏色的整體效果由R、G、B三個通道的數(shù)值疊加決定。某一通道所占比例越大，顏色就會越接近這一顏色通道所代表的顏色。

灰度是一個綜合了R、G、B三通道數(shù)值的函數(shù)，從曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，灰度與G、B通道具有相似的走勢，但數(shù)值更高，離散性也進一步增加。歐氏距離的走勢則與R、G、B及灰度的走勢完全相反，更接近于吸光度的走勢。由于灰度的整體離散性增加，且已有研究者應(yīng)用歐氏距離對水楊酸鹽分光光度法檢測水中氨氮含量進行了定量分析[9]。鑒于此，不再使用灰度進行分析，利用歐式距離代替吸光度，嘗試對穩(wěn)定常數(shù)進行定量計算。

依據(jù)圖7顯示的結(jié)果，歐氏距離D的擬合效果略遜于A_B的擬合效果，經(jīng)過計算，俯拍和側(cè)拍的lgK穩(wěn)分別為14. 9和16. 2，均不滿足要求。

（三）Phyphox-Fe（Ⅱ）摩爾分數(shù)曲線圖

Phyphox APP 利用手機自身的光傳感器，通過感知環(huán)境光的變化得到相應(yīng)的透射光強數(shù)據(jù)。由于樣品最大吸收波長為510nm，故采用#00FF00 色卡作為光源（R = 0， G = 255， B = 0）。由于待測物質(zhì)對光有吸收作用，故在測定時可以看到平臺出現(xiàn)。Phyphox APP 測得的“環(huán)境光強-時間”曲線如圖8所示。

選取每一平臺數(shù)值穩(wěn)定處進行求算，得到對應(yīng)樣品的環(huán)境光強均值。利用透射光、出射光計算吸光度并進行校正處理，得到Phyphox APP測得的吸光度-Fe（Ⅱ）摩爾分數(shù)曲線如圖9所示。

Phyphox APP，

在使用對樣品進行檢測時最大吸光度出現(xiàn)在了7號樣品，顯然是一個錯誤的現(xiàn)象。因此在數(shù)據(jù)處理時，依舊選擇6號樣品作為實驗最大吸光度進行計算，最終計算 lgK穩(wěn)= 17. 0。

五、實驗結(jié)論

（一）數(shù)字比色法的數(shù)據(jù)結(jié)果更接近威尼爾分光光度計

將使用不同方法或參數(shù)測得的解離度、穩(wěn)定常數(shù)與lgK穩(wěn)進行對比，并以威尼爾分光光度計得到的數(shù)據(jù)為基準計算相對誤差，得到表2所示數(shù)據(jù)。

基于本實驗得到的結(jié)果，圖像比色法可能更適合在中學(xué)課堂開展。首先，圖像比色法是目視比色法的進一步延伸。學(xué)生通過已有經(jīng)驗可以得出“溶液濃度越高，顏色越深”這一結(jié)論，從而理解目視比色法的原理；而圖像比色法是在目視比色法的基礎(chǔ)上將顏色信息量化的過程，需要選擇合適的數(shù)據(jù)進行分析。通過分析，學(xué)生可以用計算機語言量化理解“顏色深”這一現(xiàn)象，即相應(yīng)顏色通道的占比增加。其次，使用Phyphox APP需要兩部電子設(shè)備，分別充當光源和檢測器，對光路的調(diào)節(jié)也有很高的要求。而在真實的實驗條件下，光路的調(diào)節(jié)受到很多環(huán)境因素和操作者自身原因的擾動，極易造成實驗誤差，這無形中增加了使用上的困難。

根據(jù)本實驗得到的數(shù)據(jù)，使用B通道數(shù)值進行吸光度轉(zhuǎn)化得到的結(jié)果相對誤差更小。從補色律的角度，或許可以理解實驗過程中不同樣品R、G、B通道值的變化。在一定的實驗條件下，R值維持某一值波動，而被物質(zhì)吸收的綠光以一定比例轉(zhuǎn)化為G值和B值的減小，就造成了G值和B值隨配合物濃度升高而減小的趨勢。而由于RGB是一種加法顏色系統(tǒng)，G值和B值的減小使R值在三者間占據(jù)的比例隨配合物濃度的增大逐步增加，從視覺效果上造成了顏色的加深。

（二）圖像比色法和Phyphox APP各有利弊

如表3所示，雖然本實驗得到的Phyphox APP數(shù)據(jù)相較圖像比色法準確度較差，但這不意味圖像比色法具有壓倒性優(yōu)勢。

首先，圖像比色法依賴于參數(shù)的選取。已有研究使用圖像比色法進行精密分析時，對不同待測物質(zhì)使用的分析參數(shù)進行了長久的試錯，這也使得文獻中所涉及的參數(shù)五花八門?；谖墨I，研究認為，在使用圖像比色法時，可以首先對R、G、B值進行趨勢分析，而后選擇合適的參數(shù)進行“吸光度值”的轉(zhuǎn)換，進而對參數(shù)的“吸光度值”進行分析，其擬合度和計算結(jié)果會較為接近真實值。

其次，圖像比色法受圖像質(zhì)量的影響。本實驗結(jié)果顯示，側(cè)拍的數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于俯拍的數(shù)據(jù)質(zhì)量，其可能原因在于，俯拍數(shù)據(jù)受到環(huán)境光的影響較大，容易造成眩光的影響，這為取色工作的推進帶來了很大的障礙。已有文獻表示，用塑料管進行比色分析時，可以避免玻璃試管對光的折射[10]。因此，在進行圖像比色法時，需要從實驗準備的層面對圖像質(zhì)量進行調(diào)控，如選擇合適的容器、恰當?shù)墓庠囱a充、適合比色分析的背景等等。

最后，圖像比色法的取色方式會顯著影響分析結(jié)果。因為圖像比色法的數(shù)據(jù)直接來源于圖像信息，因此對圖像取色區(qū)域的選擇非常重要。為了避免較大的實驗誤差，在取色時盡量保證取色位置的一致性、取色區(qū)域大小的一致性，以便進行取色工作，并進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

總的來說，使用圖像比色法和Phyphox APP法進行比色分析都是在中學(xué)實驗課堂中可行的方法，但其在應(yīng)用過程中需要注意各自的應(yīng)用情景與應(yīng)用條件。目前，已有高中教材設(shè)置了使用分光光度法開展的科學(xué)探究活動?；瘜W(xué)教師可以參考相關(guān)技術(shù)手段，開創(chuàng)更適合課堂教學(xué)的實驗手段與實驗工具，為中學(xué)化學(xué)課堂帶來活力與創(chuàng)新。

六、實驗創(chuàng)新價值

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，基于測定配合物穩(wěn)定常數(shù)的Job法，使用威尼爾分光光度計、圖像比色法和Phyphox法成功得到了在相同實驗條件下鐵與鄰菲羅啉配合物的穩(wěn)定常數(shù)，并對得到的穩(wěn)定常數(shù)數(shù)據(jù)進行了橫向?qū)Ρ?，進而比較了不同技術(shù)手段在實驗過程中的優(yōu)缺點以及實驗數(shù)據(jù)的差異。本研究在總結(jié)已有技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，進一步進行了評估，為中學(xué)教師提供了可供參考的實驗操作方式，為提高中學(xué)化學(xué)實驗課堂的靈活度提供了可供參考的實驗設(shè)計方案。

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（ 責(zé)任編輯：加順花）