铁等的配合物 鲁教版中,高中化学中配合物出现在三处:化学反应的限度;醇和酚;离子键、配位键与金属键。在化学反应的限度中通过Fe3+与SCN-的可逆的配位反应说明影响化学平衡移动的因素;在醇和酚中,通过Fe3+与苯酚负离子的配位反应所显示的蓝紫色现象来检验苯酚的存在;在配位键中,通过举铜氨络合离子和银铵离子的例子深刻理解配位键的含义。本论文将分为三部分阐释铁等的配合物这个论题。 配合物知识简介 鲁教版只要求学生了解简单配位键的形成实质和配合物在生物、化学等领域的广泛应用。在相应的章节里提到了如何制备氢氧化二氨合银和硫酸四氨合铜,并将组成中含有配位键的物质称为配合物。高中化学涉及的配合物的结构图示如下: Fe(H2O)63+(1) [Cu(NH3)]2+SO42- 与铁有关的各种配位反应的实验及理论分析 补铁剂中铁元素价态的确定及含量的测定 在中学实验中,对铁含量的测定实验采用的是目视比色法,若有创新,还可以用简单的色度计完成操作,色度计是检测溶液透光率的传感器。在一定程度上可以说,目视比色法是用眼睛完成对溶液颜色深浅和溶质浓度关系的估算,而色度计是用传感器准确测定透光率的数据,来反映溶质的具体浓度。具体的实验方案如下: 目视比色法 实验步骤: 样品的处理:固体铁补剂的溶解。铁补剂若是有色,应该用活性炭将其脱色。在烧杯中用20ml 6mol/l盐酸溶解一片补铁剂,溶解后脱色过滤。 配制[Fe(SCN)6]3-标准比色液:将一系列不同量的标准溶液依次加入各比色管中,再分别加入等量的显色剂和其他试剂并稀释至同一刻度,摇匀,即可制成颜色由浅至深的标准比色液。在本实验中,先配制浓度为0.001mol/l的FeCl3标准溶液,再用移液管移取1ml,0.8ml,0.6ml,0.4ml,0.2mlFeCl3标准溶液,分别置于10ml的比色管中,然后向比色管中加入1mlKSCN溶液,用蒸馏水稀释至10ml,摇匀。 配制样品溶液:用5%过氧化氢氧化步骤(1)中得到的溶液,并通过玻璃棒搅拌或微热的方法出去过量的过氧化氢。最后转移至容量瓶中,配成一定体积的样品溶液。[V样品] 配制待测比色液:取一定体积(V’)的样品溶液于比色管中,加入与标准比色液等量的KSCN溶液,并稀释至10ml,作为待测比色液。 比色:将待测比色液与标准比色液进行比较,与待测比色液颜色一致(或相近)的标准比色液的浓度即为待测溶液的浓度(c) 数据处理:将实验数据记录在下表中,计算补铁剂中铁含量。 实验数据 (1)取用一粒补铁剂药片,用目视比色法得到其浓度为5.5*10^-4。 样品	m /g	0.20	V /ml	100	待测比色液	V’/ml	2	V’’/ml	10	c/mol.l-1	5.5*10^-4	测定结果(以样品中铁元素的含量表示)	计算公式:5.5*(10^-4)*(10/2)*0.1*56/0.2=0.077 铁元素的含量:0.077*100%=7.7%	(2)取用0.5ml的口服液,目测得到的样品液浓度为3.5*10^-4mol/l。 色度计测定铁含量 实验步骤: 数据采集的设置和色度计的校正 连接色度计和数据采集器,色度计选用蓝色滤光片。在比色皿中加入蒸馏水,放入色度计中,开始数据采集,调节色度计旋钮,是数据采集器示数为100%。 绘制标准曲线:取一支洁净的比色皿,装入2*10^-4[Fe(SCN)]2+标准溶液,测量其透光率,并记录数据采集器示数。重复上步操作3次。取平均值。即该浓度标准溶液的透光率。按照上述方法分别测定4*10^-4mol/l,6*10^-4mol/l,8*10^-4mol/l, 10^-3mol/l[Fe(SCN)]2+标准溶液的透光率。计算每种浓度溶液对应的㏒(1/T),用计算机或坐标纸绘制出㏒(1/T)-c的标准曲线。 实验数据: 绘制㏒(1/T)-c的标准曲线: 浓度(×10-4mol/l)	透光率T	吸光度(-log T)	1	24.928	24.897	24.684	0.605	2	8.1972	8.2382	8 .2077	1.085	3	4.9429	4.9124	4.9735	1.306	4	4.4853	4.3937	4.4538	1.352	5	3.7225	3.6614	3.7530	1.43	6	3.6309	3.6309	3.6309	1.44	8	3.5394	3.6599	3.5699	1.445	(2)根据数据绘制得到标准曲线如下:㏒(1/T)=0.1198c+0.7584 R2=0.7146 线性相关性不是很好,曲线不经过原点,按照该曲线方程计算待测液的浓度: 浓度	透光率T	吸光度(-log T)	未知	3.6920	3.7530	3.6614	1.432	通过计算可知,c=5.6*10^-4mol/l (3)用色度计测定一粒补铁剂药片中含铁量:用色度计测得在蓝光下,其透过率为3.4479%,3.6004%,3.5699%,平均透过率为3.5394%。计算得c=5.78*10^-4mol/l。 存在的问题及注意事项: 目视比色法和用色度计测量的方法,它们都是利用样品液有颜色,根据颜色深浅得到浓度的大小。不同的是,目视比色法是用眼睛观察样品液的颜色和标准色阶颜色是否相近而做出的大致判断,不能做到精确。用色度计测量的方法,相比于目视比色要更准确。色度计是一种检测溶液透光率的传感器,它和分光光度计原理相似,但是色度计的设计简单,操作也方便,没有分光光度计精确。这种测量食品的颜色不是很准确,由于不能测出物体色的光谱反射率,因此也不能用于计算机配色。但相对来说价格较低。适合中学进行拓展性的实验。学习可以初步了解到朗伯比尔定律。 若要采用色度计或目视比色,都需要样品液颜色较深,能配制出颜色深浅变化的标准色阶。MnO4-离子本身显紫红色,因此可以直接用比色法测浓度。Cu2+颜色为浅蓝色,为使得颜色较深,便于实验观察和测量,通常可以向铜离子溶液中加入过量的氨水,将Cu2+反应为Cu(NH3)42+,表现为深蓝色。同样,Fe3+也需要合适的显色剂将其转化为颜色较深的化合物,本实验和中学实验中采用的是Fe3+和KSCN反应,生成络合物[Fe(SCN)n]3-n,n的取值在1~6之间。随着n的增加,络合物的稳定性增加。[Fe(SCN)n]3-n的溶液表现为血红色。 关于实验中的脱色处理:补铁剂药片溶解后,溶液中可能含有药片中的某些杂质。某些有色杂质可能会影响颜色的观察。因此脱色是出去溶液中药片杂质的颜色。脱色采用的是活性炭。将适量活性炭加入溶液中后,搅拌、静置片刻。然后过滤出去活性炭。脱色过程不需要加热。 关于过氧化氢:一般补铁剂中铁的价态为正二价。需要将铁(二价)氧化为铁(三价),从而可以和KSCN发生反应,获得血红色的络合物。过氧化氢在实验中就是起到氧化剂的作用。但是加入适量过氧化氢后,应该加热将剩余的过氧化氢除去。因为剩余的过氧化氢会和后面加入的KSCN发生氧化还原反应: 2KSCN+H2O2 = 2KOH+(SCN)2,2KOH+(SCN)2=KSCN+KSCNO+H2O。从而导致加入的KSCN不能完全将铁(三价)反应。导致显色不彻底,实验测定结果将偏小。 动物血液中铁含量的测定 《动物血液中铁含量的测定》是一个适合于中学生在课外进行研究性学习或化学兴趣小组活动的实验。在该实验过程中,学生不但能巩固Fe3+检验的知识,还能使学生了解Fe3+的定量比色研究方法和操作技能,激发学生学习化学的兴趣和应用化学知识解决实际问题的能力。 实验原理 动物血液中的铁元素大多数存在于血红蛋白中,将动物血液处理后使动物血液中的铁元素全部转化为游离的Fe3+。在pH=4.0左右的溶液中Fe3+能与硫氰酸根生成稳定的血红色配合物。 利用Fe3+的这一性质,配制一系列浓度相近的铁(Ⅲ)的溶液,将经过处理的血样与硫氰化钾反应,并与一组标准Fe3+溶液与SCN-反应体系的颜色进行比较,就可以测出血液中铁离子的含量。 实验方法(具体细节请查阅文献)(2) 标准比色溶液的配制 血样的处理和铁含量的测定 Fe3 +在水溶液中的水解平衡和配位平衡(3) 目前中学阶段所探讨的有关Fe3 +水解的问题,主要有两处:其一是Fe3 +可水解、显酸性,因此配制FeCl3溶液时应将其溶于盐酸以抑制其水解;其二是利用加热促进水解进行的原理制备Fe (O H)3胶体。在制备胶体的实验中,将Fe3 +溶液滴加到沸水中,生成Fe (O H)3胶体,胶体是一种相对稳定的分散系,因此一般认为降温或稀释该反应都不可逆回。那么,如果加热的温度不是很高, Fe3 +的水解反应可逆吗? Fe3 +在水溶液中仅存在水解平衡吗?本研究通过一系列实验来探讨这一问题。 结果与讨论(具体实验步骤参看文献) 现将实验结果和现象解释汇总如表,以便于对比分析。 (1) Fe3 +在水溶液中有明显的水解作用,p Kh= 2. 2。因此未经酸化的Fe (NO3)3溶液为棕色。(2) Fe3 +水合离子[ Fe ( H2O)6]3 +为淡紫色,其稀溶液近无色,例如硝酸酸化的稀Fe (NO3)3溶液。 (3) FeCl3溶液的黄色并非Fe3 +的水解造成的,而是Fe3 +与Cl-配位所致,生成的[ FeCl4 ( H2O)2-为黄色:Fe3 ++ nCl-[ FeCln]3 - n, n = 1~4。 (4) Fe3 +与Cl-配位平衡随着温度的升高正向移动,随着温度的降低逆向移动。 (5)温度升高可促进Fe3 +水解反应的进行。由于Fe3 +的水解过程中同时发生多种缩合反应,产物复杂,因此当温度降低时反应不易逆回。这正是新制Fe (NO3)3溶液水解随温度的下可有微弱的可逆,久置Fe (NO3)3溶液水解逆向进行更加困难的原因。 (6)本实验还帮我们澄清现行教学中的几点认识误区:①我们常说FeCl3溶液由于Fe3 +水解而显黄色是不科学的,况且在配制FeCl3溶液时常将FeCl3固体溶于盐酸,此时水解可忽略;②在判断离子共存问题时,看到溶液为黄色就判断含有Fe3 +是不合适的,须考察溶液中是否同时含有Cl-;③如果溶液为无色,不可武断地判断溶液中不含Fe3 +,须知不含Cl-的无色溶液可能含有Fe3 +。 可在中学化学实现的配位反应实验 除了上面涉及的有关铁的配合物的实验可以在中学化学中实现外,还有以下几个实验。 赋予配合物实验以探究性(4) 具体内容参见文献。这个实验现象明显,操作简单,但需要很大的思维量,可能在基础较好的班级能实施。 苯酚与三价铁离子的显色反应(参见教科书) 铜氨络离子的制备(参见教科书) 银氨溶液的制备(参见教科书) 综上所述,铁等的配合物的实验在中学化学的学习中可以扮演重要的角色,我们要充分利用好这一资源。 【文献】 六水合铁(III)离子颜色的研究 张祖玉 重庆三峡学院化学与环境工程系,重庆万州 ; 血液中铁含量的测定 吴琦,吴星 扬州大学化学化工学院 化学教学 Fe3 +在水溶液中的水解平衡和配位平衡 魏锐 宋万琚 王磊 范林 刘强 东启云 北京师范大学化学学院 赋予配合物实验以探究性 席宗超 化学教育