CN111766277A - 一种区分金属离子Fe3+及Cu2+的方法 - Google Patents

Abstract

一种区分金属离子Fe³⁺及Cu²⁺的方法，其特征在于：应用“HCHO‑NaHSO₃‑Na₂SO₃”pH时钟反应体系作为区分溶液，根据Fe³⁺及Cu²⁺对该体系的pH值随时间变化的图谱影响不同，从而实现Fe³⁺及Cu²⁺的区分。本发明所涉及的区分方法所提供的图谱具有直观性，可以方便快捷地区分出金属离子Fe³⁺及Cu²⁺，而且设备简单、准确度高、易于操作和观察。

Description

一种区分金属离子Fe3+及Cu2+的方法

技术领域

本发明涉及一种区分方法，具体地说是一种pH时钟反应体系对金属离子Fe³⁺及Cu^{2 +}的区分方法，属于定性分析化学领域。

背景技术

Fe³⁺及Cu²⁺同属于金属阳离子。铁离子是铁原子失去3个电子后形成的离子，离子符号Fe³⁺。是铁的最稳定离子，有中等强度的氧化性，同时也是一种重要的工业用剂。铜离子是由铜原子失去最外层的两个电子得到的，显正2价，书写为Cu²⁺，通常显蓝色，铜离子Cu²⁺在水溶液中实际上是以水合离子[Cu(H₂O)₄]²⁺的形式存在的，水合铜离子呈蓝色，所以我们常见的铜盐溶液大多呈蓝色。

目前已经报道的检测Fe³⁺及Cu²⁺的方法主要有紫外-可见光度法，荧光探针技术，原子吸收光谱、原子发射光谱和等离子体质谱等。但区分二者的更直观的鉴别方法还未被报道出来，因此寻找一种区分效果好且操作简便快速、结果容易判断的定性分析方法就显得十分必要。

发明内容

本发明旨在为Fe³⁺及Cu²⁺提供一种新颖且方便快捷的区分方法，该方法有别于目前任何一种已知的区分Fe³⁺及Cu²⁺的方法。发明人应用pH时钟反应体系对Fe³⁺及Cu²⁺的区分方法，本区分方法是基于该pH时钟体系对Fe³⁺及Cu²⁺的敏锐响应而开发的一种pH时钟体系法。具体地说，是将相同浓度待区分样品（Fe³⁺及Cu²⁺）分别加入到两组pH时钟体系中，根据待区分样品对时钟反应体系的pH值影响不同，实现对待区分样品的定性分析：若加入待区分样品后， pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低，则所加入的待区分样品为Fe³⁺；若加入待区分样品溶液后，pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高，则所加入的待区分样品为Cu²⁺。且本发明处理样品时间短，测定条件简单易控制便于推广和应用。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明为金属离子Fe³⁺及Cu²⁺提供了区分方法，其特征在于：

以蒸馏水为溶剂，配制待区分样品的溶液；

应用“HCHO- NaHSO₃ - Na₂SO₃”pH时钟体系作为区分溶液，记录时钟体系的pH值随时间变化的图谱，在pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时，向两组pH时钟体系中分别加入待区分样品的溶液，根据待区分样品对时钟反应体系的pH值影响不同，实现对待区分样品的区分；

所述待区分样品分别为含Fe³⁺和Cu²⁺的样品。

向两组区分溶液（pH时钟体系）中，分别加入相同浓度的待区分样品溶液（其中一个为含Fe³⁺样品，另一个为含Cu²⁺样品，但两者尚未区分），若加入待区分样品溶液后pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低，则所加入的待区分样品为含Fe³⁺样品；若加入待区分样品溶液后pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高，则所加入的待区分样品为含Cu²⁺样品。

所述体系pH值突然升高进入一个稳定的pH值阶段，是指在120s-400s之间的任意阶段。

本区分方法与现有技术的区别在于，本发明应用“HCHO- NaHSO₃ - Na₂SO₃”pH时钟体系作为区分溶液，利用Fe³⁺及Cu²⁺对该区分溶液的pH值随时间的变化图谱影响不同，实现对Fe³⁺和Cu²⁺的区分。

Fe³⁺和Cu²⁺，在区分溶液（pH时钟体系）中的被区分的浓度范围为1.0×10^-3-2.5×10^-3mol/L。

上述待区分溶液可区分的浓度范围是经实验确定的最优浓度范围。在该浓度范围内，Fe³⁺和Cu²⁺对该区分溶液产生的影响差异十分明显，易于观察分析，容易实现区分。另外，区分溶液（pH时钟体系）中各组分的最佳浓度如表1所示：

表1：pH时钟体系中各组分的浓度

HCHO(mol/ L)	NaHSO<sub>3 </sub>(mol/L)	Na<sub>2</sub>SO<sub>3</sub> (mol/L)
			0.05	0.05	0.005

具体实验步骤如下：

1、按表1规定的浓度配制区分溶液，将准备好的工作电极（pH电极）插入溶液中，工作电极的另一端通过电位/温度/pH综合测试仪连接至电脑，打开电脑中化学信号采集分析程序对采集时间和取样速度进行设置后，迅速点击开始键对溶液进行pH监测，得到所采集的pH-t曲线（pH值随时间变化的曲线）即pH时钟体系的图谱（此时尚未加入待测试样），以作空白对照。向两组与空白对照实验中的各组分浓度相同的区分溶液中，在pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时，分别迅速加入待区分样品的溶液，根据待区分样品溶液对pH时钟反应体系的pH影响不同，实现对待区分样品的定性区分。即：在向pH时钟体系中加入待区分样品的溶液后，根据待区分样品使体系出现pH下降程度的大小和最终稳定的pH值高低不同，实现对待区分样品的定性分析。

pH时钟体系图谱的基本参数包括：

pH值突然升高（突跃）：pH值的急剧升高，从一个的低pH值跃升到稳定的高pH值。

附图说明

图1是实施例1中，未加入待区分样品时，区分溶液（pH时钟体系）pH值随时间变化的图谱。

图2是实施例1中，分别加入1.0×10^-3 mol/LFe³⁺及Cu²⁺后，pH时钟体系所获得的响应对比图谱。

图3是实施例2中，分别加入1.5×10^-3mol/L Fe³⁺及Cu²⁺后，pH时钟体系所获得的响应对比图谱。

图4是实施例3中，分别加入2.5×10^-3mol/L Fe³⁺及Cu²⁺后，pH时钟体系所获得的响应对比图谱。

具体实施方式

实施例1：

本实施例按如下步骤验证本发明Fe³⁺及Cu²⁺的区分方法的可行性：

(1) 配制溶液

首先用蒸馏水配制分别配制0.2mol/L的HCHO溶液、0.1mol/L的NaHSO₃和0.01mol/L 的Na₂SO₃的混合溶液。向50mL小烧杯中依次加入10mL 蒸馏水溶液、20mL NaHSO₃ - Na₂SO₃混合溶液、10mL 0.2mol/L HCHO溶液，以保证“HCHO- NaHSO₃ - Na₂SO₃”非线性化学时钟体系中各组分的浓度为HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃ 0.005mol/L；

同时以蒸馏水作溶剂，分别配制1.0 mol/L 的含Fe³⁺和含Cu²⁺溶液（Fe(NO₃)₃和Cu(NO₃)₂溶液）。

(2) 体系图谱

pH时钟体系的pH值随时间变化的图谱由装有化学信号采集分析程序的计算机记录，图1是在典型浓度下（HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃0.005mol/L），上述区分溶液未加入待测试样的pH值随时间变化的图谱，以作空白对照。向两组各组分浓度与上述浓度相同的区分溶液中，分别加入40μL 1.0mol/L的Fe³⁺和Cu²⁺，使得其在区分溶液中的浓度均为1.0×10^-3 mol/L，每次加入的时间都是在pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时（t=150s），所获得的响应对比图谱如图2所示。

(3) 区分Fe³⁺和Cu²⁺

Fe³⁺及Cu²⁺为不同的金属离子，其对pH时钟体系的影响也不相同。通过图2 可知，Fe³⁺的加入，使得pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低；Cu²⁺的加入，使得pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高。由上述实验可知，通过比较图谱的变化，可以实现对Fe³⁺及Cu²⁺的区分。

取事先配制的两个1.0 mol/L的待区分样品的溶液（其中一个为Fe(NO₃)₃、即含Fe^{3 +}样品溶液，另一个为Cu(NO₃)₂、即含Cu²⁺样品溶液，但两者尚未区分），将其中一个标记为样品1，另一个标记为样品2；

配制两组各组分浓度与上述浓度相同的pH时钟溶液，分别采集相应的图谱，并在体系pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时（t=150s）分别加入40µl 1.0 mol/L的样品1和样品2，使得它们在区分溶液中的浓度为1.0×10^-3 mol/L。

分析比较可知：样品1的加入，使得pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低(图谱与图2中曲线a相对应、与曲线b不对应)，而样品2使得pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高（图谱与图2中曲线b相对应、与曲线a不对应）。因此，样品1是含Fe³⁺样品溶液、样品2是含Cu²⁺样品溶液，从而实现了对Fe³⁺溶液及Cu²⁺溶液的区分。

实施例2：

本实施例按如下步骤验证本发明Fe³⁺及Cu²⁺的区分方法的可行性：

(1) 配制溶液

首先用蒸馏水配制分别配制0.2mol/L的HCHO溶液、0.1mol/L的NaHSO₃和0.01mol/L 的Na₂SO₃的混合溶液。向50mL小烧杯中依次加入10mL 蒸馏水溶液、20mL NaHSO₃ - Na₂SO₃混合溶液、10mL 0.2mol/L HCHO溶液，以保证“HCHO- NaHSO₃ - Na₂SO₃”非线性化学时钟体系中各组分的浓度为HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃ 0.005mol/L；

同时以蒸馏水作溶剂，分别配制1.0 mol/L 的含Fe³⁺和含Cu²⁺溶液（Fe(NO₃)₃和Cu(NO₃)₂溶液）。

(2) 体系图谱

pH时钟体系的pH值随时间变化的图谱由装有化学信号采集分析程序的计算机记录，图1是在典型浓度下（HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃0.005mol/L），上述区分溶液未加入待测试样pH值随时间变化的图谱，以作空白对照。向两组各组分浓度与上述浓度相同的区分溶液中，分别加入60μL 1.0 mol/L的Fe³⁺和Cu²⁺，使得其在区分溶液中的浓度均为1.5×10^-3 mol/L，每次加入的时间都是在pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时（t=150s），所获得的响应对比图谱如图3所示。

(3) 区分Fe³⁺和Cu²⁺

Fe³⁺及Cu²⁺为不同的金属离子，其对pH时钟体系的影响也不相同。通过图3可知，Fe³⁺的加入，使得pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低；Cu²⁺的加入，使得pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高。由上述实验可知，通过比较图谱的变化，可以实现对Fe³⁺及Cu²⁺的区分。

取事先配制的两个1.0mol/L的待区分样品的溶液（其中一个为Fe(NO₃)₃、即含Fe³⁺样品溶液，另一个为Cu(NO₃)₂、即含Cu²⁺样品溶液，但两者尚未区分），将其中一个标记为样品1，另一个标记为样品2；

配制两组各组分浓度与上述浓度相同的pH时钟溶液，分别采集相应的图谱，并在体系pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时（t=150s）分别加入60µl 1.0mol/L的样品1和样品2，使得它们在区分溶液中的浓度为1.5×10^-3 mol/L。

分析比较可知：样品1的加入，使得pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低 (图谱与图3中曲线a相对应、与曲线b不对应)，而样品2使得pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高（图谱与图3中曲线b相对应、与曲线a不对应）。因此，样品1是含Fe³⁺样品溶液、样品2是含Cu²⁺样品溶液，从而实现了对Fe³⁺溶液及Cu²⁺溶液的区分。

实施例3：

本实施例按如下步骤验证本发明Fe³⁺及Cu²⁺的区分方法的可行性：

(1) 配制溶液

首先用蒸馏水配制分别配制0.2mol/L的HCHO溶液、0.1mol/L的NaHSO₃和0.01mol/L 的Na₂SO₃的混合溶液。向50mL小烧杯中依次加入10mL 蒸馏水溶液、20mL NaHSO₃ - Na₂SO₃混合溶液、10mL 0.2mol/L HCHO溶液，以保证“HCHO- NaHSO₃ - Na₂SO₃”非线性化学时钟体系中各组分的浓度为HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃ 0.005mol/L；

同时以蒸馏水作溶剂，分别配制1.0 mol/L 的含Fe³⁺和含Cu²⁺溶液（Fe(NO₃)₃和Cu(NO₃)₂溶液）。

(2) 体系图谱

pH时钟体系的pH值随时间变化的图谱由装有化学信号采集分析程序的计算机记录，图1是在典型浓度下（HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃0.005mol/L），上述区分溶液未加入待测试样的pH值随时间变化的图谱，以作空白对照。向两组各组分浓度与上述浓度相同的区分溶液中，分别加入100μL 1.0 mol/L的Fe³⁺和Cu²⁺，使得其在区分溶液中的浓度均为2.5×10^-3 mol/L，每次加入的时间都是在pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时（t=150s），所获得的响应对比图谱如图4所示。

(3) 区分Fe³⁺和Cu²⁺

Fe³⁺及Cu²⁺为不同的金属离子，其对pH时钟体系的影响也不相同。通过图4可知，Fe³⁺的加入，使得pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低；Cu²⁺的加入，使得pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高。由上述实验可知，通过比较图谱的变化，可以实现对Fe³⁺及Cu²⁺的区分。

取事先配制的两个1.0 mol/L的待区分样品的溶液（其中一个为Fe(NO₃)₃、即含Fe^{3 +}样品溶液，另一个为Cu(NO₃)₂、即含Cu²⁺样品溶液，但两者尚未区分），将其中一个标记为样品1，另一个标记为样品2；

配制两组各组分浓度与上述浓度相同的pH时钟溶液，分别采集相应的图谱，并在体系pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时（t=150s）分别加入100µl 1.0 mol/L的样品1和样品2，使得它们在区分溶液中的浓度为2.5×10^-3 mol/L。

分析比较可知：样品1的加入，使得pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低 (图谱与图4中曲线a相对应、与曲线b不对应)，而样品2使得pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高（图谱与图4中曲线b相对应、与曲线a不对应）。因此，样品1是含Fe³⁺样品溶液、样品2是含Cu²⁺样品溶液，从而实现了对Fe³⁺溶液及Cu²⁺溶液的区分。

通过以上各实施例可以看出，更小或更大浓度的Fe³⁺及Cu²⁺也可以通过本发明方法进行区分。

Claims (4)

1.一种区分金属离子Fe³⁺及Cu²⁺的方法，其特征在于：

以蒸馏水为溶剂，配制待区分样品的溶液；

应用“HCHO- NaHSO₃ - Na₂SO₃”pH时钟体系作为区分溶液，记录时钟体系的pH值随时间变化的图谱，在pH值突然升高后进入一个稳定的pH值阶段时，向两组pH时钟体系中分别加入待区分样品的溶液，根据待区分样品对时钟反应体系的pH值影响不同，实现对待区分样品的区分；

鉴别溶液中各组分的摩尔浓度为：HCHO 0.05mol/L、NaHSO₃ 0.05mol/L、Na₂SO₃ 0.005mol/L；

所述待区分样品分别为含Fe³⁺和Cu²⁺的样品。

2.根据权利要求1所述的区分方法，其特征在于：

向两组pH时钟体系中分别加入相同浓度的待区分样品溶液，若加入待区分样品溶液后pH时钟体系出现较大程度pH值下降、最终稳定的pH值较低，则所加入的待区分样品为含Fe³⁺样品；若加入待区分样品溶液后pH时钟体系出现pH值较小程度下降、最终稳定的pH值较高，则所加入的待区分样品为含Cu²⁺样品。

3.根据权利要求1或2所述的区分方法，其特征在于：所述体系pH值突然升高进入一个稳定的pH值阶段，是指在120s-400s之间的任意阶段。

4.根据权利要求1或2所述的区分方法，其特征在于：待区分样品在区分溶液中的被区分的浓度范围为1.0×10^-3-2.5×10^-3mol/L。

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