Fe3+、Co2+、Ni2+混合离子鉴定分离的两种设计方案*

2012-09-25马亚鲁马媛媛贾佩楠李小层刘娜张慧婷

大学化学 2012年5期

马亚鲁马媛媛贾佩楠李小层刘娜张慧婷

(天津大学理学院化学系天津 300072)

混合离子的分离与鉴定是无机化学实验的重要内容之一，可训练学生化学实验的基本操作和基本技能，有利于培养学生分析问题与解决问题的能力[1]。

在具体的实验教学中，对混合离子的分离与鉴定则是以鉴定为目的，提出了分别分析和系统分析的设计原则。在已知组成的混合溶液中，若某一离子有特效反应，或其他离子的存在并不干扰此离子的鉴定，就可取混合液直接鉴定该离子的存在，这称为分别分析。然而，特效反应或离子间完全无干扰的情况并不多。通常需要根据共存离子的特点，设计合理的分离方案，按一定的顺序进行分离后，再依次检出各个离子，这种分析方法称为系统分析[2]。

在审阅学生自行设计的实验方案时，经常看到以分离为目的，先对各个离子进行分离，再进行分别鉴定的设计思路。从本质上讲，以鉴定为目的的思想是基于混合离子的定性分析，可以直接判断混合液中有哪几种离子共存；而以分离为目的的思想则是先将待测混合离子逐一进行分离，再定性或定量判定离子的种类和数量。由于以上两种设计思想根本不同，本文将前者称为鉴定分离，将后者称为分离鉴定。以下以Fe3+、Co2+、Ni2+混合离子的鉴定分离和分离鉴定为例，设计并比较两种方案的特点。

1 Fe3+、Co2+、Ni2+混合离子的鉴定分离方案设计

Fe3+、Co2+、Ni2+混合离子鉴定分离的具体设计方案见图1。

图1 Fe3+、Co2+、Ni2+混合离子鉴定分离的设计方案

在图1所示的设计方案中，所涉及到的鉴定反应包括：

(1)

(2)

(3)

其中dmgH2为丁二酮肟的简写形式，化学式为CH3C(NOH)C(NOH)CH3。Ni2+与两个以氢键结合的大环状配体形成Ni(dmgH)2配合物(图2)，为鲜红色沉淀。

图2 Ni(dmgH)2的结构式

本设计方案中应用了沉淀分离、离子掩蔽等方法，以排除离子在鉴定过程中的干扰；同时，还应注意Fe3+、Co2+、Ni2+的特征鉴定反应的反应条件(pH、试剂浓度等)。该方案简单可行，是学生在鉴定分离实验中经常用到的。

2 Fe3+、Co2+、Ni2+混合离子的分离鉴定方案设计

许多金属离子(主要是过渡元素)由于能形成配阴离子，可被吸附在阴离子交换树脂上，从而与阳离子分离；同时被吸附的配阴离子按其与树脂的亲合力大小，在离子交换树脂柱上形成色带(如离子有颜色，从柱上可以观察到明显的色层)，然后利用这些配阴离子的稳定性不同，选用适当的洗脱剂，可使它们彼此分离，这种分离分析方法在分析化学上称为离子交换分离法[3-4]。

应用离子交换法分离Fe3+、Co2+、Ni2+的基本原理是在12mol·L-1HCl中，Fe3+、Co2+、Ni2+均能形成相应的氯配阴离子(如[FeCl4]-、[CoCl4]2-、[NiCl4]2-等[5])，并可吸附在强碱性阴离子交换树脂上。实验时可以根据所吸附配阴离子稳定常数的差异，采用分步淋洗的方式(即选用不同浓度的HCl溶液(12mol·L-1、4.5mol·L-1、0.1mol·L-1))洗脱分离之。洗脱过程为交换过程的逆过程。采用不同浓度的HCl洗脱柱层时，由于配阴离子与树脂的亲和力存在明显差别，可使吸附在离子交换树脂上的配阴离子转化为相应的阳离子而被洗脱下来，从而达到分离的目的。当用12mol·L-1HCl溶液洗脱时，与共存的[CoCl4]2-、[FeCl4]-比较，[NiCl4]2-的稳定性较差，最先以Ni2+的形式被洗脱出来；然后可用4.5mol·L-1HCl溶液洗脱Co2+,用0.1mol·L-1HCl溶液洗脱Fe3+，从而实现对Fe3+、Co2+、Ni2+的分离[6-7]。

实验选用的强碱性阴离子交换树脂为氯型，可能吸附其他杂质，故应在使用前进行预处理，即用12mol·L-1盐酸淋洗交换树脂柱，目的是把柱层树脂完全转化为氯型，同时使溶液中的盐酸处于高浓度状态。依次选取12mol·L-1、4.5mol·L-1和0.1mol·L-1盐酸溶液适量淋洗，注意控制淋洗液的流出速率在每秒1～2滴左右。

在实验过程中，交换柱上有明显的颜色变化，其中Co2+和Ni2+的交换层分段很整齐，Fe3+和Co2+的交换层分段有交叉现象。Ni2+、Co2+、Fe3+将依次解吸，可分段收集淋洗液，根据Fe3+、Co2+、Ni2+各离子的特征反应进行鉴定。

对比第一种方案，此设计方案费时、繁琐，而且对环境不够友好。故不提倡在无机化学混合离子鉴定实验中使用先分离再鉴定的方案。我们将这一设计方案制作成演示实验的录像，既介绍了离子交换法的原理和实验技能，又提供给学生新的解题思路，让学生与第一方案进行比对，以加深学生对混合离子鉴定反应的理解。