Fe3+和Al3+分离实验的微型化

段秀琴 张晔 范强

摘 要：在Fe3+和Al3+分离实验中，乙醚用量大、空气逸散量大，因此造成环境污染。针对给环境和操作者带来危害的现象，用微型仪器代替常量仪器分离Fe3+和Al3+离子。用分光光度法对萃取多次的水相产物进行分析。实验数据表明，常量法萃取三次的吸光度为0.055，萃取五次的吸光度为0.005，而微量法萃取三次的吸光度为0.004。微量法萃取三次完全达到常量法萃取五次的分离效果。每次实验可减少乙醚用量约2000mL，减少乙醚的逸散量约500mL，逸散率仅为常量的3.4%，极大降低了乙醚的逸散率，减轻了对环境的污染，符合绿色化学的要求。

关键词：萃取分离;绿色化学;微型化

中图分类号：O06-332  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）09-0013-04

绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿。目标是化学过程不产生污染[1]。绿色化学十二条原则中谈到，要尽可能不使用、不产生对人类健康和环境有毒有害的物质。但是，在实验教学中，实验室污染非常严重，已经成为一类典型的小型污染源，其危害不可估量[2]。

因此，要按照绿色化学的原则，在研究中尽量减少实验室的污染，这是科研工作者的研究理念。

而实现实验绿色化的有效途径之一是实验的微型化。自从20世纪80年代美国科学家在基础有机化学的微型制备实验研究中取得成功后，微型化学实验的探究与应用就成为一种趋势[3]。

微型化实验，就是以尽可能少的化学试剂，在微型化学仪器中，获取所需化学信息的实验方法与技术[4]。微型化实验是化学实验的创新性变革，未来化学发展的趋势。采用微量化实验的方法，试剂用量比常规实验可节省约70%—90%[5]。但却可以达到准确、明显、安全、节约药品和防止环境污染的目的[6-8]。在化学实验教学中，实验的微型化，是降低污染的有效手段。在减少试剂用量的同时，往往也能节省实验所需要的时间。因此，近年来在化学实验中得到广泛应用[9-10]。

常规方法的Fe3+和Al3+分离实验过程中，乙醚用量较大且回收率低。乙醚是挥发性较强的液体，且对人体有较强的毒害作用。吸入大量乙醚蒸氣会导致失去知觉，乙醚曾经被用作外科手术上的全身麻醉剂[11]。

鉴于乙醚的危害较大，本文对Fe3+和Al3+分离实验的微型化做了探讨。用微型仪器代替常量仪器分离Fe3+和Al3+离子。用分光光度法对萃取的产物进行分析。结果表明，用微量法萃取三次，完全可以达到常量法萃取五次的分离效果。即节省了原料，降低了污染物的排放，还缩短了实验时间，缩短了人与有害物的接触时间，有效降低了对人的危害。

1 实验

1.1 仪器与试剂

试剂：乙醚、三氯化铁、三氯化铝、浓盐酸、硫氰化钾均为分析纯。

仪器：紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）;100mL分液漏斗、25mL滴液漏斗、25mL蒸馏瓶、5mL＼10mL注射器、1mL＼5mL吸量管、微型蒸馏装置（中国教学仪器设备上海公司，高中微型化学实验箱ML-2A，专利号：ZL94243806）等。

1.2 实验原理

Fe3+离子与Cl-离子在6mol.L-1的盐酸中，能够生成[FeCl4]-四氯合铁配离子。在强酸和乙醚（Et2O）的萃取体系中，Et2O与H+氢离子结合，生成较大体积的乙醚-氢配离子（Et2O·H+），[FeCl4]-四氯合铁配离子也有较大的体积，乙醚-氢配离子和[FeCl4] –四氯合铁配离子均有较低的电荷。因此，容易形成缔合物Et2O·H+·[FeCl4]-。在这种离子缔合物中，Cl-氯离子和Et2O分别取代了Fe3+三价铁离子和H+氢离子的配位水分子，并且中和了电荷，具有疏水性，能够溶于乙醚中。因此，加入乙醚后Fe3+就从水相转移到有机相。

在6mol.L-1的盐酸中，Al3+离子与Cl-离子生成配离子的能力很弱，因此Al3+仍然留在水相中。通过萃取，分离为有机相和水相。

在含有Fe3+离子的有机相中加水，使体系的H+离子浓度和Cl-离子浓度降低。在这种条件下，乙醚-氢配离子Et2O·H+与[FeCl4]-配离子解离趋势增加，Fe3+离子又生成了简单的水合铁离子，被反萃取到水相中。由于乙醚沸点较低（35.6℃），因此，采用普通蒸馏的方法，就可以实现水和乙醚的分离。这样Fe3+离子又恢复到了初始的状态，从而达到了Fe3+和Al3+分离的目的。流程如图1。

1.3 装置图

图2是萃取装置。该萃取装置中的A是常规用的100mL梨形分液漏斗。B是一个25mL滴液漏斗，和梨形漏斗相比，中部呈柱状，容积略小。装置C由两个注射器（5mL＼10mL）和一段乳胶管构成，替代常量仪器。改进后的萃取装置与常规装置的主要不同有两点，一个是漏斗的容量小，由常规容量改为微量;另一个是漏斗为圆柱形。漏斗细长，虽然振摇后静置分层时间略长，但分离较彻底，可以减少萃取次数[12]。

图3是蒸馏装置。仪器规格有常规和微型两种。

1.4 萃取

混合液的制备。以1：1的体积比，分别移取5% FeCl3溶液和5% AlCl3溶液，混合均匀，再加入等体积的浓盐酸，制备成混合液。

分别用装置A、B、C进行萃取实验，探索萃取分离效果及乙醚的使用情况。

首先按照常规方法[8]。用装置A萃取。将30ml混合溶液和30mL乙醚，先后倒入100mL梨形分液漏斗，盖上瓶塞，摇晃均匀后，放气，静置，待分层后，从下端放出含有Al3+的水层，再从上端倒出含有Fe3+的乙醚层。由于每次萃取量有限，此时水层会呈明显的黄色，说明水相中依然含有大量Fe3+。因此，要继续进行萃取。

将含有Al3+的水层倒回分液漏斗，再次加入30mL乙醚，进行第二次萃取。盖上瓶塞，摇晃均匀后，放气，静置，待分层后，从下端放出含有Al3+的水层，再从上端倒出含有Fe3+的乙醚层。如此重复操作四次。

鉴于柱形漏斗分离效果较好的特点，我们改用25mL滴液漏斗，用装置B进行萃取实验。同时减少混合液的用量为8mL，加入8mL乙醚。操作方法与常规方法相同。

最后用装置C进行萃取，用5mL注射器抽取1.5mL混合液，再抽取等体积的乙醚。拔下针头，在出口处连接乳胶管，乳胶管上放置一个输液器上的控制阀。充分摇动，通过控制阀进行放气操作，重复几次摇动和放气后，将注射器倒置在铁架台上静置。待分层后，用另一个注射器抽出上边含Fe3+的乙醚层。然后给萃取装置再次按上针头，抽取乙醚，进行第二次萃取。如此重复操作四次。

装置C有三个优点，第一、可以实现微量化，每次萃取仅用1.5mL乙醚。第二、针管为柱形，相当于柱形漏斗，柱形漏斗有利于更好地萃取。第三、在移取乙醚及乙醚和水两相分离时，可以采用抽出的方法，和常规的倾倒方法相比，避免了乙醚与空气更多地接触，降低了乙醚在空气中的逸散量。

1.5 蒸馏

将三种萃取方法所得的乙醚相，分别用常量仪器和微量仪器进行蒸馏，根据蒸出乙醚的量，计算乙醚回收率和逸散量。

1.6 分析测定

Fe3+与SCN-在酸性条件下，可以生成血红色配合物。该反应非常灵敏，据此分析水相中Fe3+的含量。

Fe3++SCN-=[Fe（SCN）]2+（血红色）

首先移取1mL5%FeCl3溶液，加入4mL0.1mol.L-1的KSCN溶液，稀释到10mL，在分光光度计上进行全波段扫描，确定硫氰合铁配离子的最大吸收峰。

移取萃取分离后的水相溶液1mL，加入1mL 0.1mol.L-1的KSCN溶液，稀释到10mL，在最大吸收峰处用分光光度计测定吸光度，从而确定水相中Fe3+的含量。

测量蒸馏出来的乙醚体积，计算回收率和逸散量。

回收率的计算：回收率%=×100%

逸散量=使用体积-回收体积

2 结果分析

2.1 最大吸收峰的确定

经过全波段扫描，得到图4。从图谱中看出，硫氰合铁的最大吸收峰在465nm处。

2.2 萃取分离效果分析

在465nm处，对三种萃取分离方法得到的水相产物，分别测定吸光度。用萃取装置A，使用30mL乙醚，第一次萃取物吸光度为0.974。第五次产物基本无色，吸光度为0.005。

用B装置，改梨形漏斗为柱形滴液漏斗，混合物减少到8mL，和梨形漏斗的分离效果比，吸光度明顯变小。第一次萃取物吸光度为0.569。第四次产物基本无色，吸光度为0.004。说明Fe3+的含量明显减少，每一次的分离效果明显变好。但也需要萃取四次以上。

改用C装置，用医用注射器替代漏斗，混合液的体积进一步减少为1.5mL，第一次萃取物吸光度为0.432。萃取分离三次的吸光度为0.004，已经低于常量萃取五次的数值，达到常量分离五次的效果。与装置B相比，滴液漏斗的下部为球形，不是柱形。而注射器是规整的柱形，非常有利于分离。

由图5也可以看出，装置C的每一次萃取效果，都明显好于前两个装置。

2.3 乙醚回收率

我们将乙醚的用量和回收量进行了统计。从乙醚的耗用量来看。因为用C装置萃取，仅仅三次就可以达到分离的目的，而且每次只用1.5mL，所以乙醚总用量是4.5mL。而用A和B装置萃取，均需要萃取五次，乙醚总用量分别为150mL和40mL。使用A和B装置萃取，不仅乙醚的用量大，而且因为乙醚易挥发，又由于操作中有倾倒乙醚的过程，逸散到空气中的量增多，回收量明显降低，逸散量分别为38mL和9.6mL。而装置C的逸散量仅为1.3mL。尽管回收率相差不大，均在70%以上，但逸散总量却相差很多，直接影响环境中乙醚的含量。

通常情况下，一个实验室要有14组以上的学生一起做实验。根据表1的统计情况，我们做了进一步计算。逸散到实验室的总量分别为：

装置A用30mL混合液，需要萃取五次，每次实验逸散乙醚：38×14=532mL。

装置B用8mL混合液，需要萃取五次，每次实验逸散乙醚：9.6×14=134.4mL。

装置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规法的百分数为18.2÷532=3.4%。

从计算结果看，微量法的逸散量仅仅是常规的3.4%，大幅度减少了乙醚对环境的污染。微量法每次实验可节省乙醚2037mL。在实验室的逸散量可以减少513.8mL。常量实验

与微量实验相比，相当于多逸散约一瓶试剂的乙醚。

3 结论

实验证明，将常量法改为微型实验，是完全可行的。经过更换仪器减少试剂用量，经过三次萃取，仅用4.5mL乙醚就可以达到Fe3+和Al3+分离的目的。每次实验比常量法节省乙醚约2000mL。让学生学会分离萃取的方法的同时，大大减少了乙醚的用量和空气中的逸散量，逸散量比常量法减少约500mL，逸散量仅为常规方法的3.4%。极大程度的减少有害物质的释放量，降低了对实验室的污染。另外萃取的次数减少，整个实验的时间缩短，这样就缩短了学生在实验室停留的时间，减轻了与乙醚的接触，减轻了对健康的危害。总之，该实验的微型化是完全可行的，是非常必要的。

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参考文献：

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