林鄭忠, 歐光南, 王 力, 陳素艷

(集美大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院, 福建 廈門 361021)

但該實(shí)驗(yàn)也存在一些不足：反應(yīng)物質(zhì)混合后溶液渾濁,可能是K2S2O8和Ag+或Cr3+形成不溶物沉淀所致；吸光度變化范圍小,只有0.1～0.2；由于溶解有限,K2S2O8的濃度不是很高,只是Cr3+和Ag+濃度的5～10倍,而如果降低Cr3+的濃度又使吸光度降低,所以K2S2O8難以達(dá)到真正意義上的大大過量。這些不足降低了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且Cr3+及其反應(yīng)產(chǎn)物具有很強(qiáng)的毒性,Ag+價(jià)格昂貴，另外該實(shí)驗(yàn)的化學(xué)特色過于明顯,與其他專業(yè)的相關(guān)性不大,難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

(1) 儀器和試劑。紫外可見分光光度計(jì)(UV 5500),1 cm比色皿,25 mL比色管,移液管(2 m,10 mL)、燒杯、計(jì)時(shí)器、滴管。胭脂紅,K2S2O8,FeSO4·7H2O,均為分析純,來自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,所有用水均為普通蒸餾水。

(2) 溶液的配制。配制胭脂紅水溶液(1.118 mg·mL-1, 1.86×10-3mol·L-1),K2S2O8溶液(13.67 mg·mL-1, 0.051 mol·L-1),FeSO4溶液(3.269 mg·mL-1, 0.021 5 mol·L-1),為了保持Fe2+穩(wěn)定性,配制時(shí)加入少量H2SO4。

(3) 色素吸收曲線的測定及工作波長的確定。在比色管中移入0.50 mL 胭脂紅溶液,加入蒸餾水定容至25 mL,充分搖勻混合,潤洗比色皿(厚度的選擇應(yīng)盡量使所有吸光度讀數(shù)在0.1～0.7范圍內(nèi))3次,測定胭脂紅溶液在460—550 nm范圍內(nèi)的吸收曲線,確定胭脂紅工作波長。

(4) 胭脂紅標(biāo)準(zhǔn)曲線和摩爾吸光系數(shù)的測定。在比色管中分別加入0.00,0.10,0.20,0.40,0.60,0.80 mL 胭脂紅溶液,定容到25 mL,在胭脂紅工作波長下測吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,求出摩爾吸光系數(shù)。

(5) 動力學(xué)測試方法。往比色管中按順序加入一定量的K2S2O8溶液、FeSO4溶液和胭脂紅水溶液,用水定容到25 mL,快速搖勻,并立刻計(jì)時(shí)。在胭脂紅工作波長下,每隔一段時(shí)間測試吸光度,計(jì)算動力學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 胭脂紅的吸收曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線

胭脂紅的吸收曲線如圖1左所示。可知胭脂紅溶液的最大吸收波長為510 nm。后續(xù)實(shí)驗(yàn)都固定在此波長下進(jìn)行。摩爾消光系數(shù)為26.93 L·g-1·cm-1或1.63×104L·mol-1·cm-1。胭脂紅水溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1右所示,擬合結(jié)果線性很好(r2=0.999 2)。

圖1 胭脂紅水溶液的吸收光譜(0.5 mL儲備液定容到25 mL)和線性關(guān)系

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

Fe2+在常溫常壓可活化過硫酸鹽,產(chǎn)生硫酸根自由基氧化分解有機(jī)物,在常溫下即可進(jìn)行,不需外加光源[7-11]。反應(yīng)如下：

綜合可得二價(jià)鐵離子活化過硫酸鹽反應(yīng)式為

Fe3+離子經(jīng)過一系列反應(yīng),又轉(zhuǎn)化成Fe2+離子。

胭脂紅的耐光性和耐氧化性較好,在自然條件下降解緩慢,因此可以排除這兩者的干擾,即胭脂紅都是在FeSO4催化作用下被K2S2O8降解的。催化降解反應(yīng)符合以下動力學(xué)方程：

v=k[K2S2O8]n1[FeSO4]n2[L]n3

(1)

其中v為反應(yīng)速率(mol·L-1·min-1)；k為速率常數(shù)(單位根據(jù)級數(shù)變化,若是1級則為min-1)；n1,n2, n3為各物質(zhì)的級數(shù)(一般情況下為整數(shù),無單位)；L表示胭脂紅。

2.3 反應(yīng)速率的測定

根據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材[1-4],v=-d[L]/dt(本來還應(yīng)除以L的反應(yīng)計(jì)量數(shù),但為了便于計(jì)算和討論,這里將其并入速率常數(shù)k中)。L的濃度可由Lambert-Beer定律計(jì)算,即A=εcl。A為吸光度(無單位),ε為摩爾消光系數(shù)(L·mol-1·cm-1),c為L的濃度(mol·L-1),l為比色池厚度(本實(shí)驗(yàn)中l(wèi)=1 cm)。代入定律則v=-d[L]/dt=-dA/dt(εl)-1。每隔一段時(shí)間測量A,根據(jù)A-t曲線的在t時(shí)刻的斜率(d[L]/dt)就能計(jì)算反應(yīng)速率。

2.4 反應(yīng)級數(shù)的確定

此反應(yīng)體系中,K2S2O8相對胭脂紅大大過量,FeSO4是催化劑,所以它們的濃度在反應(yīng)時(shí)不變,即

v=k[K2S2O8]n1[FeSO4]n2[L]n3=

k[K2S2O8]0n1[FeSO4]0n2[L]n3

(2)

下標(biāo)0表示初始濃度,因此反應(yīng)速率v只與胭脂紅的濃度和級數(shù)有關(guān)。根據(jù)這個(gè)性質(zhì),設(shè)計(jì)了如表1所示的4份溶液進(jìn)行反應(yīng)。根據(jù)表1配制溶液,繪制每份溶液的A-t曲線,如圖2所示。4份溶液的A-t曲線并非直線,說明反應(yīng)過程不是以恒定速率進(jìn)行,即反應(yīng)的級數(shù)非零級。

表1 反應(yīng)溶液的配制 mL

注：每份溶液都用水定容到25 mL。

采取嘗試法求級數(shù)。假設(shè)反應(yīng)的級數(shù)為1級,那么吸光度曲線滿足A=A0e-kt。將測得的A-t數(shù)據(jù)按照此曲線非線性擬合。其中A0為初始吸光度,應(yīng)該等于等量胭脂紅定容到25 mL時(shí)的吸光度,因此擬合時(shí)固定溶液1,2,4的A0為1.20,溶液3的A0為0.60。擬合的結(jié)果如表2所示。4份溶液的A-t曲線與1級動力學(xué)方程的匹配程度很高(見圖2),r2都在0.99以上,說明反應(yīng)的級數(shù)為1級。也嘗試了2級,2級反應(yīng)的吸光度曲線滿足A=(kt+1/A0)-1。擬合時(shí)同樣按照以上方式固定A0,但擬合可信度很差,r2都在0.8以下。

表2 反應(yīng)溶液動力學(xué)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

注:v0=-dA/dt(εl)-1=kA0(εl)-1

圖2 4份溶液的動力學(xué)散點(diǎn)圖和相應(yīng)的1級速率方程擬合線

為了進(jìn)一步測定每種反應(yīng)物的級數(shù),采用和傳統(tǒng)方案一樣的對消法,以測定K2S2O8的級數(shù)為例,保持2次實(shí)驗(yàn)中FeSO4和胭脂紅的初始濃度相同,只改變K2S2O8的初始濃度,即表1中的溶液2和4,由式(2)可得:

v4/v2=(d[L]4/dt)/(d[L]2/dt)=

(3)

下標(biāo)4和2表示第4和第2份溶液,將式(3)兩邊取對數(shù)并移項(xiàng)整理后得到：

(4)

每份溶液的反應(yīng)速率都是變化的,所以v4和v2在每個(gè)時(shí)刻都有不同的數(shù)值,為了便于計(jì)算,采用初速率法,即用t=0時(shí)的反應(yīng)速率進(jìn)行計(jì)算。對速率方程A=A0e-kt進(jìn)行微分,得到dA/dt=-kA0e-kt。在t=0時(shí),dA/dt=kA0。根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算kA0,并列于表2中。因此

v4/v2=(d[L]4/dt)/(d[L]2/dt)=

(dA4/dt)/(dA2/dt)=(kA0)4/(kA0)2

(5)

據(jù)此算出n1=0.030,即K2S2O8的級數(shù)為0級。

同理由溶液4和1可求出FeSO4級數(shù),為-0.08,可看成0,由溶液4和3可求出胭脂紅級數(shù),為0.91,可看成1。3個(gè)級數(shù)相加結(jié)果近似為1,再次印證了反應(yīng)級數(shù)為1級,也說明了采用初速率法處理數(shù)據(jù)是可行的。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)施效果

根據(jù)以上結(jié)果,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案和數(shù)據(jù)處理方法：

(1) 在460—550 nm范圍內(nèi)掃描胭脂紅溶液的吸收曲線,確定最大吸收波長。

(2) 分別加入0～0.8 mL的胭脂紅溶液,并定容到25 mL,測試標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(3) 按照表1配制4份反應(yīng)溶液,每隔一段時(shí)間,比如2 min,分別測試4份溶液的吸光度,測試時(shí)間約30 min。

(4) 用A=A0e-kt函數(shù)分別對4條A-t曲線擬合。由于每組學(xué)生用的比色皿和儀器不同,測得的結(jié)果不同,所以在擬合前應(yīng)按照自己的標(biāo)準(zhǔn)曲線(1 mL時(shí)的吸光度)計(jì)算A0,擬合時(shí)固定A0求出k。并計(jì)算kA0和v0。

(5) 根據(jù)公式(4)計(jì)算n1,n2,n3。

制定了衡量學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)：

(1) 最大吸收波長應(yīng)在510 nm附近,正負(fù)不超過10 nm。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)曲線r2應(yīng)該在0.99以上。

(3)A-t曲線擬合后,r2應(yīng)該在0.90以上。

(4)n1范圍在-0.3～0.3之間；n2范圍在-0.3～0.3之間；n3范圍在0.7～1.3之間。

(5)k和v0值不作為評判標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)閗值影響因素較多,如溫度、比色皿不同等。

表3 學(xué)生完成兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對比

2種實(shí)驗(yàn)方案的特性如表4所示。本方案中每份溶液最多只需要測量30 min,溶液即基本褪色完全,而傳統(tǒng)方案需要40 min或更長時(shí)間才能使前后吸光度變動0.2以上,耗時(shí)長；本方案試劑和反應(yīng)產(chǎn)物毒性很低,試劑的價(jià)格低,傳統(tǒng)方案用到高毒性的Cr3+和昂貴的AgNO3試劑,因此本方案更加環(huán)保經(jīng)濟(jì)；2種方案都可以實(shí)現(xiàn)可視化,本方案在反應(yīng)過程中溶液是澄清透明的,而傳統(tǒng)方案在反應(yīng)時(shí)呈現(xiàn)渾濁,如圖3所示；本方案吸光度變化可達(dá)到0.6以上,測量結(jié)果較準(zhǔn)確,傳統(tǒng)方案由于Cr3+的摩爾消光系數(shù)低,吸光度變化只能達(dá)到0.2左右；傳統(tǒng)方案反應(yīng)速率近似恒定,所以數(shù)據(jù)處理過程比較簡單,而本方案反應(yīng)速率非恒定,數(shù)據(jù)處理和分析過程比較復(fù)雜,需要學(xué)生掌握專業(yè)軟件如Origin的非線性擬合操作方法,這有利于擴(kuò)寬學(xué)生的知識面、提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析的能力；該實(shí)驗(yàn)與食品與生物工程環(huán)境專業(yè)有很強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性；從傳統(tǒng)方案轉(zhuǎn)到本方案只需要更換2種試劑,不需要額外添加器材,容易轉(zhuǎn)型。綜上所述,本方案具有諸多優(yōu)點(diǎn),可以在教學(xué)中進(jìn)一步推廣和普及。

表4 2種實(shí)驗(yàn)方案特性對比

圖3 反應(yīng)一段時(shí)間后,本方案(左)和傳統(tǒng)方案(右)的溶液外觀圖