何蔓，陳貝貝，胡斌

武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

分析化學是化學專業(yè)本科生的四大基礎課之一，涵蓋的內容非常廣泛。該課程的教學目的在于：要求學生掌握分析化學的基本理論，準確樹立“量”的概念，了解定性、定量分析方法(包括化學分析和儀器分析)，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。分析化學涉及的基本概念非常多，在講授課本知識的同時，教師可結合基本概念在生活、科研工作中的應用實例，加深學生對其的理解和掌握。下面將以不同砷形態(tài)的“分布分數(shù)”為例，闡述分析化學教學過程中理論和實踐相結合的教學實踐。

1 分析化學教學中的“分布分數(shù)”

學生最初接觸“分布分數(shù)”是在“酸堿滴定法”章節(jié)中：一元酸/堿或多元酸/堿在溶劑(通常為水溶液)中以不同形式存在，這些組分/型體的平衡濃度隨溶液中H+濃度的變化而變化。“分布分數(shù)”被定義為“溶液中某酸堿組分的平衡濃度占其總濃度的分數(shù)”[1]，通常采用代數(shù)法，基于一元酸/堿或多元酸/堿的解離平衡常數(shù)(pKa)和溶液的pH計算得到。除了計算之外，學生還應該掌握依據(jù)酸/堿性物質的pKa和溶液pH快速判斷其在溶液中存在形式的技巧。如，對于一元弱酸HA而言，其解離平衡常數(shù)為pKa，那么當介質的pH < pKa? 2時，HA的分布分數(shù)接近100%，它主要以HA中性分子的形式存在；當介質的pH > pKa+ 2時，A?的分布分數(shù)接近100%，它主要以A?陰離子的形式存在。

2 不同砷形態(tài)的分布分數(shù)及其在砷形態(tài)分離/富集中的應用

砷以多種存在形式廣泛分布于自然界中，表1列舉了五種重要砷形態(tài)的pKa信息。在環(huán)境水體中，砷的主要存在形式是三價砷As(III)和五價砷As(V)；在細菌、酵母等微生物的作用下，無機砷將轉變?yōu)橛袡C砷，通過食物鏈進入到人體中。無機砷的毒性大于有機砷，被認為是強毒性和致癌性化合物；因此，砷的形態(tài)分析已成為分析科學研究的熱點之一。目前，進行砷形態(tài)分析最有效的手段是高效液相色譜(HPLC)-等離子體質譜(ICP-MS)聯(lián)用技術；此外，為了避免復雜基體干擾、提高方法對目標砷形態(tài)的靈敏度，在砷形態(tài)分離檢測之前通常需要輔以合適的樣品前處理技術。需要強調的是，在針對目標砷形態(tài)構建分離和/或富集方法的過程中，其pKa和在不同pH介質中的分布分數(shù)是重要的參考信息。

表1 幾種重要砷形態(tài)的解離平衡常數(shù)(pKa) [2]

2.1 四種砷形態(tài)的色譜分離——以陰離子交換色譜為例

陰離子色譜柱是HPLC分離分析砷形態(tài)中最常用的色譜分離固定相，而流動相的pH通常選擇為6左右；在此條件下，四種砷形態(tài)的色譜分離圖如圖1所示。

圖1 四種砷形態(tài)的色譜分離圖

基于各形態(tài)在pH = 6的分布分數(shù)，我們可以推測它們的存在形式，并依此解釋它們的洗脫順序：

在pH = 6的介質條件下，As(III)主要以不帶電荷的H3AsO3形式存在，在陰離子色譜柱上無保留；

DMA以HA和A?各占一半的形式存在，在陰離子色譜柱上有一定保留；

MMA完全以HA?的形式存在，在陰離子色譜柱上的保留強于DMA；

部分As(V)已經(jīng)以HA2?的形式存在，是這幾種形態(tài)中保留最強的，所以最后流出。

可以看出，這幾種砷的形態(tài)基于pKa的差異在色譜柱上實現(xiàn)了相互分離。

2.2 無機砷形態(tài)的非色譜分離——以氨基功能化硅膠材料為例

在介質pH 2–9范圍內，As(III)和As(V)在氨基改性硅膠上的吸附行為如圖2所示[4]。當pH在3–9范圍內時，該材料對As(V)的吸附率大于90%，而在pH為2–9時對As(III)基本不吸附?；诜植挤謹?shù)對這一現(xiàn)象進行解釋如下：

圖2 As(III/V)在氨基改性硅膠吸附劑上的吸附行為(左)及其在pH 2–8范圍內的分布分數(shù)(右) [4]

在pH 2–9范圍內，改性硅膠中的氨基被質子化(帶正電荷)，而As(III)主要以H3AsO3的中性分子存在，所以吸附率很低；

當pH > 3以后，As(V)主要以帶負電荷的H2AsO4?和HAsO42?形式存在，其與改性硅膠材料中質子化氨基之間的靜電作用增強，吸附率增大。

因此，可以利用氨基功能化材料，在較寬pH范圍內實現(xiàn)無機砷形態(tài)As(III/V)的分離。

2.3 多種砷形態(tài)的同時富集——以混合模式吸附劑為例

由表1可以看出，六種砷形態(tài)性質差別較大。在中性條件下，As(III)呈中性，As(V)和MMA帶負電，DMA和AsB呈兩性，AsC帶正電；很難找到單一功能化的萃取材料對它們實現(xiàn)同時吸附/富集。陳貝貝等[5]實驗發(fā)現(xiàn)，在pH = 6條件下，含巰基功能團的γ-巰丙基三甲氧基硅烷(γ-MPTS)在吸附材料中的加入明顯改善As(III)的吸附，部分磺化聚苯乙烯(PSP)的添加對AsC的吸附有明顯改善，而帶負電的As(V)、MMA以及兩性的DMA、AsB在氨基功能化涂層上均有恒定的吸附?；诖?，制備了基于γ-MPTS、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(AAPTS)和PSP的混合萃取材料，實現(xiàn)了六種砷形態(tài)的同時富集(圖3)。

圖3 pH 2–12范圍內六種砷形態(tài)在混合模式吸附涂層上的保留行為[5]

對其可能的吸附機理進行討論如下：

當pH > 4之后，As(V)和MMA主要以陰離子形式存在，與質子化的氨基產(chǎn)生靜電作用；當pH >8后，氨基逐漸去質子化，對As(V)和MMA的作用力逐漸降低。因此，As(V)和MMA在該材料上的最佳吸附pH范圍為5–8。

當pH < 6時，DMA以中性分子形式存在，與涂層之間的主要作用力為疏水作用；當pH > 6時，DMA主要以陰離子形式存在，與涂層之間存在靜電作用。

以兩性狀態(tài)存在的AsB，與涂覆材料之間存在靜電作用和疏水作用。

AsC在溶液中帶正電，與PSP上的磺酸基之間存在陽離子交換作用。

另外，As(III)在pH 3–9的范圍內有穩(wěn)定的吸附主要基于其與γ-MPTS上巰基之間強親和作用。

3 討論及小結

酸性和堿性物質的解離平衡常數(shù)及其在不同pH條件下的分布分數(shù)信息，對于針對性地構建分離/富集和分析方法有著重要的作用。在教學過程中，應對學生進行適當引導，加深他們對這一概念的理解和掌握；同時，教學要遵循由淺入深和反復提及的原則。具體而言：

(1) 在酸堿滴定章節(jié)的授課過程中，重點放在闡述分布分數(shù)的定義、計算，以及基于此的不同類型溶液的pH的計算；不宜對分布分數(shù)的應用展開討論。

(2) 在后續(xù)章節(jié)，尋找合適契機插入，如“酸堿指示劑”部分，可根據(jù)特定指示劑的解離平衡常數(shù)，讓學生計算分布分數(shù)，學會有目的地調節(jié)介質pH，讓指示劑以預想的形式存在；在“分離和富集方法”部分，讓學生基于酸堿物質的解離平衡常數(shù)和分布分數(shù)，理解水相pH對兩相液液萃取的影響，以及構建膜輔助三相液相萃取的基本原理；在儀器分析“液相色譜”部分，可以引導學生基于分布分數(shù)，思考某種分離模式下不同物質保留時間差異的根本原因。

(3) 在反復強化認知的過程中，大部分學生對“分布分數(shù)”這一概念會形成比較明晰的認識，對酸堿性物質的解離平衡常數(shù)更敏感，有助于培養(yǎng)其快速捕獲信息、分析問題、解決問題的能力。

此外，常用教材上收錄的解離平衡常數(shù)信息有限，在教學和科研過程中，對特定分析物的分布分數(shù)等相關參數(shù)，可以借助網(wǎng)絡軟件(如https://chemicalize.com/#/calculation)快速獲取。