張遠(yuǎn)馥，張金榮，任姿靜，張熙芳，商冬麗，魏琳潔，李睿，李霞，薛慶旺，張偉，王術(shù)皓

聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 聊城 252000

分析化學(xué)是一門以多學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性學(xué)科，是化學(xué)的重要分支學(xué)科。基礎(chǔ)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)、化學(xué)工藝、應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程之一，在專業(yè)人才培養(yǎng)中特別是實(shí)驗(yàn)操作技能培養(yǎng)方面起著極其重要的支撐作用[1-3]。滴定分析是主要的化學(xué)分析法，具有簡便、快速、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，故常作為標(biāo)準(zhǔn)方法使用。目前，我國對水中氯化物含量的測定主要是以K2CrO4為指示劑的銀量法。但是，采用的指示劑為重金屬鹽，具有毒性，使用量大。法揚(yáng)司法(Fajans)是利用吸附指示劑確定滴定終點(diǎn)的銀量法[1]。目前比較常用的指示劑有熒光黃、曙紅等陰離子染料[4]。然而該方法受到不同因素的影響。例如，溶液的濃度不能太稀，否則沉淀太少，觀察終點(diǎn)困難，若用熒光素作為指示劑測定氯離子，其濃度不能低于5 mmol·L-1。所以，有必要引入一種新型的指示劑。

金納米粒子(AuNPs)是指粒徑在100 nm范圍內(nèi)的金納米顆粒，因其表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等納米效應(yīng)，在宏觀上呈現(xiàn)出與眾不同的性質(zhì)[5,6]。其中，AuNPs具有獨(dú)特的局部表面等離子體共振(LSPR)特性。當(dāng)光照射在納米金表面上時(shí)，分散納米金(10-50 nm)呈酒紅色，在520 nm處出現(xiàn)LSPR特征吸收。當(dāng)納米金發(fā)生聚集，納米金溶液呈藍(lán)色，LSPR吸收峰發(fā)生較大的紅移，基于此建立了納米金比色法[7,8]。由于納米金的摩爾吸光系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的有機(jī)分子，所以納米金比色法具有高的靈敏度，它已廣泛用于DNA[9,10]、蛋白質(zhì)[11,12]、金屬離子[13,14]等方面的測定。然而，在滴定分析作為指示劑的應(yīng)用并不多見。法揚(yáng)司法是基于化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前后電荷的變化，吸附指示劑，造成指示劑顏色變化而建立的分析方法。也就是說指示劑需帶電荷，而納米金由于包被試劑的不同可帶有不同的電荷。研究者曾以半胱胺鹽酸鹽為穩(wěn)定劑，制備了帶有正電荷的納米金，加入聚陰離子(肝素)后，由于靜電引力的作用，拉近了納米金間的距離，溶液由紅色變?yōu)樗{(lán)色，進(jìn)而可以快速、靈敏地檢測肝素[15]。研究表明，納米金非交聯(lián)團(tuán)聚的過程就是分子間作用力平衡被打破的過程。那么，能否將此過程引入到法揚(yáng)司法，將納米金作為吸附指示劑呢？

本工作將利用還原法制備納米金，在中、堿性環(huán)境下，納米金粒子帶有負(fù)電荷，在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前，由于AgCl膠體吸附過量的Cl-而帶負(fù)電荷，排斥納米金，溶液顯紅色；滴定至化學(xué)計(jì)量點(diǎn)后，AgCl吸附過量Ag+而帶正電荷，吸附帶負(fù)電荷納米金，納米金粒子表面電荷被中和，雙電層遭到破壞，發(fā)生團(tuán)聚顯藍(lán)紫色，據(jù)此可以利用溶液的顏色變化來確定滴定終點(diǎn)。由于本工作整個過程都使用的是無機(jī)鹽，所以可通過絡(luò)合反應(yīng)、沉淀反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等簡單反應(yīng)，將金和銀進(jìn)行回收，這一環(huán)節(jié)中充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)通過文獻(xiàn)調(diào)研，了解納米金顆粒的制備方法及顯色原理。

(2)理解納米金顆粒作為吸附指示劑的原理及變色原理。

(3)熟練掌握沉淀滴定基本操作及紫外-可見分光光度計(jì)的使用。

(4)通過探索不同實(shí)驗(yàn)條件對滴定分析的影響，培養(yǎng)學(xué)生的科研邏輯思維，提升學(xué)生的綜合運(yùn)用的能力。

(5)通過廢液的回收再利用，拓展綠色化學(xué)在本科教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)的理念。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

本工作采用的法揚(yáng)司法是利用納米金作為吸附指示劑確定滴定終點(diǎn)的銀量法。納米金是通過還原法制備得到的。如圖1所示，在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前，AgCl膠體吸附過量的Cl-而帶負(fù)電荷，形成AgCl·Cl-。進(jìn)而不易被吸附，納米金溶液為紅色。在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，AgCl吸附Ag+而帶正電荷，吸附納米金，造成納米金團(tuán)聚，溶液顏色發(fā)生變化，變?yōu)樗{(lán)紫色。所以，可利用溶液的顏色變化來確定滴定終點(diǎn)。

圖1 以AuNPs為吸附指示劑，法揚(yáng)司法檢測氯離子

在準(zhǔn)確滴定Cl-的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的AgCl沉淀。由于Ksp(Ag2S)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ksp(AgCl)，所以，如圖2所示，當(dāng)加入過量的Na2S溶液后，AgCl可轉(zhuǎn)化為Ag2S，Ag2S與HNO3發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成AgNO3、NO和S單質(zhì)。將得到的產(chǎn)物利用濾膜進(jìn)行過濾，得到AgNO3濾液。此外，向?yàn)V渣滴加王水，生成H[AuCl4]，待收集的溶液達(dá)到一定量后，置換得到金。

圖2 本實(shí)驗(yàn)中所涉及的有關(guān)反應(yīng)方程式

2.2 試劑和儀器

氯金酸購于天津金鉑蘭精細(xì)化工有限公司，檸檬酸鈉、硼氫化鈉、硝酸銀、氯化鈉、淀粉均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水(Millipore 18 MΩ·cm)。

紫外分光光度計(jì)(UV-2550，Hitachi，日本)，電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)，高速冷凍離心機(jī)(Himac CR 22G，Hitach，日本)，棕色滴定管(江蘇泰州市高港區(qū)騰飛教學(xué)儀器廠)。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 納米金膠體的制備

所有玻璃器皿在使用前用王水浸泡24 h，水洗、晾干備用。

13 nm、20 nm、40 nm納米金膠體的制備。本工作采用還原法制備納米金。以13 nm納米金為例，首先，配制50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%氯金酸溶液；然后，將此溶液加熱、攪拌至沸騰；再快速加入5.6 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%檸檬酸三鈉，溶液由黃色變?yōu)榫萍t色后，繼續(xù)攪拌、加熱至顏色純正；最后撤去熱源，繼續(xù)攪拌至室溫，置于冰箱中冷藏保存，備用。對于20 nm和40 nm的納米金來說，其制備方法與13 nm納米金制備方法類似，只是氯金酸的量為100 mL 0.01%，檸檬酸鈉溶液分別為2 mL和0.65 mL。

2.6 nm納米金膠體的制備。100 mL 0.01%氯金酸溶液加入1 mL 1%檸檬酸鈉溶液，在攪拌下，緩慢滴加1 mL含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.075%硼氫化鈉的1%檸檬酸鈉溶液，當(dāng)溶液的顏色變?yōu)榧t色，繼續(xù)攪拌30 min，最后，將該溶液離心、水洗，裝入棕色細(xì)口瓶，置于冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

根據(jù)在UV-Vis光譜圖上520 nm處的吸光度值和納米金的摩爾吸光系數(shù)為2.7×108mol·L-1·cm-1，得知此法制備的13 nm的納米金粒子的濃度粒子的濃度為17 mol·L-1。

2.3.2 以納米金為吸附指示劑，標(biāo)定硝酸銀

準(zhǔn)確稱取約0.0060 g氯化鈉固體于錐形瓶，溶于20 mL水中，加入0.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%淀粉溶液，加入200 μL納米金，用0.01000 mol·L-1硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液避光、慢速滴定，至溶液顏色呈紫色，平行三次測定，計(jì)算硝酸銀的含量。

2.3.3 以納米金為吸附指示劑，測定水樣氯離子含量

首先，將地下水樣品離心、過濾。然后，取10 mL樣品溶液于錐形瓶，加入0.5 mL 1%淀粉溶液和200 μL納米金，再用硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液逐滴滴定，溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)紫色即為終點(diǎn)，平行三次測定，計(jì)算地下水樣品中氯離子的含量。

2.3.4 金和銀回收

向滴定完成的混合液中加入過量的硫化鈉溶液，溶液迅速由紫紅色變?yōu)榛液谏恋怼Ｈ缓髮⑷芤红o置20 min，去除上清液，反復(fù)水洗多次后，加入過量6 mol·L-1硝酸，加熱，沉淀由灰黑色變成棕色后，再繼續(xù)加熱1 min后停止加熱。將得到的溶液過濾，得到硝酸銀溶液。重復(fù)上述步驟多次，將濾液收集于試劑瓶，最后將濾液冷凍干燥，得到硝酸銀固體。另一方面向?yàn)V渣滴加王水，得到氯金酸溶液。

3 結(jié)果與討論

3.1 納米金的紫外-可見吸收光譜圖

本工作采用檸檬酸三鈉還原法，制備得到納米金膠體，呈穩(wěn)定的酒紅色，ζ-電位為-21.6 mV，在520 nm處有一最大吸收峰(圖3A)。由于AgNO3的ζ-電位為-2.05 mV，所以，AgNO3滴加于錐形瓶中時(shí)，不易吸附納米金。在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前，AgCl膠體吸附過量的Cl-而帶負(fù)電荷，形成AgCl·Cl-，ζ-電位為-2.33 mV，溶液為紅色，吸收峰的位置無變化。如圖3所示，在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，顏色變?yōu)樽仙?圖3B)，吸收峰發(fā)生了紅移，吸光度降低，半峰寬變大(圖3A)，這表明納米金發(fā)生了交聯(lián)和聚集。這是因?yàn)锳gCl吸附Ag+而帶正電荷，ζ-電位為34.8 mV，吸附納米金，造成納米金團(tuán)聚，顏色發(fā)生變化，變?yōu)樽仙?。所以，可利用溶液的顏色變化來確定滴定終點(diǎn)。

圖3 化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前后吸收光譜(A)及溶液顏色變化(B)的比較

3.2 透射電鏡表征

為了進(jìn)一步說明納米金作為吸附指示劑的變色原理，我們用透射電鏡(TEM)來直接表征化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前后納米金的聚集狀態(tài)。如圖4所示，納米金平均粒徑為～13 nm，且大小均勻(圖4A)，在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)后，發(fā)現(xiàn)納米金團(tuán)聚，形狀呈不規(guī)則狀，粒徑從幾百納米到微米級(圖4B)。并且還可觀察大顆粒的晶體(AgCl)出現(xiàn)。

圖4 納米金的TEM圖

3.3 淀粉含量對該方法響應(yīng)信號的影響

由于該方法顏色的變化發(fā)生在沉淀的表面，為此應(yīng)使AgCl沉淀比表面大一些，所以要加入淀粉溶液保護(hù)AgCl膠體阻止其凝聚。我們考察了淀粉溶液對該體系在520 nm處的吸光度的差值ΔAbs(ΔAbs=A0-As，A0，As表示化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前后的吸光度值)的影響。如圖5所示，在未加入淀粉溶液時(shí)，吸光度變化值(ΔAbs)為最小，這是因?yàn)樵跊]有淀粉的存在下，AgCl易發(fā)生聚沉，造成AuNPs不易變色。隨著淀粉的加入，ΔAbs逐漸增大，當(dāng)?shù)矸蹪舛葹?0 μmol·L-1，ΔAbs達(dá)到最大，而當(dāng)?shù)矸蹪舛却笥?0 μmol·L-1，ΔAbs趨于平衡且有下降的趨勢，這是因?yàn)榈矸酆慷嘣斐蓮?qiáng)背景信號。所以淀粉濃度為50 μmol·L-1。

圖5 淀粉含量對該方法響應(yīng)信號的影響

3.4 納米金對該方法響應(yīng)信號的影響

本工作中，納米金作為指示劑，對該方法靈敏度起到至關(guān)重要的作用。我們從納米金的粒徑和濃度兩方面同時(shí)考察了納米金對體系的影響。如圖6所示，以粒徑為2.6、13和20 nm的納米金作為指示劑，其變化趨勢基本一致，都是先隨著納米金的濃度增加，ΔAbs增大，然后，隨著納米金濃度增加，ΔAbs反而減小。但是，對于40 nm納米金來說，ΔAbs隨著濃度增加反而下降，這是因?yàn)?0 nm納米金背景信號大，進(jìn)而ΔAbs減小。從圖6可知，當(dāng)13 nm納米金為0.010 μmol·L-1時(shí)，ΔAbs達(dá)到最大。所以，選擇0.010 μmol·L-1，13 nm納米金為指示劑。

圖6 納米金對該方法響應(yīng)信號的影響

3.5 pH對該方法響應(yīng)信號的影響

pH不僅影響滴定反應(yīng)，而且影響納米金的指示作用。比較了本方法和莫爾法在不同pH環(huán)境下的響應(yīng)信號(V/VGB，V：滴定體積，VGB：國標(biāo)法滴定體積)。如圖7所示，在強(qiáng)堿性環(huán)境下，Ag+與OH-反應(yīng)，析出Ag2O沉淀。莫爾法在pH為3.3-5.8和8.7-10.0時(shí)，V/VGB大于1，說明指示終點(diǎn)的Ag2CrO4沉淀出現(xiàn)晚，導(dǎo)致測定誤差。然而，本方法在pH在5.8-10.0時(shí)，V/VGB約為1，說明該方法在中性或弱堿性環(huán)境下測定的結(jié)果都比較準(zhǔn)確。這是因?yàn)橹苽浼{米金由檸檬酸包被，只有在中性或或弱堿性環(huán)境下顯負(fù)電荷，在酸性環(huán)境下不顯電荷，不利于相互作用。所以我們選擇了0.05 mol·L-1PBS緩沖液(pH 7.7)為最佳介質(zhì)環(huán)境。

圖7 pH對該方法響應(yīng)信號的影響

3.6 該方法適用范圍

每種分析方法都有一定的使用范圍，沉淀滴定法適用于常量分析，具有準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。如圖8所示，對于莫爾法來說，NaCl在5×104-1×105μmol·L-1范圍內(nèi)，可被準(zhǔn)確滴定。對于本方法來說，實(shí)驗(yàn)表明，氯離子的含量在1×103-5×103μmol·L-1，V/VGB接近于1，但當(dāng)NaCl為1×105μmol·L-1，V/VGB為0.320，這是因?yàn)殡S著NaCl濃度的增加，離子強(qiáng)度增大，破壞了納米金的穩(wěn)定性，導(dǎo)致納米金團(tuán)聚，所以該方法不適用于離子強(qiáng)度大的介質(zhì)?？傊?，該方法相比于傳統(tǒng)的沉淀滴定法，具有高靈敏性，但不適用于離子強(qiáng)度大的介質(zhì)。

圖8 本法與莫爾法靈敏度的比較

3.7 樣品測定

我們將這種方法應(yīng)用于水樣中氯離子含量的測定。將水樣進(jìn)行過濾、濃縮或稀釋，按照本實(shí)驗(yàn)方法對水樣中氯含量進(jìn)行測定，如表1所示，每個樣品測三次取平均值，測定回收率，通過t檢驗(yàn)，在95%的置信水平上，回收率無顯著性差異。與國標(biāo)法(莫爾法)[4]相比，測定結(jié)果和回收率令人比較滿意。

表1 水樣中氯含量的測定

3.8 廢液回收

隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，廢液回收再利用已成為熱點(diǎn)問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果不重視藥品的回收再利用，不僅會造成資源和能源的浪費(fèi)，還會造成環(huán)境污染。本實(shí)驗(yàn)中所用試劑為無機(jī)鹽，所以可以通過簡單的反應(yīng)，將金屬進(jìn)行循環(huán)再利用。如圖9所示，向廢液中加入過量Na2S溶液，因?yàn)锳g2S溶解度比AgCl小很多，所以生成更加難溶的Ag2S。在這一過程中要加入過量的Na2S溶液，保證AgCl完全轉(zhuǎn)化為Ag2S，反應(yīng)結(jié)束后將沉淀靜置，隨后在洗滌沉淀的過程中，要用玻璃棒將沉淀充分碾碎，保證沉淀表面和沉淀包裹的雜質(zhì)離子能夠洗滌干凈，最終得到純凈的Ag2S。然后，Ag2S與HNO3在加熱下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成AgNO3、NO和S單質(zhì)。將得到的產(chǎn)物進(jìn)行過濾，得到AgNO3溶液。剩下的固體殘?jiān)猛跛芙獾玫铰冉鹚帷?/p>

圖9 金和銀的回收

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)制備金納米粒子前，須將所有玻璃器皿用王水浸泡24 h，提醒學(xué)生在通風(fēng)柜中操作，戴好護(hù)目鏡及手套。

(2)滴定速度影響滴定結(jié)果。學(xué)生在滴定時(shí)，應(yīng)緩慢滴定，快速搖動錐形瓶。

5 實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行方式和教學(xué)方法

(1)本實(shí)驗(yàn)是一個涉及到無機(jī)納米材料合成和表征、實(shí)驗(yàn)條件探究以及分析檢測等內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)，適用于化學(xué)專業(yè)高年級本科生開設(shè)。建議2人一組開展實(shí)驗(yàn)。

(2)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為18學(xué)時(shí)，分3周完成，每周6個學(xué)時(shí)。建議教師在實(shí)驗(yàn)前，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，并做好預(yù)備實(shí)驗(yàn)。第一周，先給學(xué)生介紹納米材料的性質(zhì)、制備及應(yīng)用等方面的背景知識。然后，制備不同粒徑的納米金。第二周，講解以納米金為吸附指示劑，法揚(yáng)司法測定氯離子的原理，介紹用到的儀器(紫外-可見分光光度計(jì)、透射電鏡、酸度計(jì)、粒度儀)的測定原理、操作方法和注意事項(xiàng)。開展滴定分析操作，探究實(shí)驗(yàn)條件對滴定終點(diǎn)的影響，并收集廢液。第三周，開展廢液回收實(shí)驗(yàn)，分組分析討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3)教學(xué)過程中，主要采用啟發(fā)式和互動式教學(xué)形式，在整個過程中，通過學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的提問，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，鼓勵學(xué)生一起學(xué)習(xí)，共同探討，互相啟發(fā)。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自學(xué)能力和創(chuàng)新意識。

6 結(jié)語

納米材料是當(dāng)下科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，本工作將金納米粒子引入到沉淀滴定分析教學(xué)之中，以納米金為吸附指示劑，建立了檢測氯離子的新方法。與傳統(tǒng)的法揚(yáng)司法相比，該方法不僅具有高靈敏度，而且適用范圍廣。更重要的是，廢液可通過簡單反應(yīng)，將金和銀回收再利用，既降低成本又減少污染。本實(shí)驗(yàn)是一個研究探索型的綜合性實(shí)驗(yàn)，綜合了無機(jī)合成、滴定分析和儀器分析等知識，使學(xué)生能夠得到綜合性的鍛煉，提高其實(shí)驗(yàn)操作技能。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作簡單、現(xiàn)象明顯，易于學(xué)生掌握和理解，具有較好的教學(xué)推廣價(jià)值。