分光光度法的教學(xué)實踐

李昆(盤錦高級技工學(xué)校，遼寧 盤錦 124000)

0 引言

水中鐵含量是非常重要的水質(zhì)指標，鐵及其化合物具有低毒性。人體內(nèi)所需的鐵主要來源于食物和飲水。長期飲用含鐵量過高的水，會使人嘔吐、腹瀉、胃腸道紊亂，體內(nèi)鐵含量高的人中風(fēng)后發(fā)生嚴重腦損傷的危險性較高，因此測定飲用水中鐵含量很有必要。

在分光光度法的教學(xué)中，采用先理論后實操的教學(xué)模式，應(yīng)用頭腦風(fēng)暴法、小組討論法、角色扮演法、組間互評、組內(nèi)自評等教學(xué)方法，讓學(xué)生最大程度地參與到課堂教學(xué)中來，告別“填鴨式”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，不但使學(xué)生學(xué)會了理論原理，同時也鍛煉了動手能力，更重要的是增強了他們主動探索的自信心和滿足感。理論實踐一體化的教學(xué)模式對于中職學(xué)生的適應(yīng)性效果良好，使教學(xué)工作更為流暢，培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的化工人才。

1 學(xué)情及知識難度分析

儀器分析是在化學(xué)分析的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，由于科技的進步，越來越多測定更精準的分析儀器應(yīng)用到分析測定中。在眾多的分析儀器中，分光光度法是光學(xué)分析法的一種，它是通過測量溶液中被測組分對一定波長光的吸收程度，以確定被測物質(zhì)含量的方法。理論依據(jù)為光的吸收定律，相對難度適中。對于已有數(shù)學(xué)計算能力、一定的無機、有機化學(xué)、化學(xué)分析基礎(chǔ)的學(xué)生來說學(xué)習(xí)這部分知識并不吃力，中職學(xué)生除了要求有一定的理論知識基礎(chǔ)外，實踐操作能力同樣重要，甚至更重要，因此給學(xué)生創(chuàng)造更多的實操機會，強化其動手能力，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行分析得到準確的結(jié)論尤為關(guān)鍵。

2 課程設(shè)計

2.1 理論教學(xué)

采用傳統(tǒng)板書教學(xué)與PPT 相結(jié)合的模式，對于光的吸收定律部分采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，而講解分光光度計結(jié)構(gòu)時，為了能讓學(xué)生較為直觀地認識其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用PPT 教學(xué)。

2.1.1 光的吸收定律

如圖1 所示，當(dāng)一束平行的單色光通過均勻的有色溶液時，光的一部分被吸收池表面反射回來，一部分被溶液吸收，一部分透過溶液。

圖1 平行光照射有色溶液示意圖

關(guān)系為：

式中：I0為入射光強度；It為透射光強度；Ia為反射光強度；Ir為吸收光強度。

反射光強度基本不變，其關(guān)系可簡化為：

透光率：透射光強度It與入射光強度I0之比，用T 表示。

溶液透光率的倒數(shù)反映了溶液對光的吸收程度，與溶液濃度、液層厚度和入射光波長有關(guān)。表達式為：

式中：A 為吸光度； ε 為摩爾吸收系數(shù)(L/mol·cm)； c 為溶液物質(zhì)的量濃度(mol/L)”；b 為液層厚度(cm)。

物質(zhì)對光的選擇吸收特性可以用吸收曲線來描繪。讓不同波長的光通過一定濃度的溶液，分別測出各個波長的吸光度。發(fā)現(xiàn)任何一種溶液在特定的波長吸光度有一個峰值，稱為最大吸收波長，用λmax 表示。不同濃度的同種溶液最大吸收波長的位置不變，只是吸收峰的高度隨濃度的增大而增大，因此可作為定量分析的依據(jù)。

2.1.2 分光光度計結(jié)構(gòu)

(1)光源：光源的作用是提供符合要求的入射光。光源必須有足夠的輸出功率和穩(wěn)定性。常用的光源有鎢絲白熾燈提供的可見光，氫燈或氘燈提供的部分的紫外光源(波長范圍為200～350 nm)。為了保證發(fā)光強度穩(wěn)定，也要用穩(wěn)壓電源供電。

(2)單色器：單色器是由色散元件、狹縫和透鏡系統(tǒng)的作用組成的。能把復(fù)合光變成各種波長單色光的器件稱為色散元件。狹縫和透鏡系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)光的強度，控制光的方向并取出所需波長的單色光。經(jīng)典的單色器是用棱鏡作色散元件，它是根據(jù)光的折射現(xiàn)象進行分光。

目前的單色器用光柵作色散元件。光柵是在玻璃表面刻上等寬度等間隔的平行條痕，當(dāng)平行光照射到光柵上，由于光柵的衍射作用，反射處理的光就按波長順序分開了，只要設(shè)定好所需波長，就能自動轉(zhuǎn)換光柵，調(diào)整到所需的波長。

(3)吸收池：盛裝被測溶液的吸收池由透明的材料制成。它有兩個互相平行而且距離一定的透光平面，側(cè)面和底面是毛玻璃。吸收池是單色器與信號接收器之間光路的連接部分。它的作用是讓單色器全部進入被測溶液，并且從被測溶液出來的光進入檢測器。

(4)檢測器：檢測器是光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)必須是定量的；對光線波長的響應(yīng)范圍要寬、靈敏度要高、速度要快、穩(wěn)定性要好。常用的光電轉(zhuǎn)換器有光電池、光電管、光電倍增管、光導(dǎo)管與二極管陣列。

(5)信號顯示及數(shù)據(jù)處理：由檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，可用檢流計、微安表、記錄儀、數(shù)字顯示器或陰極射線顯示器顯示和記錄測定結(jié)果。

2.2 實操教學(xué)

把學(xué)生分為4 個測定小組，扮演成水質(zhì)化驗員，通過查找資料得到三種測定方案：(1)利用鐵離子測定儀進行分析測定；(2)利用Fe3+氧化Cu，通過Cu 反應(yīng)前后質(zhì)量的變化進行測定；(3)利用鄰菲啰啉與Fe2+反應(yīng)生成配合物用分光光度計測定吸光度，進而得到其濃度數(shù)值。

小組討論對比各種測定方法的優(yōu)缺點，方案一可在測定出水中鐵含量數(shù)值后使用測定儀檢測結(jié)果的可靠性；方案二中Fe3+氧化Cu 反應(yīng)速度太慢，且反應(yīng)不徹底，不能用于濃度低的鐵含量的測定；方案三鄰菲啰啉與亞鐵反應(yīng)生成紅色配合物，反應(yīng)速度快，logK穩(wěn)=21.3，即K穩(wěn)=1021.3，轉(zhuǎn)化率極高，可最終確定用亞鐵離子和配位劑鄰菲啰啉反應(yīng)，生成有色配合物后采用分光光度法測定吸光度，制成工作曲線后，通過對比查出自來水中鐵含量。方法確定后，通過查找資料得到鄰菲啰啉分光光度法測定鐵離子含量方法的具體過程。涉及到的反應(yīng)式為：

鐵離子被還原劑鹽酸羥胺還原成亞鐵離子，亞鐵離子與鄰菲啰啉反應(yīng)，酸度控制在2～9 為宜，生成穩(wěn)定的橙紅色螯合物。

2.2.1 最大吸收波長的確定

由小組協(xié)作完成，改變吸收波長，測定同一濃度鐵與鄰菲啰啉生成配合物的吸光度，最終確定最大吸收波長為508 nm。

2.2.2 實驗用品

(1)實驗器皿

721 分光光度計(50 mL 比色管、1 cm 吸收池)、電子分析天平、酒精燈、滴管、容量瓶(1 000、250 mL)、錐形瓶(100 mL)、鐵三角(石棉網(wǎng))、移液管(1、10 、25、50 mL)、量筒(10 mL)、玻璃棒、燒杯(150 mL)。

(2)實驗藥品

鄰菲啰啉(1 g/L)、12 結(jié)晶水硫酸鐵銨(分析純)、鹽酸羥胺(100 g/L)、NH3- NH4Cl 緩沖溶液(pH=8)。

2.3 測定步驟：標準曲線的繪制

(1)鐵標準溶液的配制(100 μg/mL)

用分析天平準確稱取0.863 g硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·12H2O]，溶于水后轉(zhuǎn)入1 000 mL 容量瓶中，稀釋后初步混勻，再加水至接近刻度線，定容，搖勻。

(2)鐵標準溶液的配制(10 μg/mL)

用25 mL 移液管移取25.00 mL 100 μg/mL 的鐵標準溶液于250 mL 容量瓶，加水稀釋至刻度，混勻。

(3)繪制工作曲線

取50mL比色管8支，分別加入鐵標準溶液0.00、0.25、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL，各加1+1 鹽酸2 mL，1 mL 鹽酸羥胺，0.5 mL 鄰菲啰啉，3 mL NH3-NH4Cl 緩沖溶液，加水稀釋至刻度，靜置10 min，在510 nm 處測吸光度，記錄數(shù)據(jù)。以50 mL溶液含鐵量為橫坐標，對應(yīng)的吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。

(4)生活飲用水鐵含量的測定

移取50.00 mL 水樣于100 mL 錐形瓶中， 1 mL 鹽酸羥胺，小火煮沸10 min，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)入比色管中，0.5 mL 鄰菲啰啉，3 mL NH3-NH4Cl 緩沖溶液，加水稀釋至刻度，靜置10 min，測吸光度。

小組協(xié)作通過查閱資料，懂得如何利用分光光度計測定物質(zhì)吸光度。在實操過程中，強化利用分析天平稱量物質(zhì)質(zhì)量、使用容量瓶進行標準溶液配制、利用移液管移取一定量溶液等基本分析操作技能。

3 組內(nèi)自評、組間互評

組內(nèi)評價操作不規(guī)范、違反操作規(guī)程、需要改進的地方。強化化驗常規(guī)器皿的操作，并熟練分光光度計的使用。小組協(xié)作完成數(shù)據(jù)處理，繪制吸光度曲線。

4 結(jié)語

先以提問的方式由學(xué)生闡述本次課掌握的知識點。對于掌握不準確的地方，小組討論后，由教師重點講解。

理實一體化教學(xué)突出了學(xué)生學(xué)的主體地位，讓他們充分參與到課堂教學(xué)中，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，一體化教學(xué)實際上對教師的要求更高了，教師要提高職業(yè)修養(yǎng)和道德素養(yǎng)。課下教師應(yīng)準備各種材料，使之更適應(yīng)不同層次學(xué)生的需要，使材料更具有邏輯性、趣味性、生活化，課上認真組織學(xué)生進行有效的學(xué)習(xí)，并注重學(xué)習(xí)結(jié)果的反饋與反思。