周润华 陈雅靖 赵仁杰 段初凡
首都师范大学附属育新学校 北京市 100096
摘要：生活用水中的铁含量与人们的健康息息相关。本文通过邻二氮菲分光光度法测定出实验地点自来水、住宅自来水、地铁育新站自来水、凉开水和新、老热水器出水中的铁元素含量，研究了盐酸羟胺浓度对邻二氮菲分光光度法铁含量测定结果的影响，得出所取水样含铁量均符合国家标准、加热会使水中含铁量有所降低和比色管中盐酸羟胺最适浓度为4 g/L的结论。
关键词：生活用水；铁含量；邻二氮菲；分光光度法；盐酸羟胺
1 引言
邻二氮菲分光光度法在工业[1]和食品业[2][3]均有广泛的应用。徐斌完成了对实验最佳条件的探究[4]；针对邻二氮菲在水中溶解度较低的问题，黄锁义、刘侠采用先加入少许乙醇的办法[2][3]。邻二氮菲是测定微量铁的较好试剂，在pH为2～9的溶液中，邻二氮菲与Fe2+反应生成稳定的橙色络合物：
图1 邻二氮菲与Fe2+反应
在显色前若铁为三价状态时，可用盐酸羟胺还原成二价铁离子，如式1：
（式1）
本文采用水浴加热排除乙醇试剂对实验的干扰，通过绘制铁溶液的标准曲线，进行生活用水中微铁含量的检测，探究北京不同地点、不同用途的水质中铁含量的差异，分析可能造成差异的原因，并验证了盐酸羟胺用量对检测数据的影响。
2 实验仪器、材料和试剂
实验仪器：JA1003电子分析天平（上海浦春计量仪器有限公司）；721G可见分光光度计（上海仪电科学仪器股份有限公司）。
实验试剂：硫酸铁铵（NH4Fe(SO4)2·12H2O）、邻二氮菲（1,10-邻二氮杂菲）、盐酸羟胺（NH2OH·HCl）、无水乙酸钠（NaAc）、盐酸（6mol/L），均为分析纯。
实验材料：住宅自来水样、地铁育新站自来水样、凉开水样、老热水器出水水样和新热水器出水水样。
3 实验方法
3.1 溶液配制：
铁标准储备液（100 μg/mL）：准确称取0.863 g硫酸铁铵，置于烧杯中，用20 mL盐酸和纯水溶解后转移至1 L容量瓶中，用纯水定容至刻度，摇匀。铁标准工作液（10 μg/mL）：用10 mL吸量管吸取10 mL铁标准储备液置于100 mL容量瓶中，用2 mL吸量管2 mL盐酸加入容量瓶中，最后用纯水稀释至刻度，摇匀。
邻二氮菲溶液（1.5 g/L）：准确称取0.075 g邻二氮菲，置于烧杯中，水浴加热至约60℃并搅拌，溶解后待其冷却至室温，转移至50 mL容量瓶中，再用纯水定容至刻度，摇匀。
盐酸羟胺溶液（100 g/L）：准确称取5 g盐酸羟胺，置于烧杯中，用纯水溶解后转移至50 mL容量瓶中，再用纯水定容至刻度，摇匀。
乙酸钠溶液（1 mol/L）：准确称取8.2 g无水乙酸钠，置于烧杯中，用纯水溶解后转移至100 mL容量瓶中，再用纯水定容至刻度，摇匀。
3.2 绘制标准曲线：
在6个50 mL比色管中，分别加入0、2、4、6、8和10 mL铁标准工作液，各加入1mL盐酸羟胺溶液，摇匀。再加入5 mL乙酸钠溶液和2 mL邻二氮菲溶液，用纯水定容至刻度，摇匀。以上溶液均由相应量程的吸量管准确吸取。
放置10 min后，以未加入铁标准工作液的溶液为空白参比，在510 nm波长下，测定各溶液吸光度，然后用Excel表格绘制浓度-吸光度标准曲线，并得出回归方程。
3.3 测定各水样中的铁元素含量：
各水样分别取5 mL，置于50 mL比色管中，各加入1mL盐酸羟胺溶液，摇匀，分别加入5 mL乙酸钠溶液和2 mL邻二氮菲溶液，用纯水定容至刻度，摇匀。以上溶液均由相应量程的吸量管准确吸取。
放置10min后，以未加入铁标准工作液的溶液为空白参比，在510 nm波长下，测定各溶液吸光度，最后代入回归方程计算出铁元素含量。
3.4 盐酸羟胺工作浓度测定：
将铁标准工作液加入量固定为10 mL，盐酸羟胺溶液加入量改为0、0.25、0.5、1、2和4 mL，其余同3.3。以未加入盐酸羟胺的溶液为空白参比，在510 nm波长下，测定各溶液吸光度，绘制吸光度-盐酸羟胺浓度曲线。
4实验结果
4.1 吸光度-铁含量标准曲线绘制
得到标准溶液吸光度数据如表1所示，绘制出的浓度-吸光度标准曲线如图1所示，回归方程为y=5.2456x-0.0236，线性相关系数R2=0.9980，从图中可以看出，该溶液对510 nm波长的光的吸收符合朗伯-比尔定律，即吸光度与铁元素浓度呈线性关系。由回归方程可知，当铁元素浓度为0时，其理论吸光值为0.005，用吸光度精度0.001的分光光度计测量，应以吸光度读数0.006为检测下限，最小检出量为0.0053 mg/L。
表1 标准溶液吸光度
图1 浓度-吸光度标准曲线
4.2吸光度-铁含量标准曲线的修订
对各水样进行吸光度测定，得到表2数据。
表2 各水样吸光度
由于各水样吸光度均不足0.005，导致计算的铁浓度均为负数，不符合常理，我们对此结果展开讨论，得到以下猜想：
（1）分光光度计对浓度过小的溶液不够灵敏，因为各水样的铁含量都很低，仪器误差导致负值出现。但由于同一水样重复测量后数据波动很小，且仪器测量吸光度精度为0.001，不会导致大量负值的出现，所以否定这个假设。
（2）标准曲线存在偏差。仔细观察表1和图1，可发现当浓度为2 mg/L时，溶液吸光度与预期值相比偏小。在确认实验操作准确无误后，猜想导致此结果的原因为盐酸羟胺加入量不足，导致Fe3+没有全部得到还原，进而使得标准曲线产生偏差。在去除2 mg/L的数据后再次绘制标准曲线，如图2所示。
图2 浓度-吸光度标准曲线（修订）
可发现在去除2 mg/L的数据后，修订的图线回归方程为y=5.0489x+0.0066，R2=0.9993，线性相关系数有所提高，故初步判断2 mg/L组加入的盐酸羟胺不足。因此，下面的数据分析将使用修订后的标准曲线的回归方程进行水样铁元素含量计算。
4.3 各水样铁含量测定
将表2中各水样平均吸光度代入回归方程，得到各水样铁元素含量，如表3所示。
表3 各水样铁元素含量
可见，各水样铁元素浓度均远小于0.3 mg/L，符合国家标准。其中，取自住宅的自来水中铁元素含量较高，推测其原因是供水管道为铁管，经过多年使用有所腐蚀；凉开水和新老热水器的出水均来源于住宅自来水，但铁元素含量都小于住宅自来水，推测其原因是经过加热后，水中部分铁元素沉积在了水垢中，同时热水器中用于电化学保护的镁棒对于带正电的铁离子也有吸附作用。
4.4 盐酸羟胺最适工作浓度的探究
为了进一步确认比色管中盐酸羟胺浓度（即盐酸羟胺加入量）对上述实验的影响，并寻找盐酸羟胺最适浓度，设计3.4实验，得出的吸光度-盐酸羟胺浓度曲线如图3所示。盐酸羟胺溶液加入量0、0.25、0.5、1、2和4 mL分别对应盐酸羟胺浓度为0.5、1、2、4和8 g/L。
图3 吸光度-盐酸羟胺浓度曲线
从图3中可知，盐酸羟胺浓度在2 g/L以下时，随着浓度升高，Fe3+被还原的量快速增加；盐酸羟胺浓度在2 g/L附近时，随着浓度升高，Fe3+被还原的量增加速度减慢；盐酸羟胺浓度在4 g/L附近时，达到吸光度最大值，即Fe3+被还原最完全处；盐酸羟胺浓度高于4 g/L时，随着浓度升高，Fe3+被还原的量缓慢下降。
由于本研究中铁元素的显色剂邻二氮菲仅能与Fe2+反应显色，故Fe3+被还原得越完全，实验数据越准确，因此盐酸羟胺最佳浓度应为4 g/L，同时证明4.2中的猜想成立。
5 结论与展望
经过上述实验探究及数据分析，可得出如下结论：
（1）本研究所测试的水样中铁元素含量均符合国家标准，不会危害人体健康；
（2）经过加热后，水中的铁元素含量会有所降低；
（3）在绘制标准曲线时，应加入足量还原剂盐酸羟胺，使Fe3+被还原充分。在本研究的实验步骤下，盐酸羟胺溶液最适加入量为2 mL，即比色管中盐酸羟胺浓度为4 g/L。
本研究使用邻二氮菲分光光度法检测了不同水样中的铁含量，证明了作为水质检测办法之一，该方法成本低，稳定，数据较为准确，具有较为广阔的发展前景。今后还可以进一步研究其他因素对该方法的影响，以使该方法更加成熟可靠，能够被大规模广泛使用。
由于时间原因，本研究测试的水样数量较少，探究盐酸羟胺浓度时的样本也较小，未来应扩大取样范围、增加样本容量，以得到更加详细精准的实验结果。
参考文献
[1] 秦峥. 分光光度法测定微量铁实验方法的改进[J]. 中国科技投资, 2017(6):274,311.
[2] 刘侠. 邻二氮菲分光光度法测定黄瓜中微量铁[J]. 食品工业科技，2008.29(9):275-276,282.
[3] 黄锁义,覃超风,羊金梅,余瑞林. 邻二氮菲分光光度法测定广西山区瓜果类蔬菜中铁的含量[J]. 广东微量元素科学，2004.11(11)：48-50.
[4] 徐斌. 邻二氮菲吸光光度法测定总铁含量试验研究[J].大氮肥,1996.19(3):228-231.
[5] 赵清, 舒为群, 李国平, et al. 纯净水、净化水、凉开水、自来水的水质分析及其卫生学意义[J]. 三峡环境与生态, 2010, 23(5):46-48,52.