何蔓，陈贝贝，胡斌

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

分析化学是化学专业本科生的四大基础课之一，涵盖的内容非常广泛。该课程的教学目的在于：要求学生掌握分析化学的基本理论，准确树立“量”的概念，了解定性、定量分析方法(包括化学分析和仪器分析)，培养其分析问题和解决问题的能力。分析化学涉及的基本概念非常多，在讲授课本知识的同时，教师可结合基本概念在生活、科研工作中的应用实例，加深学生对其的理解和掌握。下面将以不同砷形态的“分布分数”为例，阐述分析化学教学过程中理论和实践相结合的教学实践。

1 分析化学教学中的“分布分数”

学生最初接触“分布分数”是在“酸碱滴定法”章节中：一元酸/碱或多元酸/碱在溶剂(通常为水溶液)中以不同形式存在，这些组分/型体的平衡浓度随溶液中H+浓度的变化而变化。“分布分数”被定义为“溶液中某酸碱组分的平衡浓度占其总浓度的分数”[1]，通常采用代数法，基于一元酸/碱或多元酸/碱的解离平衡常数(pKa)和溶液的pH计算得到。除了计算之外，学生还应该掌握依据酸/碱性物质的pKa和溶液pH快速判断其在溶液中存在形式的技巧。如，对于一元弱酸HA而言，其解离平衡常数为pKa，那么当介质的pH < pKa− 2时，HA的分布分数接近100%，它主要以HA中性分子的形式存在；当介质的pH > pKa+ 2时，A−的分布分数接近100%，它主要以A−阴离子的形式存在。

2 不同砷形态的分布分数及其在砷形态分离/富集中的应用

砷以多种存在形式广泛分布于自然界中，表1列举了五种重要砷形态的pKa信息。在环境水体中，砷的主要存在形式是三价砷As(III)和五价砷As(V)；在细菌、酵母等微生物的作用下，无机砷将转变为有机砷，通过食物链进入到人体中。无机砷的毒性大于有机砷，被认为是强毒性和致癌性化合物；因此，砷的形态分析已成为分析科学研究的热点之一。目前，进行砷形态分析最有效的手段是高效液相色谱(HPLC)-等离子体质谱(ICP-MS)联用技术；此外，为了避免复杂基体干扰、提高方法对目标砷形态的灵敏度，在砷形态分离检测之前通常需要辅以合适的样品前处理技术。需要强调的是，在针对目标砷形态构建分离和/或富集方法的过程中，其pKa和在不同pH介质中的分布分数是重要的参考信息。

表1 几种重要砷形态的解离平衡常数(pKa) [2]

2.1 四种砷形态的色谱分离——以阴离子交换色谱为例

阴离子色谱柱是HPLC分离分析砷形态中最常用的色谱分离固定相，而流动相的pH通常选择为6左右；在此条件下，四种砷形态的色谱分离图如图1所示。

图1 四种砷形态的色谱分离图

基于各形态在pH = 6的分布分数，我们可以推测它们的存在形式，并依此解释它们的洗脱顺序：

在pH = 6的介质条件下，As(III)主要以不带电荷的H3AsO3形式存在，在阴离子色谱柱上无保留；

DMA以HA和A−各占一半的形式存在，在阴离子色谱柱上有一定保留；

MMA完全以HA−的形式存在，在阴离子色谱柱上的保留强于DMA；

部分As(V)已经以HA2−的形式存在，是这几种形态中保留最强的，所以最后流出。

可以看出，这几种砷的形态基于pKa的差异在色谱柱上实现了相互分离。

2.2 无机砷形态的非色谱分离——以氨基功能化硅胶材料为例

在介质pH 2–9范围内，As(III)和As(V)在氨基改性硅胶上的吸附行为如图2所示[4]。当pH在3–9范围内时，该材料对As(V)的吸附率大于90%，而在pH为2–9时对As(III)基本不吸附。基于分布分数对这一现象进行解释如下：

图2 As(III/V)在氨基改性硅胶吸附剂上的吸附行为(左)及其在pH 2–8范围内的分布分数(右) [4]

在pH 2–9范围内，改性硅胶中的氨基被质子化(带正电荷)，而As(III)主要以H3AsO3的中性分子存在，所以吸附率很低；

当pH > 3以后，As(V)主要以带负电荷的H2AsO4−和HAsO42−形式存在，其与改性硅胶材料中质子化氨基之间的静电作用增强，吸附率增大。

因此，可以利用氨基功能化材料，在较宽pH范围内实现无机砷形态As(III/V)的分离。

2.3 多种砷形态的同时富集——以混合模式吸附剂为例

由表1可以看出，六种砷形态性质差别较大。在中性条件下，As(III)呈中性，As(V)和MMA带负电，DMA和AsB呈两性，AsC带正电；很难找到单一功能化的萃取材料对它们实现同时吸附/富集。陈贝贝等[5]实验发现，在pH = 6条件下，含巯基功能团的γ-巯丙基三甲氧基硅烷(γ-MPTS)在吸附材料中的加入明显改善As(III)的吸附，部分磺化聚苯乙烯(PSP)的添加对AsC的吸附有明显改善，而带负电的As(V)、MMA以及两性的DMA、AsB在氨基功能化涂层上均有恒定的吸附。基于此，制备了基于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，实现了六种砷形态的同时富集(图3)。

图3 pH 2–12范围内六种砷形态在混合模式吸附涂层上的保留行为[5]

对其可能的吸附机理进行讨论如下：

当pH > 4之后，As(V)和MMA主要以阴离子形式存在，与质子化的氨基产生静电作用；当pH >8后，氨基逐渐去质子化，对As(V)和MMA的作用力逐渐降低。因此，As(V)和MMA在该材料上的最佳吸附pH范围为5–8。

当pH < 6时，DMA以中性分子形式存在，与涂层之间的主要作用力为疏水作用；当pH > 6时，DMA主要以阴离子形式存在，与涂层之间存在静电作用。

以两性状态存在的AsB，与涂覆材料之间存在静电作用和疏水作用。

AsC在溶液中带正电，与PSP上的磺酸基之间存在阳离子交换作用。

另外，As(III)在pH 3–9的范围内有稳定的吸附主要基于其与γ-MPTS上巯基之间强亲和作用。

3 讨论及小结

酸性和碱性物质的解离平衡常数及其在不同pH条件下的分布分数信息，对于针对性地构建分离/富集和分析方法有着重要的作用。在教学过程中，应对学生进行适当引导，加深他们对这一概念的理解和掌握；同时，教学要遵循由浅入深和反复提及的原则。具体而言：

(1) 在酸碱滴定章节的授课过程中，重点放在阐述分布分数的定义、计算，以及基于此的不同类型溶液的pH的计算；不宜对分布分数的应用展开讨论。

(2) 在后续章节，寻找合适契机插入，如“酸碱指示剂”部分，可根据特定指示剂的解离平衡常数，让学生计算分布分数，学会有目的地调节介质pH，让指示剂以预想的形式存在；在“分离和富集方法”部分，让学生基于酸碱物质的解离平衡常数和分布分数，理解水相pH对两相液液萃取的影响，以及构建膜辅助三相液相萃取的基本原理；在仪器分析“液相色谱”部分，可以引导学生基于分布分数，思考某种分离模式下不同物质保留时间差异的根本原因。

(3) 在反复强化认知的过程中，大部分学生对“分布分数”这一概念会形成比较明晰的认识，对酸碱性物质的解离平衡常数更敏感，有助于培养其快速捕获信息、分析问题、解决问题的能力。

此外，常用教材上收录的解离平衡常数信息有限，在教学和科研过程中，对特定分析物的分布分数等相关参数，可以借助网络软件(如https://chemicalize.com/#/calculation)快速获取。