棕環反應（Brown Ring Test）——檢驗硝酸根的經典方法

在化學分析中，檢測溶液中是否含有硝酸根離子（NO₃⁻）是一個常見需求。棕環反應是一種歷史悠久且經典的檢測方法，因其簡單、直觀且具有代表性，至今仍常用於教學示範。

一、理論原理

1. 反應基礎

棕環反應的核心是將硝酸根還原為一氧化氮（NO），再與亞鐵離子（Fe²⁺）形成穩定的亞硝酰配合物 $[Fe(H_{2}O{)}_{5}NO{]}^{2+<span\; style="font-family:Verdana,\; Geneva,\; sans-serif;font-size:12px;"></span>}$，該配合物呈棕色在兩層液體的交界處出現明顯的環帶。

反應步驟可簡化為：

1. 濃硫酸提供強酸環境，促進 Fe²⁺ 將 NO₃⁻ 還原為 NO：

   $$NO₃^- + 3Fe^{2+} + 4H^+ \rightarrow NO + 3Fe^{3+} + 2H₂O$$

2. 生成的 NO 與 Fe²⁺ 配位，形成棕色的 $[Fe(H₂O)₅NO]^{2+}$：

   $$[Fe(H_{2}O{)}_6{]}^{2+}+NO\to [Fe(H_{2}O{)}_{5}NO{]}^{2+}+H_{2}O$$

2. 為何會有分層？

棕環反應必須在硫酸層與水溶液層交界處觀察，這是因為：

• 濃硫酸密度（約 1.84 g/cm³）遠高於水溶液（約 1.0 g/cm³），且黏度高，不易快速混合。

• 沿試管壁緩慢加入濃硫酸可避免對流攪動，使兩層液體穩定分層。

• 棕環主要在酸度與濃度梯度交界區形成，分層有助於觀察環帶。

二、實驗操作流程

材料與試劑

• 0.1 M 硫酸亞鐵（FeSO₄）溶液（新鮮配製以避免氧化成 Fe³⁺）

• 待測含硝酸根溶液

• 濃硫酸（H₂SO₄）

• 試管與滴管

步驟

1. 在試管中加入約 2 mL 待測溶液。

2. 加入等體積的 新鮮 FeSO₄ 溶液，輕輕混合。

3. 使用滴管沿試管壁慢慢加入濃硫酸約 1–2 mL，使其沉於底部，並避免與上層液體劇烈混合。

4. 在兩層液體的界面觀察是否出現一圈清晰的棕色環帶。

三、結果判斷

• 陽性反應：界面處出現明顯棕色環，表示樣品中含有硝酸根。

• 陰性反應：界面無顯著變色，表示樣品中硝酸根含量極低或不存在。

四、注意事項

1. 干擾因素：亞硝酸根（NO₂⁻）也會產生類似反應，因此需事先去除或氧化掉 NO₂⁻。

2. 安全操作：濃硫酸具有強腐蝕性，操作時需佩戴護目鏡與手套，並在通風良好的環境中進行。

3. 試劑新鮮性：FeSO₄ 容易被氧化成 Fe³⁺，應臨用前新鮮配製，以確保靈敏度。

4. 加酸速度：必須緩慢且沿壁加入，過快會導致混合，棕環不易觀察。

✅ 總結
棕環反應是化學分析中檢驗硝酸根的經典方法，結合了氧化還原反應、配位化學以及物理分層原理。不僅能作為實驗檢測工具，也讓學生同時學到反應化學與觀察技巧。