试验2分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数

1、分光光度法测澳酚蓝的电离平衡常数摘要：澳酚蓝（BPB是一种酸碱指示剂，本身带有颜色且在有机溶剂里电离度很小，所以 一般的化学分析法或其他物理化学方法很难测定其电离平衡常数。然而用分光光度法可以在蒸储水的参照下测出 BPB的最大吸收波长，继而测出在最大吸收波长下对不同浓度的BPB溶液的吸收，从而求算出澳酚蓝的电离平衡常数。关键词：澳酚蓝；电离平衡常数；分光光度计Measurement of the Ionization Equilibrium Constant ofBromophenol Blue by Spectrophotometric MethodAbstract：BPB can indi

2、cate whether a material is an acid or alkali. Since it has a bright color itself and a low ionization inorganic solvent, general chemical analysis, as well as some other physical methods come across a lot of difficulties in the determination of the ionization constant.However, with a spectrophotomet

3、er and an ionic analyzer, we can determinate the furthest absorbing wavelength of BPB with the help of blank corrective liquor of distilled water. Then a series of different copies of liquor of BPB with different acidity should be prepared and their absorbency should be measured by the spectrophotom

4、eter. At last, we can compute the ionization constant of BPB through those data.Keywords：Bromphenelblue; ionization equilibrium constant; spectrophotometer.前言具有极性共价键的弱电解质溶于水时，其分子可以微弱电离出离子；同时，溶液中 的相应离子也可以结合成分子，当两者的反应速率相等时，溶液便达到了电离平衡。此 时，溶液中电解质分子的浓度与离子的浓度分别处于相对稳定状态，达到动态平衡。弱电解质在一定条件下电离达到平衡时，溶液中电离所生成的各种

5、离子活度其在化学方程式中的计量为哥的乘积，跟溶液中未电离分子的活度以其在化学方程式中的计量 为哥的乘积的比值一个常数，叫做该弱电解质的电离平衡常数。这个常数叫电离平衡常 数，简称电离常数。测量弱电解质电离平衡常数的方法有很多，例如：滴定法、电化学法、物理方法等。本 实验中我们使用紫外 一可见分光光度法，它属于物理方法的一种，即通过测定不同pH下澳酚蓝溶液在最大吸收波长处的吸光度，利用吸光度与离子浓度的关系计算出澳酚蓝的电离平衡常数.实验部分实验目的1,掌握一种测定酸碱指示剂电离平衡常数的方法。.熟悉并掌握722型分光光度计的性能和使用方法。并利用分光光度计测量澳酚蓝(Bromphenalblu

6、e)的最大吸收波长，了解溶液浓度对Amax的影响。.了解酸度对B.PB的影响，学会用缓冲溶液调节溶液酸度的方法。实验原理根据贝尔一郎比定律，溶液对于单色光的吸收，遵守下列关系式：I 0D = lg 1 = K l C(6-1)式中，D 消光(或光密度)；I/Io透光率；K-摩尔消光系数，它是溶液的特性常数； l被测溶液的厚度（即吸收槽的长度）；C溶液浓度。以消光（D）对波长（九）作图，就可以得到该物质的分光光度曲线，或吸收光谱曲线，如图6-1所示。由图可以看出，对应于某一波长有 着一个最大的吸收峰，用这一波长的入射光通过 该溶液就有着最佳的灵敏度。本实验用分光光度法测定弱电解质澳酚蓝图6-1分

7、光光度曲线的电离平衡常数。澳酚蓝是一种酸碱指示剂，本身带有颜色且在有机溶剂中电离度很小，所以用一般的化学分析法或其他物理化学方法很难测定其电离平衡常数。而分光光度法可以利用不同波长对其组分的不同吸收来确定体系中组 分的含量，从而求算澳酚蓝的电离平衡常数。澳酚蓝在有机溶剂中存在着以下的电离平衡：HA ? H+A其平衡常数为：Ka/ H A -(6-2)Ka 二HA溶液的颜色是由显色物质 HA与A引起的，其变色范围PH在3.14.6之间，当PH9.1 时，溶液的颜色主要由 HA引起的，呈黄色；在 PH4.6时，溶液的颜色主要由 A引起，呈 蓝色。实验证明，对蓝色产生最大吸收的单色光的波长对黄色不产

8、生吸收，在其最大吸收波长时黄色消光为0或很小。用对A一产生最大吸收波长的单色光测定电离后的混合溶液的消光，可求出A的浓度。令 A在显色物质中所占的分数为 X,则HA所占的摩尔分数为1 X,所以X _Ka =-A -（6- 3）1 - XX或者与成：1g =PH+lgKa （6-4） 1 - X根据上式可知，只要测定溶液的PH值及溶?中的HA和A,就可以计算出电离平衡常数Kao在极酸条件下，HA未电离，此时体系的颜色完全由 HA引起，溶液呈黄色。设此时体 系的消光度为D在极碱条件下，HA完全电离，此时体系的颜色完全由 A一引起，此时的消PH而变化,光度为D2, D为两种极端条件之间的诸溶液的消光

9、度，它随着溶液的D -D1D= (1 X)D+XQ。得到： X = dd代入（4）式中得:=PH - PKa(65)D -D1 lg D2 - D在测定Di、D2后，再测一系列 PH下的溶液的光密度，以lg D D1对PH作图应为D2 - D直线，由其在横轴上的截距可求出PKa,从而可得该物质的电离平衡常数。本实验的PH值通过溶液配制而得。实验仪器与试剂仪器及药品名称生产厂家规格数量HK-2A超级恒温水浴南京留大万和科技后限公司/1TU-1901双光束紫外可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司/1T3WS-P便携式水质快速检测仪北京普析通用仪器有限责任公司/1Terminal 740 型

10、pH 计德国WTW/1吸量f/10mL2移液管/20mL2移液管/50mL1/25mL1容量瓶/100mL7比色皿/2洗耳球/1澳酚蓝溶液/5 X10 5mol dm 3/HCl溶液/1 mol dm-3/HCl溶液/0.1mol dm-3/NaOH溶液/-30.2 mol dm/NaOH溶液/-30.1 mol dm/邻苯一甲酸氢钾溶液/c 4_-30.1 mol dm/表1.实验仪器及药品实验步骤.打开超级恒温水浴使之恒温在25.00 C,打开分光光度计、便携式水质测试仪、pH计，预热仪器，打开电脑设置软件扫描范围为360700nm,间隔为0.5nm。.对pH计进行三点校零，用蒸储水对便携

11、式水质测试仪、双光束紫外可见分光光 度计进行基线校准，并完成相关设置。.确定溶液的最大吸收波长（实验中略过此步骤）取1cm厚度的比色皿两只，均用去离子水洗净，装入 2/3体积的去离子水，把比 色皿两光面擦干，正确插入光度计恒温比色槽中，点击“基线”进行基线校正，观察数 据未与0偏离过多方可继续实验。认真阅读书后附录，了解分光光度计的使用和操作及注意事项。.各个不同酸度的澳酚蓝溶液配置。取7只100mL的干净容量瓶，分别加入 20mL 5 x 10-5 mol dm3的B.P.B 溶液, 再分别加入50mlL0.1 mol dm3邻苯二甲酸氢钾溶液。加入的 HCl和NaOH的量以表 2为准，再加

12、稀释至刻度。可分别得到不同 PH值下的B.P.B 溶液。溶液号PH值-3_ .X (0.1 mol - dm HCl)溶液号PH值Xi (0.1 mol d-NaOH13.216.00mL54.23.00mL23.410.00mL64.47.00mL33.66.00mL74.611.00mL43.83.00mL表2.溶液配制浓度参考将配置好的溶液分别倒入相应的比色管中，放入恒温槽中恒温。.不同酸度下，澳酚蓝溶液 pH值的测定。pH值。将上述七种不同酸度的澳酚蓝溶液用酸度计测量相应的.不同酸度下，澳酚蓝溶液吸光度D的测定。将样品池外侧的比色皿取出，使用待测溶液润洗若干次后倒入2/3体积的待测溶液

13、,对其进行全谱扫描，测量过程中注意溶液恒温。对其余待测溶液进行相同测量。将便携式水质快速检测仪的探头深入各溶液中，进行测量，得到其吸收光谱图。.极酸极碱溶液的测量。取两只100mL容量瓶，分别加入 20mL 5 x 10-5 mol dm3的B.P.B 溶液。在一支 容量瓶中加入50mL0.2 mol dm3的NaOH溶液稀释到刻度，得 B.P.B 的极碱溶液， 在另一支容量瓶中加入1 mol dm3的HCl溶液10mL,稀释至刻度，得 B.P.B的极酸溶液。用两种分光光度计迅速测量极酸溶液、极碱溶液的吸光度D1和D2,测量结果应表明，极酸时溶液呈黄色，在max情况下，测得的吸光度为0。注意事

14、项1）在不测量时，应将暗室盖子打开，以延长光电管寿命。2）使用比色皿时，禁止用手触摸光面玻璃。3） pH计校正采用三点校正，更换测量溶液后要清洗并擦干电极。4）注意清洗并擦干比色皿透光面或光纤探头。5）极酸、极碱样品配好后尽快测量。2.6.数据处理方法.一 . .D - Di ,1、根据公式计算lg的值。D2 - D2、以lg D一匕对PH作图，得截距为 PKa,计算Ka值。D2 -D3.实验数据记录与处理详见附录”。4.实验结果及讨论实验结果实验使用双光束紫外可见分光光度计和便携式水质检测仪分别测量，所获得的17号溶液分光光度曲线、极酸极碱分光光度曲线见图2和图3 （原始数据及数据处理见附文

15、）。0.7 一0.6 -0.5 -0.4 -0.3 r0.2 -0.1 -0.0 -极酸样品 1号样品 2号样品 3号样品 4号样品 5号样品 6号样品 7号样品 极碱样品-0.1 -I_-_-_-350400450500550600650700750入(nm)图2 所有样品D-入曲线（双光束紫外可见分光光度计）0.00.7 r0.6 -0.5 .0.4 0.3 -0.2 -0.1 -极酸样品 1号样品 2号样品 3号样品 4号样品 5号样品 6号样品 7号样品 极碱样品-0.1 4.I.I-350400450500550600650700750图3所有样品人（nm）D-入曲线（便携式水质检测

16、仪）由分光光度曲线可知，碱态下,A的最大吸收波长 Zmax=591nm ,酸态下，HA的最大吸收波长在 Amax=438.5nm。D1= -0.001 , D2= 0.662。（双光束紫外可见分光光度计）A的最大吸收波长 端ax=590.6nm ,HA的最大吸收波长在加ax=437.8nm。D1= -0.012 ,D2= 0.616。(便携式水质检测仪)计算 lg(D-D i)/(d 2-D)结果，并作 lg(D-D i)/(D2-D%pH 拟合直线图，可算出 pKa、Ka, 结果见表 3。标准值(20 C, I=0) pKa=4.10, Ka=7.94X10-5。方法pKa相对误差()Ka相

17、对误差()双光束紫外分光3.8635.81.37*10-472便携式水质检测3.8236.81.50*10-489表3.pKa、Ka计算结果结果分析.吸收曲线分析：根据不同pH的吸收曲线形状可知，澳酚蓝酸式形式与碱式形式在对方最大吸收波长处吸收很小，几乎为0,可以近似认为完全不相互干扰。同时，酸式形式与碱式形式各自符合Lambert-Beer定律，故此实验理论前提成立。从图像中看出，所以的曲线在500nm附近相交于一点，在该波长下，吸光度与溶液的pH无关。说明在此波长下，酸型和碱型组分有相等的吸收系数。作lg(D-D i)/(D 2-D)-pH拟合直线图，发现线性程度较好，同时，拟合直线的斜率

18、非常接近1,说明实验操作的精确性很高，故可用此方法测量澳酚蓝的电离平衡常数。另外，从便携式水质检测仪的吸收曲线中可以明显看到在低波长处，曲线波动较大，而从便携式水质检测仪的吸收曲线的基线可以看到，基线在波长较小处影响较大，可能因此导图4便携式水质检测仪吸收曲线的基线. PKa计算结果分析从结果看，本实验中计算的pKa与标准值误差较小，而 Ka与标准值误差较大，从数学形式上可以理解，塞指数微小的误差可能会被放大。从双光束紫外分光仪和便携式 水质检测仪的数据结果上来看，双光束紫外分光仪的准确度要高于便携式水质检测仪， 但是，便携式水质检测仪具有速度快，体积小等优点。我们还可以用解方程组的方法来计算

19、澳酚蓝的电离常数：七二曳孙%上+ 乙DB = aSHAHAl 3 + a . AT !3Da、Db分别为在HA和A-的最大吸收波长 反和电处所测得的总的光密度。aA,HA 和aA,A-分别为在波长 总和 七下的摩尔吸光系数。各物质的摩尔吸光系数值可由作图法 求得，从而求出A-与HA的相对量，再测得溶液 pH值最后求出pKa值若比色皿厚度相同，则：“I _误差分析.实验中以浓度代替活度，由于实验中涉及到有机共轲体系，难以用活度系数的经 验值进行校正，从而可能存在一定误差。.朗伯-比尔定律只适用于浓度较低的体系，对于浓度较高的情况， 该定律有少许偏差，导致测量的 D不与浓度呈正比，引起误差。但对此

20、实验影响不大。.引起实验产生较大误差的原因可能该是pH值的测定的误差较大，从实验结果来看，由pKa的相对误差只有 3%4%,而转换成 Ka计算相对误差时，相对误差却有 40%50%,因为转变时是10的哥指数的变化，导致相对误差的大小变化非常大，pH和pKa 一样转变时会产生较大的误差，所以pKa的误差主要来自于 pH值的测定。.实验中我们发现，把 pH计的探头插入溶液中后，pH计的示数很难稳定下来，有可能是pH计的灵敏度较高，也可能是由于恒温槽的控温温度有一定的波动，且pH计探头插入体系后需要一定时间读数才能稳定，这段时间会与体系有一定的热量交换，25.00C的话，与标准值也存导致温度不容易稳

21、定，从而造成误差，而且如果温度不是 在着误差。.从原始数据上可以看出在测量基线时，测量值并非一直为0,存在着略微上下波动的状况，这可能与仪器本身的波动有关，测量其他溶液时，也可能有类似误差。.在选择测量间隔时， 双光束紫外分光仪我们选择的是0.5nm,而便携式水质快速检测仪我们选择的是 0.1nm,从数据中可以看出二者测量的最大吸收波长有略微的偏移， 故扫描精度对实验有一定的误差，理论上，选取的间隔越小，误差越小，但测量时间会 变长。.比较双光束紫外分光仪和便携式水质快速检测仪的扫描光谱可以看出，双光束 的曲线非常平滑，而便携式的曲线是有一定的锯齿状的，从基线的角度来看，便携式的 基线也要比双

22、光束的波动大，并且若将探头的深度角度改变，曲线也会有略微的变化。 主要原因是，便携式水质快速检测仪检测的溶液的探头都完全暴露在外界中，检测的时 候受到其他因素，如光、空气、其他溶液等的影响，故误差较大。.在清洗探头后，探头上的水很难完全擦干净，可能会有一定残留，影响待测液 的浓度，导致测量出现误差。.极酸极碱溶液并非绝对意义上的极酸极碱，只是采用高浓度的盐酸和氢氧化钠溶液加入体系配制而成，可能极酸溶液中仍有少量A,极碱溶液中仍有少量 HA ,则理论推导公式不符合实际情况，引起误差。.电离反应要达到理论上的平衡需要一段时间，但在测定中，水浴时间为20分钟左右就看始测量，极酸、极碱在恒温510分钟

23、后就开始测量，所以，澳酚蓝碱型可能有一定程度偏离理论浓度，从而造成实验误差。.在测量极碱溶液时，溶液暴露在空气中会吸收空气中的CC2,使得碱性减弱，因此我们测得的吸光度会随时间的推移而逐渐减小，虽然实验中较快的测定了极碱溶液的吸光 度，避免了溶液与空气过长时间的接触，但仍会有少量 CQ溶于溶液中，造成吸光度的减小,从而产生误差。实验总、结由于本次实验使用了精密仪器，如 pH计、双光束紫外分光光度计、便携式水质快 速检测仪。本实验操作较为简单，重复性工作量大大减少。本次实验学习了分光光度法测量澳酚蓝电离常数的方法，即通过测定不同pH下澳酚蓝溶液在最大吸收波长处的吸光度，再利用吸光度与溶液 pH的

24、关系计算出澳酚蓝的电离平衡常数。这种方法也可以推广到其他指示剂的电离常数的测量上。虽然在pKa的测量上较为准确，但在Ka的测量上还存在一定误差。由于只能查到 20c的pKa值，故可以选择在20度条件下进行实验。.心得与体会通过这次实验，我了解了测定电离常数的一些方法。分光光度法测定电离常数具有 操作简便的特点。由于物质本身的特性以及实验条件的限制，会有一定的误差，但对于 大致估计电离常数范围还是很好的一种方法，有一定的实用价值。.参考文献1分光光度法测澳酚蓝的电离平衡常数（讲义）.中国科学技术大学化学与材料科学学院实验中心2定量化学分析李龙泉等合肥中国科学技术大学出版社20073 CRC Ha

25、ndbook of Chemistry and Physics90th Edition 20104物理化学（第五版）上册.傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华.高等教育出版社，2015,064 （7）:34-395王敏.分析化学手册（第三版）.2.化学分析.北京:化学工业出版社,2016:673.附录.实验条件恒温槽显示温度：实验前：25.00 C实验后：25.00 C.原始数据吸光度数据已上传于即“实验二原始数据”文件夹PH数据编号1234567PH3.1503.4123.6103.8094.1744.3944.606附表1不同编号溶液的 PH值.数据处理双光束紫外可见吸收光谱不同PH下D-入曲线

26、由极酸、极碱的D-入曲线，可知极碱环境中，A特征吸收峰在 入=591nm处，D=0.662 ;极酸环境中，HA特征吸收峰在 入=48.5nm处，D=0.214。考虑到仪器绝对误差随D大小变化不大，所以取极碱的数据进行后续处理，选取最大吸收波长 入=591nm 由极酸、极碱的 D-入曲线得到：D1= -0.001 , D2= 0.662。附图1极酸样品D-入曲线极碱样品吸收曲线附图2极碱样品D-入曲线1号样品吸收曲线2号样品吸收曲线附图3 1号样品D-入曲线附图4 2号样品D-入曲线3号样品吸收曲线附图5 3号样品D-入曲线4号样品吸收曲线人(nm)附图6 4号样品D-入曲线5号样品吸收曲线6号

27、样品吸收曲线0.60.5 -0.4 0.3 -0.2 -0.1 0.0 -350附图7 5号样品D-入曲线7号样品吸收曲线0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 p0.2 -0.1 -0.0 -0.1 4350入(nm)附图9 7号样品D-入曲线0.00100.00050.0000-0.0005-0.0010350400450500550600人(nm)附图11基线I I 11 I II I II400450500550600650700750入(nm)附图8 6号样品D-入曲线极酸样品 1号样品 2号样品 3号样品 4号样品 5号样品 6号样品 7号样品 极碱样品4004505005

28、50600650700750入(nm)附图10所有样品D-入曲线基线650700750由1 7号样品的D-入曲线易得，在591nm处，各样品的吸光度:编号1234567吸光度0.1150.1720.2300.2890.4360.5150.570附表2各样品吸光度3.1.2. Pka计算，,D - D将所得数据整理，计算出lg 1D2 - D编号PHDD-DD-Dlg(D-D1)/(D2-D)13.1500.1150.1160.547-0.6735323.4120.1720.1730.490-0.4521533.6100.2300.2310.432-0.2718743.8090.2890.290

29、0.373-0.1093154.1740.4360.4370.2260.2863764.3940.5150.5160.1470.5453374.6060.5700.5710.0920.79285附表2各样品的lg作lgD - D1D2 - D一pH图，并拟合直线:1.0 lg(D-D1)/(D2-D)Linear Fit of Sheet1 Blg(D-D1)/(D2-D)”0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0.0 -0.2 -0.4 -,-0.6 -0.8 -Equationy = a + b*xPlotlg(D-D1)/(D2-D)WeightNo WeightingIntercep

30、t-3.90124 ?0.12044Slope1.00999 ?0.0308Residual Sum of Square0.0081Pearsons r0.99768R-Square(COD)0.99537Adj. R-Square0.994453.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8PH附图12拟合曲线得到拟合方程：y = 1.00999 x- 3.90124由公式：igD - DiD2 . D=PH PKa得：PKa = 3.90124/1.00999 = 3.863Ka = 10-PKa= 1.37 X 10-4理论值：PKa = 4.10, Ka = 7.94 X1

31、0-5相对误差：|(1.37X 10-4-7.94X 10-5)/7.94 X 10-5| = 72%便携式水质检测仪吸收光谱不同PH下D-入曲线附图13基线由图可知，基线在波长较小处影响较大，但在波长较大处影响较小，其中最大吸收波长入=50.6nm 处 D=0.003。附图14极酸样品D-入曲线极碱样品吸收曲线附图15极碱样品D-入曲线由极酸、极碱的D-入曲线，可知极碱环境中，A特征吸收峰在 入=50.6nm处，D=0.616 ;极酸环境中，HA特征吸收峰在入=47.8nm处，D=0.210。选取最大吸收波长 入=50.6nm,由极酸、极碱的D-入曲线得到：D1= -0.012 , D2= 0.616。0.150.102号样品吸收曲线0.20 -0.050.00 -入(nm)350400450500550600650700750附图16 1号样品D-入曲线附图17 2号样品D-入曲线附图18 3号样品D-入曲线附图19 4号样品D-入曲线5号样品吸收曲线6号样品吸收曲线人(nm)附图21 6号样品D-入曲线0.70.6 -0.5 -0.4