实验2-分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数

分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数摘要：溴酚蓝〔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馏水的参照下测出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，从而求算出溴酚蓝的电离平衡常数。关键词：溴酚蓝；电离平衡常数；分光光度计MeasurementoftheIonizationEquilibriumConstantofBromophenolBluebySpectrophotometricMethodAbstract:BPBcanindicatewhetheramaterialisanacidoralkali.Sinceithasabrightcoloritselfandalowionizationinorganicsolvent,generalchemicalanalysis,aswellassomeotherphysicalmethodscomeacrossalotofdifficultiesinthedeterminationoftheionizationconstant.However,withaspectrophotometerandanionicanalyzer,wecandeterminatethefurthestabsorbingwavelengthofBPBwiththehelpofblankcorrectiveliquorofdistilledwater.ThenaseriesofdifferentcopiesofliquorofBPBwithdifferentacidityshouldbepreparedandtheirabsorbencyshouldbemeasuredbythespectrophotometer.Atlast,wecancomputetheionizationconstantofBPBthroughthosedata.Keywords:Bromphenelblue;ionizationequilibriumconstant;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，当两者的反响速率相等时，溶液便到达了电离平衡。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，到达动态平衡。弱电解质在一定条件下电离到达平衡时，溶液中电离所生成的各种离子活度其在化学方程式中的计量为幂的乘积，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幂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—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下溴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溴酚蓝的电离平衡常数实验局部实验目的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溴酚蓝(Bromphenalblue)的最大吸收波长，了解溶液浓度对max的影响。了解酸度对的影响，学会用缓冲溶液调节溶液酸度的方法。实验原理根据贝尔—郎比定律，溶液对于单色光的吸收，遵守以下关系式：(6－1)式中，D－消光〔或光密度〕；I/I0－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。图6-1分光光度曲线以消光〔D〕对波长〔〕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正确的灵敏度。本实验用分光光度法测定弱电解质溴酚蓝的电离平衡常数。溴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，从而求算溴酚蓝的电离平衡常数。溴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(6－2)溶液的颜色是由显色物质HA与A－引起的，其变色范围PH在3.1～4.6之间，当PH3.1时，溶液的颜色主要由HA引起的，呈黄色；在PH≥4.6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生吸收，在其最大吸收波长时黄色消光为0或很小。用对A－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，那么HA所占的摩尔分数为1－X，所以(6－3)或者写成：(6－4)根据上式可知，只要测定溶液的PH值及溶液中的[HA]和[A－]，就可以计算出电离平衡常数Ka。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D1；在极碱条件下，HA完全电离，此时体系的颜色完全由A－引起，此时的消光度为D2，D为两种极端条件之间的诸溶液的消光度，它随着溶液的PH而变化，D＝(1－X)D1+XD2。得到：代入〔4〕式中得：(6－5)在测定D1、D2后，再测一系列PH下的溶液的光密度，以对PH作图应为一直线，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超级恒温水浴南京南大万和科技/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/1Terminal740型pH计德国WTW/1吸量管/10mL2移液管/20mL2移液管/50mL1量筒/25mL1容量瓶/100mL7比色皿//2洗耳球//1溴酚蓝溶液/5×10-5mol·dm-3/HCl溶液/1mol·dm-3/HCl溶液/0.1mol·dm-3/NaOH溶液/0.2mol·dm-3/NaOH溶液/0.1mol·dm-3/邻苯二甲酸氢钾溶液表1表1.实验仪器及药品0.1mol·dm-3/实验步骤1.翻开超级恒温水浴使之恒温在25.00℃，翻开分光光度计、便携式水质测试仪、pH计，预热仪器，翻开电脑设置软件扫描范围为360~700nm，间隔为0.5nm。2.对pH计进行三点校零，用蒸馏水对便携式水质测试仪、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。3.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考前须知。4.各个不同酸度的溴酚蓝溶液配置。取7只100mL的干净容量瓶，分别参加20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液，再分别参加50mlL0.1mol·dm-3邻苯二甲酸氢钾溶液。参加的HCl和NaOH的量以表2为准，再加稀释至刻度。可分别得到不同PH值下的B.P.B溶液。溶液号PH值X1〔0.1mol·dm-3HCl〕溶液号PH值X1〔0.1mol·dm-3NaOH〕1～3.216.00mL5～4.23.00mL2～3.410.00mL6～4.47.00mL3～3.66.00mL7～4.611.00mL4～3.83.00mL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。5.不同酸度下，溴酚蓝溶液pH值的测定。将上述七种不同酸度的溴酚蓝溶液用酸度计测量相应的pH值。6.不同酸度下，溴酚蓝溶液吸光度D的测定。①将样品池外侧的比色皿取出，使用待测溶液润洗假设干次后倒入2/3体积的待测溶液，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。②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。7.极酸极碱溶液的测量。取两只100mL容量瓶，分别参加20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液。在一支容量瓶中参加50mL0.2mol·dm-3的NaOH溶液稀释到刻度，得B.P.B的极碱溶液，在另一支容量瓶中参加1mol·dm-3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，测量结果应说明，极酸时溶液呈黄色，在max情况下，测得的吸光度为0。考前须知在不测量时，应将暗室盖子翻开，以延长光电管寿命。使用比色皿时，禁止用手触摸光面玻璃。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。注意清洗并擦干比色皿透光面或光纤探头。极酸、极碱样品配好后尽快测量。数据处理方法1、根据公式计算的值。2、以对PH作图，得截距为PKa，计算Ka值。实验数据记录与处理详见“附录〞。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1~7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〕。图2所有样品D-λ曲线〔双光束紫外可见分光光度计〕图3所有样品图3所有样品D-λ曲线〔便携式水质检测仪〕由分光光度曲线可知，碱态下，A－的最大吸收波长λmax=591nm，酸态下，HA的最大吸收波长在λmax=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λmax=590.6nm，HA的最大吸收波长在λmax=437.8nm。D1=-0.012，D2=0.616。〔便携式水质检测仪〕计算lg[(D-D1)/(D2-D)]结果，并作lg[(D-D1)/(D2-D)]-pH拟合直线图，可算出pKa、Ka，结果见表3。标准值〔20℃，I=0〕pKa=4.10，Ka=7.94×10-5。方法pKa相对误差〔%〕Ka相对误差〔%〕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，溴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-D1)/(D2-D)]-pH拟合直线图，发现线性程度较好，同时，拟合直线的斜率非常接近1，说明实验操作的精确性很高，故可用此方法测量溴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，可能因此导致曲线波动较大。图4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，幂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溴酚蓝的电离常数：DA、DB分别为在HA和A-的最大吸收波长λA和λB处所测得的总的光密度。aA,HA和aA,A-分别为在波长λA和λB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值假设比色皿厚度相同，那么：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轭体系，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的幂指数的变化，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，导致温度不容易稳定，从而造成误差，而且如果温度不是25.00℃的话，与标准值也存在着误差。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。比拟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光束的波动大，并且假设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参加体系配制而成，可能极酸溶液中仍有少量A-，极碱溶液中仍有少量HA，那么理论推导公式不符合实际情况，引起误差。电离反响要到达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5~10分钟后就开始测量，所以，溴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CO2，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，防止了溶液与空气过长时间的接触，但仍会有少量CO2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溴酚蓝电离常数的方法，即通过测定不同pH下溴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的关系计算出溴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20℃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]分光光度法测溴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2007[3]CRCHandbookofChemistryandPhysics90thEdition2023[4]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,2023,064(7):34-39[5]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,2023:673.附录实验条件恒温槽显示温度：实验前：25.00℃实验后：25.00℃原始数据吸光度数据已上传于ftp“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-λ曲线由极酸、极碱的D-λ曲线，可知极碱环境中，A－特征吸收峰在λ=591nm处，D=0.662；极酸环境中，HA特征吸收峰在λ=438.5nm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λ=591nm，由极酸、极碱的D-λ曲线得到：D1=-0.001，D2=0.662。附图1极酸样品D-λ曲线附图2极碱样品D-λ曲线附图31号样品D-λ曲线附图42号样品D-λ曲线附图53号样品附图53号样品D-λ曲线附图64号样品D-λ曲线附图75号样品D-λ曲线附图86号样品D-λ曲线附图97号样品D-λ曲线附图10所有样品D-λ曲线附图11基线附图11基线由1—7号样品的D-λ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Pka计算将所得数据整理，计算出编号PHDD-D1D2-Dlg[(D-D1)/(D2-D)]13.1500.1150.1160.547-0.6735323.4120.1720.1730.490-0.4521533.6100.2300.2310.432-0.2718743.8090.2890.2900.373-0.1093154.1740.4360.4370.2260.2863764.3940.5150.5160.1470.5453374.6060.5700.5710.0920.79285附表2各样品的值作—pH图，并拟合直线：附图12拟合曲线附图12拟合曲线得到拟合方程：y=1.00999x-3.90124由公式：得：PKa=3.90124/1.00999=3.863Ka=10-PKa=1.37×10-4理论值：PKa=4.10，Ka=7.94×10-5相对误差：|(1.37×10-4-7.94×10-5)/7.94×10-5|=72%便携式水质检测仪吸收光谱不同PH下D-λ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λ=590.6nm处D=0.003。附图14极酸样品D-λ曲线附图15极碱样品D-λ曲线由极酸、