分光光度法测定BPB电力平衡常数

分光光度法测BPB的电离平衡常数胡文龙PB07206300中国科技大学高分子系摘要：本实验通过用分光光度计测定溴酚蓝最大吸收波长，并在最大波长下对不同pH的溴酚蓝溶液的吸光度和pH的测定求出室温下溴酚蓝溶液的电离平衡常数。关键词：溴酚蓝邻苯二甲酸氢钾最大吸收波长吸光度pH1.前言分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析的方法。在分光光度计中，将不同波长的光连续地照射到一定浓度的样品溶液时，便可得到与众不同波长相对应的吸收强度。如以波长（λ）为横坐标，吸收强度（A）为纵坐标，就可绘出该物质的吸收光谱曲线。利用该曲线进行物质定性、定量的分析方法，称为分光光度法，也称为吸收光谱法。用紫外光源测定无色物质的方法，称为紫外分光光度法；用可见光光源测定有色物质的方法，称为可见光光度法。它们与比色法一样，都以Beer-Lambert定律为基础。上述的紫外光区与可见光区是常用的。722型紫外可见分光光度计是在近紫外和可见光谱区域内对样品物质作定性和定量的分析，是理化实验室常用分析仪器之一，可广泛应用于工厂、学校、冶金、农业、食品、生化、环保、石油化工、医疗卫生等方面。2.实验原理波长为λ的单色光通过任何均匀而透明的介质时，由于物质对光的吸收作用而使透射光的强度（I）比入射光的强度（I0）要弱，其减弱的程度与所用的波长（）有关。又因分子结构不相同的物质，对光的吸收有选择性，因此不同的物质在吸收光谱上所出现的吸收峰的位置及其形状，以及在某一波长范围内的吸收峰的数目和峰高都与物质的特性有关。分光光度法是根据物质对光的选择性吸收的特性而建立的，这一特性不仅是研究物质内部结构的基础，也是定性分性、定量分析的基础。—郎比定律，溶液对于单色光的吸收，遵守下列关系式：DIIKlClg0(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。在分光光度分析中，将每一种单色光，分别、依次地通过某一溶液，测定溶液对每一种光波的消光。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佳的灵敏度。从（1）式可以看出，对于固定长度的吸收槽，在对应最大吸收峰的波长（）下，测定不同浓度C的消光，就可以作出线性的D～C线，这就是定量分析的基础。也就是说，在该波长时，若溶液遵守贝尔－郎比定律，则可以选择这一波长来进行定量分析。以上讨论是对于单组分溶液的情况，如果溶液中含有多种组分，情况就比较复杂，要进行分别讨论，大致有下列四种情况：1、混合物中各组分的特征吸收不相重叠，既在波长1时，甲物质显著吸收而其他组分的吸收可以忽略；在波长2时，只有乙物质显著吸收，而其他组分的吸收微不足道，这样便可在1、2波长下分别测定甲、乙物质组分。2、混合物中各组分的吸收带互相重叠，而且他们都遵守贝尔－郎比定律，对几个组分即可在几个适当的波长进行几次吸光度的测量，然后列几个联立方程式，即可求分别算出几个组分的含量。3、混合物中各组分的吸收带互相重叠，但不遵守贝尔－郎比定律。4、混合溶液中含有未知组分的吸收曲线。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。下的电离平衡：HA=H++A－KaKa[HAHA][][](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PH3.1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。因此，本实验我们所研究的体系应属于上述讨论的第一种情况。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，则HA所占的摩尔分数为1－X，所以KXXa1[]A(6－3)或者写成：lglgXXKa1PH(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。图6-1分光光度曲线在极酸条件下，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。XDDDD12代入（4）式中得：lgDDDDPKa12PH(6－5)D1、D2后，再测一系列PH下的溶液的光密度，以lgDDDD12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。3.实验部分（一）仪器与试剂试剂：5×10-5mol·dm-3的溴酚蓝溶液，0.1mol·dm-3的HcL溶液1mol·dm-3的HcL溶液0.1mol·dm-3的NaOH溶液0.2mol·dm-3NaOH溶液0.1mol·dm-3邻苯二甲酸氢钾溶液仪器：722型分光光度计1台，超级恒温水浴1台10mL移液管3支，25mL移液管1支25mL量筒1只，滴管若干100mL容量瓶11个（二）实验过程1、打开超级恒温水浴使之恒温在25℃，打开分光光度计，预热仪器，同时掀开样品室盖。2、确定溶液的最大吸收波长。（1）用20mL移液管准确移取5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液20mL，置于一个洗干净的100mL的容量瓶中，并用50ml的移液管准确加入50mL0.1mol·dm-3的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液，加H2O稀释到刻度，得1.0×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液。（2）取１cm厚度的比色皿两只，分别用H2O和1.0×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液洗净，再分别装入2/3体积的H2O和1.0×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液，把比色皿两光面擦干，正确插入光度计恒温比色槽中，用蒸馏水作空白溶液，用以校正仪器。放在最外面的一个槽内便于测量。（3）在480－630nm波长范围内，从低到高逐一选择仪器的入射光波长，用空白溶液蒸馏水在T档校正仪器的0点和100，并用吸光旋钮调H2O的吸光度为0，再测量两种不同溶液的吸光度。在480－560的范围内每隔10nm测一次，在560－600nm范围内每隔5nm测一次。将所得的结果以吸光度D对作图，或从测量数据直接读出B.P.B溶液的最大吸收波长。3、各个不同酸度的溴酚蓝溶液配置。取7只100mL的干净容量瓶，分别加入20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液，再分别加入50mlL0.1mol·dm-3邻苯二甲酸氢钾溶液。加入的HCL和NaOH的量以下表为准，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）1～3.216.00mL5～4.23.00mL2～3.410.00mL6～4.47.00mL3～3.66.00mL7～4.611.00mL4～3.83.00mL4、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。5、不同酸度下，溴酚蓝溶液吸光度D的测定。（1）将波长固定在max处，把已经恒温的溶液逐一以蒸馏水作参比，测量其吸光度，可得一系列的D值。由于在max的波长下，对HA不产生吸收，所以此时的D是A－的吸收提供的。测量过程中注意溶液恒温。（2）取两只100mL容量瓶，分别加入20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液。在一支容量瓶中加入50mL0.2mol·dm-3的NaOH溶液稀释到刻度，得B.P.B的极碱溶液，在另一支容量瓶中加入1mol·dm-3的HCL溶液10mL，稀释至刻度，得B.P.B的极酸溶液。（3）在分光光度计上迅速测量极酸溶液、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。4.结果与讨论4.1确定最大吸收波长恒温槽温度:25.01℃不同波长下的吸光度D表λ/nm480490500510520530540550560565D-0.452-0.457-0.457-0.453-0.441-0.427-0.403-0.78-0.348-0.333λ/nm570575580585590595600610620630D-0.312-0.289-0.253-0.164-0.205-0.206-0.232-0.336-0.421-0.460以吸光度对波长做图确定最大吸收波长460480500520540560580600620640-0.50-0.45-0.40-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15D--λ关系图由上图可知最大吸收波长为585nm.4.2在最大波长下测定不同pH下溴酚蓝溶液的吸光度λ=585nm恒温槽温度:24.80℃序号1234567D-0.419-0.374-0.333-0.284-0.183-0.127-0.085pH3.2873.5633.7503.9204.2704.4504.6104.2测定极酸极碱溶液的吸光度恒温槽温度:25.10℃D1=-0.500D2=0.0504.3数据处理计算lgDDDD12,并对pH做图序号1234567D-0.419-0.374-0.333-0.284-0.183-0.127-0.085lgDDDD12-0.763-0.527-0.360-0.1890.1370.3240.488pH3.2873.5633.7503.9204.2704.4504.610用origin作图吸光度D波长/nmLinearRegressionforData1_B:Y=A+B*XParameterValueError------------------------------------------------------------A-3.90380.05138B0.949250.01283RSDNP0.999540.0152570.0001线性拟合得Y=-3.9+0.95X4.4求出Ka由上述方程可知-pKa=-3.9求得Ka=1.26×10-4查资料（常用酸碱指示剂的变色区间及pKa值【25℃】得BPB的pKa=4.10.与所测结果比较知所测结果偏小。相对误差（3.90-4.10）/4.10×100%=-4.9%3.23.43.63.84.04.24.44.64.8-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6pHlgDDDD125.结果分析5.1由所求的pKa可知本次实验所得结果偏小，实验数据存在一点偏差。由理论计算可知lgDDDDPKa12PH即图中y与x成正比，且比例系数为1.但实验数据显示Y=-3.9+0.95X比例系数为0.95，与理论结果相比偏小，但线性关系还不错，几乎在同一条直线上。造成上述偏差的原因有：（1）仪器问题。本实验仪器722型分光光度计不太稳定，在整个实验过程中灵敏度档达到了最大值（8），调节空白参比溶液时透光率不能稳定在100，总有一定的浮动，且变化还有点大。可想而知在在最大波长下测BPB吸光度时透光率也会有所变动。（2）pH测量有误差。有实验数据可知实测的溶液pH与配置标准的pH不一样，且相差还比较大。一方面是溶液配制过程中液体量取过程有点偏差，但应不会造成太大问题，另一方面就是用pH测定溶液pH时造成较大误差。可能原因是1.用于校准pH计的标准溶液由于放置过久或被污染浓度发生较大变化；2.pH计自身不太稳定。实验过程中pH计的读数总是不能很好稳定，等待5-6分钟后，每隔半分