6.分光光度法測BPB的電離平衡常數(shù)

實驗六分光光度法測溴酚藍(lán)的電離平衡常數(shù)一、實驗?zāi)康呐c要求：1、掌握一種測定酸堿指示劑電離平衡常數(shù)的方法。2、熟悉并掌握722型分光光度計的性能和使用方法。并利用分光光度計測量溴酚藍(lán)(Bromphenalblue)的最大吸收波長，了解溶液濃度對max的影響。3、了解酸度對B.P.B的影響，學(xué)會用緩沖溶液調(diào)節(jié)溶液酸度的方法。二、實驗原理：波長為λ的單色光通過任何均勻而透明的介質(zhì)時，由于物質(zhì)對光的吸收作用而使透射光的強(qiáng)度（I）比入射光的強(qiáng)度（I0）要弱，其減弱的程度與所用的波長（）有關(guān)。又因分子結(jié)構(gòu)不相同的物質(zhì)，對光的吸收有選擇性，因此不同的物質(zhì)在吸收光譜上所出現(xiàn)的吸收峰的位置及其形狀，以及在某一波長范圍內(nèi)的吸收峰的數(shù)目和峰高都與物質(zhì)的特性有關(guān)。分光光度法是根據(jù)物質(zhì)對光的選擇性吸收的特性而建立的，這一特性不僅是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是定性分性、定量分析的基礎(chǔ)。根據(jù)貝爾—郎比定律，溶液對于單色光的吸收，遵守下列關(guān)系式：(6－1)式中，D－消光（或光密度）；I/I0－透光率；K－摩爾消光系數(shù)，它是溶液的特性常數(shù)；l－被測溶液的厚度（即吸收槽的長度）；C－溶液濃度。圖6-1分光光度曲線在分光光度分析中，將每一種單色光，分別、依次地通過某一溶液，測定溶液對每一種光波的消光。以消光（D）對波長（）作圖，就可以得到該物質(zhì)的分光光度曲線，或吸收光譜曲線，如圖6－1所示。由圖可以看出，對應(yīng)于某一波長有著一個最大的吸收峰，用這一波長的入射光通過該溶液就有著最佳的靈敏度。從（1）式可以看出，對于固定長度的吸收槽，在對應(yīng)最大吸收峰的波長（）下，測定不同濃度C的消光，就可以作出線性的D～C線，這就是定量分析的基礎(chǔ)。也就是說，在該波長時，若溶液遵守貝爾－郎比定律，則可以選擇這一波長來進(jìn)行定量分析。以上討論是對于單組分溶液的情況，如果溶液中含有多種組分，情況就比較復(fù)雜，要進(jìn)行分別討論，大致有下列四種情況：1、混合物中各組分的特征吸收不相重疊，既在波長1時，甲物質(zhì)顯著吸收而其他組分的吸收可以忽略；在波長2時，只有乙物質(zhì)顯著吸收，而其他組分的吸收微不足道，這樣便可在1、2波長下分別測定甲、乙物質(zhì)組分。2、混合物中各組分的吸收帶互相重疊，而且他們都遵守貝爾－郎比定律，對幾個組分即可在幾個適當(dāng)?shù)牟ㄩL進(jìn)行幾次吸光度的測量，然后列幾個聯(lián)立方程式，即可求分別算出幾個組分的含量。3、混合物中各組分的吸收帶互相重疊，但不遵守貝爾－郎比定律。4、混合溶液中含有未知組分的吸收曲線。第3、4種情況比較復(fù)雜，這里不作討論。本實驗用分光光度法測定弱電解質(zhì)溴酚藍(lán)的電離平衡常數(shù)。溴酚藍(lán)是一種酸堿指示劑，本身帶有顏色且在有機(jī)溶劑中電離度很小，所以用一般的化學(xué)分析法或其他物理化學(xué)方法很難測定其電離平衡常數(shù)。而分光光度法可以利用不同波長對其組分的不同吸收來確定體系中組分的含量，從而求算溴酚藍(lán)的電離平衡常數(shù)。溴酚藍(lán)在有機(jī)溶劑中存在著以下的電離平衡：HAH++A－其平衡常數(shù)為：Ka(6－2)溶液的顏色是由顯色物質(zhì)HA與A－引起的，其變色范圍PH在3.1～4.6之間，當(dāng)PH3.1時，溶液的顏色主要由HA引起的，呈黃色；在PH≥4.6時，溶液的顏色主要由A－引起，呈藍(lán)色。實驗證明，對藍(lán)色產(chǎn)生最大吸收的單色光的波長對黃色不產(chǎn)生吸收，在其最大吸收波長時黃色消光為0或很小。因此，本實驗我們所研究的體系應(yīng)屬于上述討論的第一種情況。用對A－產(chǎn)生最大吸收波長的單色光測定電離后的混合溶液的消光，可求出A－的濃度。令A(yù)－在顯色物質(zhì)中所占的分?jǐn)?shù)為X，則HA所占的摩爾分?jǐn)?shù)為1－X，所以(6－3)或者寫成：(6－4)根據(jù)上式可知，只要測定溶液的PH值及溶液中的[HA]和[A－]，就可以計算出電離平衡常數(shù)Ka。在極酸條件下，HA未電離，此時體系的顏色完全由HA引起，溶液呈黃色。設(shè)此時體系的消光度為D1；在極堿條件下，HA完全電離，此時體系的顏色完全由A－引起，此時的消光度為D2，D為兩種極端條件之間的諸溶液的消光度，它隨著溶液的PH而變化，D＝(1－X)D1+XD2。代入（4）式中得：(6－5)在測定D1、D2后，再測一系列PH下的溶液的光密度，以對PH作圖應(yīng)為一直線，由其在橫軸上的截距可求出PKa，從而可得該物質(zhì)的電離平衡常數(shù)。本實驗的PH值通過溶液配制而得。四、儀器與藥品：722型分光光度計1臺，超級恒溫水浴1臺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個5×10-5mol·dm-3的溴酚藍(lán)溶液，0.1mol·dm-3的HCl溶液1mol·dm-3的HCl溶液0.1mol·dm-3NaOH溶液0.2mol·dm-3NaOH溶液0.1mol·dm-3鄰苯二甲酸氫鉀溶液五、實驗步驟：1、打開超級恒溫水浴使之恒溫在25℃2、確定溶液的最大吸收波長。（1）用20mL移液管準(zhǔn)確移取5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液20mL，置于一個洗干凈的100mL的容量瓶中，并用50ml的移液管準(zhǔn)確加入50mL0.1mol·dm-3的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖溶液，加H2O稀釋到刻度，得1.0×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液。（2）取１cm厚度的比色皿兩只，分別用H2O和1.0×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液洗凈，再分別裝入2/3體積的H2O和1.0×10-5mol·dm-3的B.P.B（3）認(rèn)真閱讀書后附錄，了解722分光光度計的使用和操作及注意事項。（4）在480－630nm波長范圍內(nèi)，從低到高逐一選擇儀器的入射光波長，用空白溶液蒸餾水在T檔校正儀器的0點和100，并用吸光旋鈕調(diào)H2O的吸光度為0，再測量兩種不同溶液的吸光度。在480－560的范圍內(nèi)每隔10nm測一次，在560－600nm范圍內(nèi)每隔5nm測一次。將所得的結(jié)果以吸光度D對作圖，或從測量數(shù)據(jù)直接讀出B.P.B溶液的最大吸收波長。3、各個不同酸度的溴酚藍(lán)溶液配置。取7只100mL的干凈容量瓶，分別加入20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液，再分別加入50mlL0.1mol·dm-3鄰苯二甲酸氫鉀溶液。加入的HCl和NaOH的量以下表為準(zhǔn)，再加稀釋至刻度?？煞謩e得到不同PH值下的B.P.B溶液。溶液號PH值X1（0.1mol·dm-3HCl）溶液號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，溴酚藍(lán)溶液pH值的測定。將上述七種不同酸度的溴酚藍(lán)溶液用酸度計測量相應(yīng)的pH值。5、不同酸度下，溴酚藍(lán)溶液吸光度D的測定。（1）將波長固定在max處，把已經(jīng)恒溫的溶液逐一以蒸餾水作參比，測量其吸光度，可得一系列的D值。由于在max的波長下，對HA不產(chǎn)生吸收，所以此時的D是A－的吸收提供的。測量過程中注意溶液恒溫。（2）取兩只100mL容量瓶，分別加入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溶液稀釋到刻度，得B.P.B的極堿溶液，在另一支容量瓶中加入1mol·dm-3的HCl溶液10mL，稀釋至刻度，得B.P.B的極酸溶液。（3）在分光光度計上迅速測量極酸溶液、極堿溶液的吸光度D1和D2，測量結(jié)果應(yīng)表明，極酸時溶液呈黃色，在max情況下，測得的吸光度為0。實驗注意事項：在不測量時，應(yīng)將暗室蓋子打開，以延長光電管壽命。使用比色皿時，禁止用手觸摸光面玻璃。每改變一次波長，都要重新調(diào)“0”和“100%”。七、數(shù)據(jù)記錄和處理：恒溫槽溫度：℃；D1：；D2：最大吸收波長max：不同PH值時B.P.B溶液的吸光度：溶液PH：……吸光度D：1、根據(jù)公式計算的值。2、以對PH作圖，得截距為PKa，計算Ka值。八、思考題：本實驗中使用的的儀器為722型紫外—可見分光光度計，針對的是什么樣的物質(zhì)能級躍遷？溶液對單色光的吸收遵守什么定律？答：是物質(zhì)分子中的價電子從最高占有軌道向最低空軌道躍遷。溶液對單色光的吸收遵守貝爾—朗比定律。在本實驗中使用分光光度計來測定物質(zhì)溶液的吸光度，要首先確定被測物質(zhì)溶液的最大吸收波長，然后將波長固定在最大吸收波長位置上再測定數(shù)據(jù)。為什么？答：有兩個原因：①每一種物質(zhì)有自己特征的最大吸收波長，在此最大吸收波長下測定則說明是在針對該物質(zhì)進(jìn)行的；②每次測量時分光光度計讀數(shù)的直接絕對誤差是固定的[±0.004A(在0.5A處)]，在最大吸收波長處同物質(zhì)同濃度的吸光度數(shù)據(jù)為極大值，靈敏度最高，則相對誤差極小。使用分光光度計來測定物質(zhì)溶液的吸光度時，要使用空白溶液來校正儀器零點，理論上應(yīng)該使用什么樣的溶液作為空白溶液？答：理論上，應(yīng)該使用被測溶液中不含有在測量波長處可吸收單色光的物質(zhì)時所配置的溶液。使用分光光度計來測定物質(zhì)溶液的吸光度，讀取每一個或一組吸光度數(shù)據(jù)前，都要先對分光光度計進(jìn)行透過率T調(diào)“0”和調(diào)“100”，為什么？答：調(diào)“0”的目的是使儀器的光電管在感受不到光時透光率為“0”，實際上就是調(diào)儀器的電路基準(zhǔn)；調(diào)“100”的目的是調(diào)整儀器的光強(qiáng)度，使得在某波長下空白參比溶液的透光率為“100%”，實際上就是調(diào)整儀器的光路基準(zhǔn)。因為：①同一個燈所發(fā)出的不同波長的光，其光強(qiáng)度是不同的；②在測量過程中不能保證電源電壓穩(wěn)定、儀器狀態(tài)穩(wěn)定。本實驗配備兩只比色皿，整個實驗中應(yīng)該固定用其中一只裝入空白溶液作參比用來調(diào)“0”和調(diào)“100”，在測定不同酸度下的BPB溶液以及極酸、極堿溶液的吸光度時，只使用另外一只比色皿來依此分別裝入不同溶液后進(jìn)行吸光度測定。為什么？答：因為任意的兩只比色皿的玻璃的厚度不同，玻璃片間的距離不同，同物質(zhì)同濃度的溶液用不同的比色皿裝入測定時，所得到的吸光度數(shù)據(jù)就會不同，這樣一來就會引起測量誤差。儀器開啟后在暗室蓋子打開的情況下，不能做什么？為什么？答：儀器開啟后，在暗室蓋