物化實(shí)驗(yàn)-分光光度法測(cè)BPB電力平衡常數(shù)

1、分光光度法測(cè)BPB 電力平衡常數(shù)【Author and institution of the report 】PB11207027zhanghengSchool of Life Sciences. University of Science and Technology of China . Hefei City.Anhui Province.Postcode:230026Email:zh322523【Abstract 】This experiment utilize spectrophotometer to find out the maximum absorption wavelength

2、 of BPB, and then measure absorbance in different pH, in order to calculate equilibrium constant of ionization of BPB.【Keywords 】SpectrophotometerBromophenol blueMaximum absorption wavelengthAbsorbanceThe equilibrium constant of ionization【前言】物質(zhì)分子對(duì)光的吸收是物質(zhì)分子中的價(jià)電子從最高占有軌道向最低空軌道躍遷。溶液對(duì)單色光的吸收遵守貝爾朗比定律。每一種物

3、質(zhì)有自己特征的最大吸收波長(zhǎng)。波長(zhǎng)為的單色光通過(guò)任何均勻而透明的介質(zhì)時(shí)，由于物質(zhì)對(duì)光的吸收作用而使透射光的強(qiáng)度比入射光的強(qiáng)度要弱，其減弱的程度與所用的波長(zhǎng)（）有關(guān)。分子結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，對(duì)單色光的吸收有選擇性。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(cè)定其電離平衡常數(shù)。本實(shí)驗(yàn)用分光光度法測(cè)定弱電解質(zhì)溴酚藍(lán)的電離常數(shù)，可以得到比較精確的結(jié)果?！緦?shí)驗(yàn)部分】1、實(shí)驗(yàn)試劑實(shí)驗(yàn)試劑-5105×mol/L溴酚藍(lán)溶液0.1mol/L鄰苯二甲酸氫鉀溶液0.10mol/LHCl溶液0.10mol/LNaOH溶液1.0mol/LHCl溶液0.

4、20mol/LNaOH溶液2、實(shí)驗(yàn)儀器HK-2A 型超級(jí)恒溫水浴鍋一臺(tái)TU-1901雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)一臺(tái)pH 計(jì)一臺(tái)10ml 移液管三支25ml 移液管一支50ml 移液管一支3、實(shí)驗(yàn)原理波長(zhǎng)為的單色光通過(guò)任何均勻而透明的介質(zhì)時(shí)，由于物質(zhì)對(duì)光的吸收作用而使透射光的強(qiáng)度（I ）比入射光的強(qiáng)度（I 0）要弱，其減弱的程度與所用的波長(zhǎng)（）有關(guān)。又因分子結(jié)構(gòu)不相同的物質(zhì)，對(duì)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(zhǎng)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(duì)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)，

5、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(duì)于單色光的吸收，遵守下列關(guān)系式：D I I K l C =lg0(61  式中，D 消光（或光密度）； I /I 0透光率； K 摩爾消光系數(shù)，它是溶液的特性常數(shù)； l 被測(cè)溶液的厚度（即吸收槽的長(zhǎng)度）；C 溶液濃度。 在分光光度分析中，將每一種單色光，分別、依次地通過(guò)某一溶液，測(cè)定溶液對(duì)每一種光波的 消光。以消光（D ）對(duì)波長(zhǎng)（）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61所示。由圖可以看出，對(duì)應(yīng)于某一波長(zhǎng)有著一個(gè)最大的吸收峰，用這一波長(zhǎng)的入射光通過(guò)該溶液就有

6、著最佳的靈敏度。 從（1）式可以看出，對(duì)于固定長(zhǎng)度的吸收槽，在對(duì)應(yīng)最大吸收峰的波長(zhǎng)（）下，測(cè)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(shuō)，在該波長(zhǎng)時(shí)，若溶液遵守貝爾郎比定律，則可以選擇這一波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行定量分析。 以上討論是對(duì)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(zhǎng)1時(shí)，甲物質(zhì)顯著吸收而其他組分的吸收可以忽略；在波長(zhǎng)2時(shí)，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(zhǎng)下分別測(cè)定甲、乙物質(zhì)組分。2、混合物中各組分

7、的吸收帶互相重疊，而且他們都遵守貝爾郎比定律，對(duì)幾個(gè)組分即可在幾個(gè)適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)進(jìn)行幾次吸光度的測(cè)量，然后列幾個(gè)聯(lián)立方程式，即可求分別算出幾個(gè)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(shí)驗(yàn)用分光光度法測(cè)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(cè)定其電離平衡常數(shù)。而分光光度法可以利用不同波長(zhǎng)對(duì)其組分的不同吸收來(lái)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

8、酚藍(lán)在有機(jī)溶劑中存在著以下的電離平衡： HA H +A 其平衡常數(shù)為：K aK a =+HA HA (62圖6-1分光光度曲線 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3.14.6之間，當(dāng)PH 3.1時(shí)，溶液的顏色主要由HA 引起的，呈黃色；在PH 4.6時(shí)，溶液的顏色主要由A 引起，呈藍(lán)色。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)藍(lán)色產(chǎn)生最大吸收的單色光的波長(zhǎng)對(duì)黃色不產(chǎn)生吸收，在其最大吸收波長(zhǎng)時(shí)黃色消光為0或很小。因此，本實(shí)驗(yàn)我們所研究的體系應(yīng)屬于上述討論的第一種情況。用對(duì)A 產(chǎn)生最大吸收波長(zhǎng)的單色光測(cè)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

9、分?jǐn)?shù)為X ，則HA 所占的摩爾分?jǐn)?shù)為1X ，所以K X X a =1A (63  或者寫成：lg lg X X K a 1=+PH (64根據(jù)上式可知，只要測(cè)定溶液的PH 值及溶液中的HA和A，就可以計(jì)算出電離平衡常數(shù)K a 。 在極酸條件下，HA 未電離，此時(shí)體系的顏色完全由HA 引起，溶液呈黃色。設(shè)此時(shí)體系的消光度為D 1；在極堿條件下，HA 完全電離，此時(shí)體系的顏色完全由A 引起，此時(shí)的消光度為D 2，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 (1XD 1+XD2。X D D D D=12代入（4）式中得：lg D D D D PK a =

10、12PH (65 在測(cè)定D 1、D 2后，再測(cè)一系列PH 下的溶液的光密度，以lg D D D D12對(duì)PH 作圖應(yīng)為一直線，由其在橫軸上的截距可求出P K a ，從而可得該物質(zhì)的電離平衡常數(shù)。本實(shí)驗(yàn)的PH 值通過(guò)溶液配制而得。4、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開(kāi)超級(jí)恒溫水浴使之恒溫在25，打開(kāi)分光光度計(jì)，預(yù)熱儀器，同時(shí)掀開(kāi)樣品室蓋。 2、確定溶液的最大吸收波長(zhǎng)。 （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(gè)洗干凈的100mL 的容量瓶中，并用50ml 的移液管準(zhǔn)確加入50mL0.1mol ·

11、dm -3的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖溶液，加H 2O 稀釋到刻度，得1.0×10-5mol ·dm -3的B.P.B 溶液。 （2）取cm 厚度的比色皿兩只，分別用H 2O 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H 2O 和1.0×10-5mol ·dm -3的B.P.B 溶液，把比色皿兩光面擦干，正確插入光度計(jì)恒溫比色槽中，用蒸餾水作空白溶液，用以校正儀器。放在最外面的一個(gè)槽內(nèi)便于測(cè)量。（3）認(rèn)真閱讀書后附錄，了解722分光光度計(jì)的使用和操作及注意事項(xiàng)。（4）在480630nm 波長(zhǎng)

12、范圍內(nèi)，從低到高逐一選擇儀器的入射光波長(zhǎng)，用空白溶液蒸餾水在T 檔校正儀器的0點(diǎn)和100，并用吸光旋鈕調(diào)H 2O 的吸光度為0，再測(cè)量?jī)煞N不同溶液的吸光度。在480560的范圍內(nèi)每隔10nm 測(cè)一次，在560600nm 范圍內(nèi)每隔5nm 測(cè)一次。將所得的結(jié)果以吸光度D 對(duì)作圖，或從測(cè)量數(shù)據(jù)直接讀出B.P.B 溶液的最大吸收波長(zhǎng)。3、各個(gè)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20mL 5×10-5mol ·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

13、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(hào)PH 值X 1（0.1mol ·dm -3HCl ）溶液號(hào)PH 值X 1（0.1mol ·dm -3NaOH ）13.216.00mL 54.23.00mL 23.410.00mL 64.47.00mL 33.66.00mL 74.611.00mL43.83.00mL 4、不同酸度下，溴酚藍(lán)溶液pH 值的測(cè)定。將上述七種不同酸度的溴酚藍(lán)溶液用酸度計(jì)測(cè)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(cè)定。（1）將波長(zhǎng)固定在max 處，把已經(jīng)恒溫的溶液逐一以蒸餾水作參比，測(cè)量其吸光度，可得一系列的D

14、值。由于在max 的波長(zhǎng)下，對(duì)HA 不產(chǎn)生吸收，所以此時(shí)的D 是A 的吸收提供的。測(cè)量過(guò)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(jì)上迅速測(cè)量極酸溶液、極堿溶液的吸光度D 1和D 2，測(cè)量結(jié)果應(yīng)表明，極酸時(shí)溶液呈黃色，在max 情況下，測(cè)得的吸光度為0。結(jié)

15、果與討論1、D-D-圖480500520540560580600 6206406600.000.050.100.150.200.250.300.35A b snm2、DD D D -lg21-pH 圖： -0.8-0.6-0.4-0.2截距為-3.31，pKa=3.31，4-1090. 4×=a K 查得BPB 的電離平衡常數(shù)為：PKa=4.10相對(duì)誤差%3. 19%10. 4|4.10-3.31|%100|pKa -pKa |00=×=×=pKa 3、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與誤差分析：1、系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)中用到的移液管、容量瓶及PH 計(jì)、分光光度計(jì)都存在一定的儀器誤差，還存在一定

16、的估讀誤差。分光光度計(jì)調(diào)零時(shí)示數(shù)會(huì)有波動(dòng)，不可能做到完全精確。分光光度計(jì)、pH計(jì)讀數(shù)會(huì)有波動(dòng)，不可能讀到準(zhǔn)確的值，要估讀必會(huì)有誤差。2、偶然誤差測(cè)量次數(shù)的有限性導(dǎo)致了偶然誤差的產(chǎn)生。在本實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有進(jìn)行多次平行測(cè)量，因此偶然誤差也會(huì)較大。3、實(shí)驗(yàn)中由于恒溫槽控溫機(jī)制的限制，不可能絕對(duì)恒溫。而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程較長(zhǎng)，室溫變化較大。測(cè)pH 是在室溫下進(jìn)行的，受影響也會(huì)較大。4、將所測(cè)溶液用分光光度計(jì)測(cè)吸光值時(shí)，由于從室溫轉(zhuǎn)入預(yù)設(shè)的溫度，所以BPB 電離常數(shù)會(huì)有變化，分光光度示數(shù)也會(huì)有波動(dòng)。所以，要等到示數(shù)基本不變后再讀數(shù)。5、BPB的電離常數(shù)會(huì)隨溫度變化而變化，測(cè)pH 是在室溫下進(jìn)行的，而測(cè)吸光值是在預(yù)設(shè)

17、的溫度下進(jìn)行的。因此溶液測(cè)pH 的電離度與測(cè)吸光值時(shí)的會(huì)有不同。兩溫度下的pH 會(huì)有偏差。但由于溫度基本相等，誤差可以忽略。6、實(shí)驗(yàn)中要求迅速測(cè)量極酸和極堿溶液的吸光度，否則溶液會(huì)發(fā)生變化。其實(shí)，這種變化不可能完全避免。理論上極酸情況下吸光值應(yīng)為零。但實(shí)際測(cè)量為-0.007，略有偏差。7、BPB 的電離常數(shù)理論值應(yīng)該用H +和A -的活度值計(jì)算：HAA H a a a a K +=而實(shí)驗(yàn)中使用的是濃度計(jì)算。其中實(shí)驗(yàn)所測(cè)的吸光值直接反映了A -的濃度。隨著溶液中離子強(qiáng)度的增加，濃度值會(huì)與活度值有較大偏離。但實(shí)驗(yàn)是在濃度較低時(shí)進(jìn)行的，活度與濃度近似相等，因此影響不是很大。8、電極測(cè)pH 后，盡管用

18、水沖洗并擦干，但仍會(huì)有殘留。因?yàn)楹茈y徹底洗凈，徹底擦干。9、測(cè)量最大吸收波長(zhǎng)時(shí),每隔5nm 測(cè)一次,因此還不夠精確。最大吸收波長(zhǎng)的的確定，會(huì)給實(shí)驗(yàn)測(cè)吸光值的誤差大小帶來(lái)影響。但此影響不會(huì)太大。10、用比色皿測(cè)吸光值，盡管潤(rùn)洗，但與所配溶液濃度也會(huì)有偏差。11、由于所作的直線是通過(guò)截距來(lái)確定Ka，誤差會(huì)比同過(guò)斜率來(lái)確定的相對(duì)較大。尤其所測(cè)的點(diǎn)是離y 軸較遠(yuǎn)。但對(duì)本實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，誤差不是很大。12、綜上幾點(diǎn)原因，使得實(shí)驗(yàn)值與理論值之間存在一定差距。由所作的直線擬合度為0.99873可知，影響因素一定程度上可以忽略。該實(shí)驗(yàn)是比較精確地測(cè)出Ka。13、該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的成功之處在于利用BPB 在低濃度下，吸光值與濃度（活度）成正比，以吸光值來(lái)反映濃度。且BPB 在低濃度下，在最大吸收波長(zhǎng)下，吸光值仍較大，使實(shí)驗(yàn)具有可行性。參考文獻(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)崔獻(xiàn)英等編著中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社物理化學(xué)傅獻(xiàn)彩等編高等教育出版社普通化學(xué)原理華彤文等編北京大學(xué)出版社物理化學(xué)(美V. V.弗里德等著弗里德等著高等