分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数.docx
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分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数
实验六分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数
摘要：
紫外——可见（UV）分光光度法提供了一种测量弱电解质电离平衡常数的简便方法——通过测量不同pH条件下溶液的吸光度A，得到A~pH的关系曲线，然后可以简洁的计算出该电解质的电离平衡常数.本实验测量溴酚蓝（BPB）溶液的吸光度，以及相应的pH值，从而计算出Ka.
关键词：
溴酚蓝（BPB）电离平衡常数紫外——可见分光光度计吸光度贝尔-郎比定理
前言：
弱酸弱碱的电离平衡常数是物理化学实验的重要参数。
一定pH的缓冲溶液的选择，酸碱指示剂的选择等都需要用到弱酸弱碱的电离平衡常数。
溴酚蓝本身是一种酸碱指示剂，带有颜色且在有机溶剂中的电离度小，所以用一般的化学方法和物理方法是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，再求出其电离平衡常数。
溴酚蓝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。
因此，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，从而求出Ka.
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。
根据贝尔—郎比定律，溶液对于单色光的吸收，遵守下列关系式：
（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
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。
第3、4种情况比较复杂，这里不作讨论。
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：
HAH++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。
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
（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。
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。
实验部分
<1>仪器与药品：
UVWIN5TU-1901系列紫外可见型分光光度计1台，波长范围：
190nm~900nm±0.3nm，光度范围：
-4.0~4.0Abs
HK-2A超级恒温水浴1台厂家：
南大万和
10mL移液管2支
50mL移液管1支
25mL量筒1只
滴管若干
100mL容量瓶7个
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-3NaOH溶液
0.2mol·dm-3NaOH溶液0.1mol·dm-3邻苯二甲酸氢钾溶液
<2>实验步骤：
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）认真阅读书后附录，了解722分光光度计的使用和操作及注意事项。
（4）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
～3.2
16.00mL
5
～4.2
3.00mL
2
～3.4
10.00mL
6
～4.4
7.00mL
3
～3.6
6.00mL
7
～4.6
11.00mL
4
～3.8
3.00mL
4、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。
<3>实验注意事项：
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、每改变一次波长，都要重新调“0”和“100%”。
结果与讨论：
<1>图表及结果
由贝尔-郎比定理用计算机绘出七种溶液的分光光度曲线如下图：
λ
D
X=590.670415≈591nm
用计算机读出最大波长为：
591nm.
在591nm处以
对pH作图并线性拟合得
X=3.98185161,Y=1.11022302E-166
pH
由图表和计算（全部数据处理间附件）可得到:
PKa=-3.982
则溴酚蓝的电离平衡常数为：
Ka=1.04⨉10（-4）
查资料得知溴酚蓝的标准pKa=-4.1
即其Ka=7.94⨉10（-5）
本实验的相对误差为：
|pKa-pKa0|/pKa0⨉100%=2.88%
|Ka-Ka0|/Ka0⨉100%=31.3%
<2>实验结果讨论
从实验结果我们可以看出，用紫外——可见分光光度计法大致可以测出溴酚蓝的电离平衡常数，但是实验误差较大.
<3>误差主要来源
a分光光度计本身可能由于不稳定性等原因会造成一定误差.
b在每次测量时，比色皿插入分光光度计的位置可能不完全相同，造成一定的角度偏差。
且比色皿上面的液珠也可能没有完全擦去，影响实验结果。
c实验室的恒温槽温度不太稳定，测pH时的温度也不一定是在25摄氏度时测定。
而且pH计的示数也不稳定。
<4>对实验的体会和认识
通过该实验我们知道，可以利用分光光度计通过测量不同pH值对应的吸光度，找出对应的线性关系以求出弱酸弱碱的电离平衡常数。
而且分光光度计具有灵敏度高、操作简便、分析速度快等优点。
本实验让我们认识到了溴酚蓝的一些性质，同时也掌握了分光光度计的使用方法以及用这种方法测量弱酸弱碱电离平衡常数的基本原理，在以后的实验中肯定会有帮助！
<5>参考资料:
孙尔康，徐维清，邱金恒编著.南京大学出版社.物理化学实验.1998.
英文摘要：
Abstract：
UsingUV-spectrophotometerprovidesasimplemethodformeasuretheionizationequilibriumconstantoftheweakelectrolytes.BymeasuringtheabsorbencyPasstomeasuretheabsorbingofaquaintensityoflightANindifferentpHcondition,getA~pHrelationcurve,Thenwecansimpleanddirectlycomputetheelectricityofoneelectrolytetoleaveequilibriumconstant.Inthisexperiment，wetakebromophenolblue（BPB）forexampletogetitsKa.
Keyword:
bromophenolblue（BPB）IonizationequilibriumconstantUltraviolet-visiblesceneryphotometeropticaldensityBaer-Lambietheorem
附件：
实验数据处理
原始数据：
恒温槽温度：
25.00℃；最大吸收波长max：
591nm
不同PH值时B.P.B溶液的吸光度：
编号
1
2
3
4
5
6
7
溶液pH
3.190
3.465
3.670
3.858
4.233
4.431
4.614
吸光度
0.085
0.133
0.187
0.247
0.383
0.455
0.507
-0.8916
-0.4965
-0.2055
0.3808
0.8522
数据处理：
因为溴酚蓝的变色范围是3.1~4.6之间，本实验的1号管和7号管的pH接近其两端点，故可认为D1=0.085.D2=0.507.
以
对pH作图并线性拟合得：
pH
X=3.98185161,Y=1.11022302E-166
由Origin软件作图并得到拟合曲线与横轴的交点为：
X=3.98185161,Y=1.11022302E-16
故pKa=-pH=X=-3.982
所以溴酚蓝的电离平衡常数为：
Ka=10（-3.982）=1.04⨉10（-4）
查资料溴酚蓝的标准pKa0=4.1
标准Ka0=7.94⨉10（-5）
相对误差：
|pKa-pKa0|/pKa0⨉100%=2.88%
|Ka-Ka0|/Ka0⨉100%=31.3%
思考题：
1、本实验中使用的的仪器为722型紫外—可见分光光度计，针对的是什么样的物质能级跃迁？
溶液对单色光的吸收遵守什么定律？
答：
是物质分子中的价电子从最高占有轨道向最低空轨道跃迁。
溶液对单色光的吸收遵守贝尔—朗比定律。
2、在本实验中使用分光光度计来测定物质溶液的吸光度，要首先确定被测物质溶液的最大吸收波长，然后将波长固定在最大吸收波长位置上再测定数据。
为什么？
答：
有两个原因：
①每一种物质有自己特征的最大吸收波长，在此最大吸收波长下测定则说明是在针对该物质进行的；②每次测量时分光光度计读数的直接绝对误差是固定的[±0.004A（在0.5A处）]，在最大吸收波长处同物质同浓度的吸光度数据为极大值，灵敏度最高，则相对误差极小。
3、使用分光光度计来测定物质溶液的吸光度时，要使用空白溶液来校正仪器零点，理论上应该使用什么样的溶液作为空白溶液？
答：
理论上，应该使用被测溶液中不含有在测量波长处可吸收单色光的物质时所配置的溶液。
4、使用分光光度计来测定物质溶液的吸光度，读取每一个或一组吸光度数据前，都要先对分光光度计进行透过率T调“0”和调“100”，为什么？
答：
调“0”的目的是使仪器的光电管在感受不到光时透光率为“0”，实际上就是调仪器的电路基准；调“100”的目的是调整仪器的光强度，使得在某波长下空白参比溶液的透光率为“100%”，实际上就是调整仪器的光路基准。
因为：
①同一个灯所发出的不同波长的光，其光强度是不同的；②在测量过程中不能保证电源电压稳定、仪器状态稳定。
5、本实验配备两只比色皿，整个实验中应该固定用其中一只装入空白溶液作参比用来调“0”和调“100”，在测定不同酸度下的BPB溶液以及极酸、极碱溶液的吸光度时，只使用另外一只比色皿来依此分别装入不同溶液后进行吸光度测定。
为什么？
答：
因为任意的两只比色皿的玻璃的厚度不同，玻璃片间的距离不同，同物质同浓度的溶液用不同的比色皿装入测定时，所得到的吸光度数据就会不同，这样一来就会引起测量误差。
6、仪器开启后在暗室盖子打开的情况下，不能做什么？
为什么？
答：
仪器开启后，在暗室盖子打开的情况下，不能按下暗室边上的小按钮，以免过强的自然光射入光电管后使光电管烧毁。
7、如何消除误差?
答：
（1）BPB浓溶液的体积移取应保持一致；
（2）在进行极酸，极碱溶液的吸光度测定时，要现配现测，以免放置后溶液发生变化；
（3）为保证测定数据稳定，电源部份须加一稳压器。
8、在使用PHS-3B型酸度计进行PH值测量时，要使用PH=6.86和PH=4.00（或PH=9.18）的标准缓冲溶液对仪器上的两个旋钮“定位”和“斜率”进行调节，其作用是什么？
答：
PH计的测量原理是原电池电动势测定的应用，PH值与原电池电动势之间理论上为直线关系。
实验时要确定直线的截距和斜率。
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