分光光度法测溴酚蓝电离平衡常数.docx

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分光光度法测溴酚蓝电离平衡常数

分光光度法测BPB的电离平衡常数

SpectrophotometricDeterminationofIonizationEquilibriumConstantofBPB

中国科学技术大学化学物理系，合肥230026

DepartmentofChemicalPhysicsofUSTC,HeFei230026

实验日期2014-11-13完成日期2014-11-13

【摘要】具有极性共价键的弱电解质（例如部分弱酸、弱碱、水等）溶于水时，其分子可以微弱电离出离子，而电离常数是弱电解质电离平衡的平衡常数，描述了一定温度下，弱电解质的电离能力。

本实验中我们使用紫外—可见分光光度法测定了不同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。

【Abstract】Weakelectrolytecanbeweakionization,whendissolvedinwater,andtheionizationconstantistheequilibriumconstantoftheionizationequilibrium,whichtomeasuretheionizationoftheweakelectrolyteinacertaintemperature.Inthisexperiment,weusetheUV-SpectrophotometertomeasuretheabsorbencyofseriesofbromphenalbluesolutionswithdifferentpHatthemaximumabsorptionwavelengthofit,andusedtherelationshipbetweenabsorbancevalueandionicconcentrationtoworkouttheionizationequilibriumconstantoftheBPB.

【关键词】分光光度法四溴酚磺酞（溴酚蓝）电离平衡常数吸光度

布格-朗伯-比尔定律

【Keywords】SpectrophotometryBromophenolblue（BPB）IonizationEquilibriumconstantAbsorbanceBouguer–Lambert–Beerlaw

【前言】

具有极性共价键的弱电解质（例如部分弱酸、弱碱）（水也是弱电解质）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，当两者的反应速率相等时，溶液便达到了电离平衡。

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，达到动态平衡。

弱电解质在一定条件下电离达到平衡时，溶液中电离所生成的各种离子浓度以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浓度以其在化学方程式中的计量为幂的乘积的比值，即溶液中的电离出来的各离子浓度乘积（c（A+）*c（B-））与溶液中未电离的电解质分子浓度（c（AB））的比值是一个常数，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。

【实验部分】

一、实验目的与要求

1、掌握一种测定酸碱指示剂电离平衡常数的方法。

2、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。

3、了解酸度对B.P.B的影响，学会用缓冲溶液调节溶液酸度的方法。

二、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。

3、实验仪器与试剂

仪器名称/试剂名称

厂家

数量/浓度

HK-2A超级恒温水浴

南京南大万和科技有限公司

南京大学应用物理研究所监制

（教学用）

1台

TU-1901双束光紫外可见分光光度计

北京普析通用仪器有限责任公司

1台

Terminal740型pH

计

STERIESINOLAB

1台

移液管

/

4支

量筒

/

1个

容量瓶

/

7个

溴酚蓝溶液

/

5×10-5mol·dm-3

HCl溶液

/

0.1mol·dm-3/1mol·dm-3

NaOH溶液

/

0.1mol·dm-3/0.2mol·dm-3

邻苯二甲酸氢钾溶液

/

0.1mol·dm-3

四、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。

无、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%”。

六、数据记录和处理：

恒温槽温度：

℃；D1；D2：

最大吸收波长max：





不同PH值时B.P.B溶液的吸光度：

溶液PH：

……

吸光度D：

1、根据公式计算

的值。

2、以

对pH作图，得截距为PKa，计算Ka值。

【实验结果与讨论】

1、实验结果

根据计算和分析（见附件《实验2分光光度法测BPB的电离平衡常数（数据处理）》），我们得到实验结果如下：

（1）溴酚蓝溶液的最大吸收波长：

λ=591.80nm

（2）溴酚蓝的电离平衡常数:

实验值（T=25℃）：

pKa∗=4

Ka∗=10-4

理论值（T=25℃）：

pKa=4.1

Ka=7.94×10−5

相对误差：

ηpKa=0.3%

ηKa=25.9%

2、结果分析

（1）由数据处理来看：

①所作的

-PH线性拟合图线性相关程度很高（相关系数R2=0.99），说明实验的精确性较好；

②得到的线性拟合图中斜率并不是理论上的1，这就导致结果误差很大，进行修正后误差明显减小；

（2）由实验结果来看：

实验误差较大，结合

（1）的讨论，可以知道实验精密度好，因此实验存在系统误差

三、误差讨论

（1）系统误差

①公式推导过程是理想化设定，实际上极酸条件下溶液中也会有A-，极碱条件下也会有HA。

因此得到的实验结果将有误差；

②极酸极碱溶液是近似得到的，我们只是假如浓度较大的酸和碱，不是绝对意义上的极酸极碱，D1和D2不准确；

③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，D2有误差；

④仪器本身就存在一定的误差。

（2）随机误差

①每次的测量过程中，比色皿的位置影响其吸光度；

②PH的测量过程中，我们事先进行了PH计的较正，较正过程可能存在一定的误差如PH缓冲液的PH已经不是理论值；PH的较正，斜率为-57.4mv/pH,存在误差；

③比色皿未清洗干净，导致误差；

④从恒温槽取出溶液后温度有所变化。

【结论&心得】

本实验中我们使用紫外—可见分光光度法测量弱电解质的电离平衡常数，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。

与分析化学中用滴定等化学方法来测定pH相比，将pH转化成用仪器可测量的其他物理量来进行测量的方法更加便捷，但是误差较大。

也可以考虑用电导法测量电离平衡常数。

【致谢】

感谢中国科学技术大学化学与材料科学学院（物理化学）实验中心提供的实验仪器以及老师和助教的实验指导。

【参考资料】

1傅献彩沈文霞姚天扬.物理化学（下册）.北京:

高等教育出版社,2006.

2中国科学技术大学化学与材料科学学院实验中心.实验2分光光度法测BPB的电离平衡

常数（讲义）.合肥:

中国科学技术大学,2013.

3中国科学技术大学化学与材料科学学院实验中心.仪器分析实验.合肥:

中国科学技术大

学出版社,2011.

4XX百科.分光光度法.网络资料.

5XX百科.电离平衡常数.网络资料.

【附件】

实验2分光光度法测BPB的电离平衡常数

（数据处理）

原始数据记录

1.实验条件

恒温槽理论温度:

T=25℃

恒温槽实际温度:

T=25℃

2.实验过程

（1）溴酚蓝溶液的最大吸收波长

根据数据作溴酚蓝溶液吸光度随波长的变化曲线图，如下所示：

图1溴酚蓝溶液吸光度随波长的变化

由图可得到溴酚蓝溶液的最大吸收波长λ=591.80nm

（2）在最大吸收波长λ=591.80nm处测得不同pH的溴酚蓝溶液的吸光度,如表1所示：

表1不同pH下溴酚蓝溶液在最大吸收波长λ=591.80nm处的吸光度

样品编号

PH

吸光度

平均度

D1

D2

D3

1

3.323

0.106

0.105

0.105

0.1053

2

3.530

0.149

0.148

0.148

0.1483

3

3.702

0.195

0.195

0.195

0.1950

4

3.848

0.239

0.240

0.239

0.2393

5

4.204

0.356

0.357

0.357

0.3567

6

4.426

0.421

0.421

0.421

0.4210

7

4.610

0.471

0.470

0.470

0.4703

8

极酸

-0.008

-0.007

-0.007

-0.0073

9

极碱

0.592

0.594

0.591

0.5923

数据处理

溴酚蓝电离平衡常数的求算

由表1中极酸和极碱样品的吸光度可以得到：

D1=D极酸=−0.0073

D2=D极碱=0.5923

由公式：

计算出不同pH下样品的

值，列表如下：

表2不同pH下的溴酚蓝溶液的

样品编号

PH

平均值D

1

3.323

0.1053

-0.6360

2

3.530

0.1483

-0.4554

3

3.702

0.1950

-0.2931

4

3.848

0.2393

-0.1558

5

4.204

0.3567

0.1889

6

4.426

0.4210

0.3980

7

4.610

0.4703

0.5927

作

-pH线性拟合图，如下所示：

图2

-pH线性拟合图

则拟合直线的公式：

y=0.95x-3.8

因此得到：

pKa=3.8

计算可得溴酚蓝的电离平衡常数：

Ka=10-3.8=1.58×10-4

查得25℃时，溴酚蓝的电离平衡常数：

pKa=4.1

Ka=10-4.1=7.94×10-5

相对误差：

ηka=（1.58×10-4-7.94×10-5）/7.94×10-5=99.0％

ηpka=（4.1-3.8）/4.1=7.3％

对照公式

pH的系数应为1，而实验所得为0.95，相对误差5%，因此所得结果将存在较大误差。

因为D为测量值，因此线性拟合方程中y会存在一定误差，为减小误差，我们将线性拟合公式进行变化将pH的系数化为1，即：

1.05y=x-4

则此时应有：

pKa∗=3.8÷0.95=4

则此时得到的溴酚蓝的平衡常数为：

Ka∗=10-4

相对误差：

ηka=25.9％

ηpka=0.3％