分光光度法测溴酚蓝电离常数

'分光光度法测溴酚蓝电离常数张晨雨PB10206097中国科学技术大学少年班学院摘要：本实验根据朗伯-比尔定律使用分光光度法测定了电离常数较小的溴酚蓝的电离常数。关键词：分光光度法，溴酚蓝，电离常数，朗伯-比尔定律1.前言：溴酚蓝作为一种常用的pH指示剂，其颜色在3.0-4.6范围内会由黄色变为紫色从而可以作为指示剂，由于其电离系数较小，故在水中的离子浓度低，一般的测定方法无法准确测定，然而利用其颜色的特性，结合朗伯-比尔定律中对于吸光度和浓度的关系的描述，可以使用分光光度法对离子浓度和电离系数进行准确的测定。2.实验部分2.1实验仪器：PH740型PH计（德国WTWinoLab）TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）HK-2A型超级恒温水浴电脑，移液管(10mL,20mL,50mL)，容量瓶若干(100mL)，比色皿2.2实验试剂：0.1MNaOH，0.2MNaOH，1MHCl，0.1MHCl，0.1M邻苯二甲酸氢钾溶液，5*10-5M溴酚蓝溶液2.3实验设计：平衡常数表达式为： Ka=H+[A-][HA]=X1-X[H+]（1）其中X为A-占的比例平衡常数表达式中H+的含量可以由pH计测得，X的值则由分光光度计测得。由于吸光度与显色物中A-的浓度成线性关系，故吸光度方程可以用两点式表示为D＝(1－X)D1+XD2（2）其中D1D2分别为极酸和极碱条件下体系的吸光度，可以用配制的极酸和极碱溶液配制得到，加上中间条件下得到的D值数据即可求得X的数值。至此，（1）中所有的数值均可以由实验测得，从而计算出pKa的值。1.1实验操作1）打开电脑，之后接通分光光度计，打开操作软件UVWIN进行检测，打开恒温水浴并设定温度为30度，用标准溶液对pH计进行调整。2）取七只100mL容量瓶分别加入20mL溴酚蓝溶液并加入50mL邻苯二甲酸氢钾溶液，然后按照表1的试剂用量用移液管准确移取一定体积的酸或者碱溶液，之后定容，在瓶颈上贴上标签之后将配制好的溶液放入恒温水浴箱中。 编号0.1mol·dm-3HCl体积编号0.1mol·dm-3NaOH体积116.00mL53.00mL210.00mL67.00mL36.00mL711.00mL43.00mL表1配制溶液时加入盐酸和氢氧化钠溶液的体积1）等待数分钟，待溶液温度达到稳定后用pH计测定溶液的pH值，将溶液取出约30mL倒入100mL烧杯中，将探头完全浸没在溶液中，最初时显示数值变化较快，待示数每次跳动值都在0.01-0.03的时候读数，之后示数也会由于温度原因而不断变化，不用等到示数完全不变。2）将两个比色皿都装入蒸馏水放到分光光度计里，进行背景的扣除，校正之后里侧的比色皿不动，取出外侧的比色皿，先用水清洗三次，再用待测的酸度适中的溶液润洗三次，之后倒入约五分之四高度的该溶液，放入分光光度计中。首先进行波长的扫描，然后读取各谱峰位置，调整波长为强度最高峰的波长，之后测定吸光度，读出数值之后不改变条件再平行测定两次，之后对于剩下的六份溶液重复上述步骤。 1）再取两只容量瓶，与之前的溶液一样加入溴酚蓝和邻苯二甲酸氢钾溶液，然后给其中一只中加入50mL2M的氢氧化钠溶液，另外一只中加入10mL1M的盐酸溶液，分别配制成极酸和极碱溶液，放入恒温水浴中，稍微保温后即取出测定吸光度，记录数据。1.1实验结果由测得的1-7号溶液吸光度及pH加上两个极酸、极碱条件下的吸光度可以求出溴酚蓝的电离常数pKa=4.01，即Ka=9.772*10-5，查资料得溴酚蓝的pKa=4.1，即Ka=7.943*10-5。两者绝对误差为ΔpKa=-0.09，Δka=1.779*10-5相对误差为εpKa=2.20%，εKa=%22.42.结果与讨论2.1由（2）可得到X=D-D1D2-D1（3）进而得到：X1-X=D-D1D2-D（4）由（1）可得到：（5）结合（4）（5）两式有： lgD-D1D2-D=pH+pKa（6）（6）即为线性拟合中应该得到的理想的表达式，从此式可以看出，准确的直线斜率应为1，在X轴上的截距即为溴酚蓝的pKa数值，而拟合得到的直线斜率（见附件）为0.8，说明仍然存在一定的误差。另一方面，查资料得到的溴酚蓝的标准的pKa数值应为4.1，比得到的4.01的数值低。1.1误差分析考虑可能造成误差的各个因素，首先从拟合得到曲线的两个参数的标准差上来看并不大，故统计误差应该并非主要因素，从拟合的直线上可以看出，数据点主要分布在两端，中间部分的点很少，从而可能导致拟合的不准确，究其原因应该是使用的盐酸酸度偏高，使得配制得到的酸性溶液pH值都比理论值偏低，从而集中在一端而非均匀地分布在变色pH区间中。其次还包括一部分读数时可能造成的误差因素，个人认为最可能造成误差的是读取pH值时没有准确把握时间，在前几份样品测定的时候读数均偏早，在数据跳动还比较大的时候就读取了示数，从而可能造成读数偏高，在后面几份样品测定的时候进行了改进，虽然要考虑温度因素所以不能放置过久之后读数，但是温度因素相对仪器反应所需时间而言仍是次要因素，应先等待仪器相对稳定之后再进行读数，其他可能造成的误差包括移液管移取体积不准确和定容没有摇匀等，但应均为次要因素。第三是仪器可能造成的误差，如移液管体积不准确，pH计计数误 差，分光光度计测量误差等，应该为最次要因素，因为各个仪器均较新，并且十分清洁，在使用pH计的时候也进行了校准和清洗，在这一项上造成的误差应该是最小的。另外在恒温箱中的温度应该尽量与当时的室温同步，这样溶液取出后测定pH值的时候就不容易受温度变化的影响从而更为精确，本实验中取的恒温箱温度30度较室温偏高，从而在取出后温度会有波动，测量时速度快慢会对于温度有影响从而存在一些其他的干扰变量。1.1实验心得在本次的实验中使用了更加精确的仪器，与以前的实验中较简单的仪器不同，学会了很多使用精密仪器的技巧和方法。在实验中，一开始很注意温度问题，在使用pH计读数的时候都读得偏早，后来发现温度其实并非影响的主要因素，还是应该等待示数稳定下来之后再进行读数，使用的0.1M盐酸应该是因为只剩一点底部的溶液了，水可能挥发了不少使得浓度偏高，不过由于吸光度和pH值是对应的，所以虽然配出的酸性溶液pH值较低，但是最后对结果影响不大。另外在使用pH计的时候应该注意每次用完之后的清洗以及擦拭的时候不要损坏电极头。2.参考资料：[1]中国科学技术大学物理化学实验讲义[2]崔宏滨，李永平，段开敏，《光学》，科学出版社，2008 TheDeterminationoftheConstantofIonizationEquilibriumofBromophenolBlueusingSpectrophotometryAbstract:ThisexperimentusespectrophotometrytodeterminetheconstantofionizationequilibriumofBPB,averysmallconstantwhichisdifficulttodeterminebyothermethod,accordingtoLamber-Beerlaw.Keywords:BromphenolBlue,Spectrophotometry,constantofionizationequilibrium,Lamber-Beerlaw附件：原始数据及数据处理编号pH测定波长(nm)D1D2D311.1665910.0140.0140.01421.4675910.0190.0190.01931.4485910.0210.0210.02142.8195910.0610.0610.06154.3365910.4150.4150.41564.5715910.5050.5050.50574.7705910.5490.5490.549 极酸5910.0120.0120.012极碱5910.6680.6680.668表2实验中pH值及吸光度的数据编号λmax（nm）1535251535934593559365937592表3实验中各溶液最大吸收峰的波长数值编号pH(nm)DD-D1D2-DlgD-D1D2-D11.1660.0140.0020.654-2.51521.4670.0190.0070.649-1.96731.4480.0210.0090.647-1.85742.8190.0610.0490.607-1.09354.3360.4150.4030.2530.20264.5710.5050.4930.1630.48174.7700.5490.5370.1190.654表4各个溶液的计算结果 以lgD-D1D2-D作为纵轴，pH作为横轴作图，之后用最小二乘法进行线性拟合，可以得到如图1的结果，拟合的系数见表5图1实验点及其线性拟合数值标准差斜率0.8070.040截距-3.240.13表5图1拟合的参数结果取该直线y轴值为0，可计算得到此时的横轴截距为4.01，即为pKa的值，故测得的溴酚蓝的pKa的数值为4.01。'