分光光度法測溴酚藍的電離平衡常數摘要：溴酚藍〔BPB〕是一種酸堿指示劑，本身帶有顏色且在有機溶劑里電離度很小，所以一般的化學分析法或其他物理化學方法很難測定其電離平衡常數。然而用分光光度法可以在蒸餾水的參照下測出BPB的最大吸收波長，繼而測出在最大吸收波長下對不同濃度的BPB溶液的吸收，從而求算出溴酚藍的電離平衡常數。關鍵詞：溴酚藍；電離平衡常數；分光光度計MeasurementoftheIonizationEquilibriumConstantofBromophenolBluebySpectrophotometricMethodAbstract:BPBcanindicatewhetheramaterialisanacidoralkali.Sinceithasabrightcoloritselfandalowionizationinorganicsolvent,generalchemicalanalysis,aswellassomeotherphysicalmethodscomeacrossalotofdifficultiesinthedeterminationoftheionizationconstant.However,withaspectrophotometerandanionicanalyzer,wecandeterminatethefurthestabsorbingwavelengthofBPBwiththehelpofblankcorrectiveliquorofdistilledwater.ThenaseriesofdifferentcopiesofliquorofBPBwithdifferentacidityshouldbepreparedandtheirabsorbencyshouldbemeasuredbythespectrophotometer.Atlast,wecancomputetheionizationconstantofBPBthroughthosedata.Keywords:Bromphenelblue;ionizationequilibriumconstant;spectrophotometer前言具有極性共價鍵的弱電解質溶于水時，其分子可以微弱電離出離子；同時，溶液中的相應離子也可以結合成分子，當兩者的反響速率相等時，溶液便到達了電離平衡。此時，溶液中電解質分子的濃度與離子的濃度分別處于相對穩定狀態，到達動態平衡。弱電解質在一定條件下電離到達平衡時，溶液中電離所生成的各種離子活度其在化學方程式中的計量為冪的乘積，跟溶液中未電離分子的活度以其在化學方程式中的計量為冪的乘積的比值一個常數，叫做該弱電解質的電離平衡常數。這個常數叫電離平衡常數，簡稱電離常數。測量弱電解質電離平衡常數的方法有很多，例如：滴定法、電化學法、物理方法等。本實驗中我們使用紫外—可見分光光度法，它屬于物理方法的一種，即通過測定不同pH下溴酚藍溶液在最大吸收波長處的吸光度，利用吸光度與離子濃度的關系計算出溴酚藍的電離平衡常數實驗局部實驗目的掌握一種測定酸堿指示劑電離平衡常數的方法。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(Bromphenalblue)的最大吸收波長，了解溶液濃度對max的影響。了解酸度對的影響，學會用緩沖溶液調節溶液酸度的方法。實驗原理根據貝爾—郎比定律，溶液對于單色光的吸收，遵守以下關系式：(6－1)式中，D－消光〔或光密度〕；I/I0－透光率；K－摩爾消光系數，它是溶液的特性常數；l－被測溶液的厚度〔即吸收槽的長度〕；C－溶液濃度。圖6-1分光光度曲線以消光〔D〕對波長〔〕作圖，就可以得到該物質的分光光度曲線，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正確的靈敏度。本實驗用分光光度法測定弱電解質溴酚藍的電離平衡常數。溴酚藍是一種酸堿指示劑，本身帶有顏色且在有機溶劑中電離度很小，所以用一般的化學分析法或其他物理化學方法很難測定其電離平衡常數。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，從而求算溴酚藍的電離平衡常數。溴酚藍在有機溶劑中存在著以下的電離平衡：HA?H++A－其平衡常數為：Ka(6－2)溶液的顏色是由顯色物質HA與A－引起的，其變色范圍PH在3.1～4.6之間，當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，呈藍色。實驗證明，對藍色產生最大吸收的單色光的波長對黃色不產生吸收，在其最大吸收波長時黃色消光為0或很小。用對A－產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－在顯色物質中所占的分數為X，那么HA所占的摩爾分數為1－X，所以(6－3)或者寫成：(6－4)根據上式可知，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。得到：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作圖應為一直線，由其在橫軸上的截距可求出PKa，從而可得該物質的電離平衡常數。本實驗的PH值通過溶液配制而得。實驗儀器與試劑儀器及藥品名稱生產廠家規格數量HK-2A超級恒溫水浴南京南大萬和科技/1TU-1901雙光束紫外可見分光光度計北京普析通用儀器有限責任公司/1T3WS-P便攜式水質快速檢測儀北京普析通用儀器有限責任公司/1Terminal740型pH計德國WTW/1吸量管/10mL2移液管/20mL2移液管/50mL1量筒/25mL1容量瓶/100mL7比色皿//2洗耳球//1溴酚藍溶液/5×10-5mol·dm-3/HCl溶液/1mol·dm-3/HCl溶液/0.1mol·dm-3/NaOH溶液/0.2mol·dm-3/NaOH溶液/0.1mol·dm-3/鄰苯二甲酸氫鉀溶液表1表1.實驗儀器及藥品0.1mol·dm-3/實驗步驟1.翻開超級恒溫水浴使之恒溫在25.00℃，翻開分光光度計、便攜式水質測試儀、pH計，預熱儀器，翻開電腦設置軟件掃描范圍為360~700nm，間隔為0.5nm。2.對pH計進行三點校零，用蒸餾水對便攜式水質測試儀、雙光束紫外可見分光光度計進行基線校準，并完成相關設置。3.確定溶液的最大吸收波長〔實驗中略過此步驟〕取1cm厚度的比色皿兩只，均用去離子水洗凈，裝入2/3體積的去離子水，把比色皿兩光面擦干，正確插入光度計恒溫比色槽中，點擊“基線〞進行基線校正，觀察數據未與0偏離過多方可繼續實驗。認真閱讀書后附錄，了解分光光度計的使用和操作及考前須知。4.各個不同酸度的溴酚藍溶液配置。取7只100mL的干凈容量瓶，分別參加20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液，再分別參加50mlL0.1mol·dm-3鄰苯二甲酸氫鉀溶液。參加的HCl和NaOH的量以表2為準，再加稀釋至刻度。可分別得到不同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〕1～3.216.00mL5～4.23.00mL2～3.410.00mL6～4.47.00mL3～3.66.00mL7～4.611.00mL4～3.83.00mL表2.溶液配制濃度參考將配置好的溶液分別倒入相應的比色管中，放入恒溫槽中恒溫。5.不同酸度下，溴酚藍溶液pH值的測定。將上述七種不同酸度的溴酚藍溶液用酸度計測量相應的pH值。6.不同酸度下，溴酚藍溶液吸光度D的測定。①將樣品池外側的比色皿取出，使用待測溶液潤洗假設干次后倒入2/3體積的待測溶液，對其進行全譜掃描，測量過程中注意溶液恒溫。對其余待測溶液進行相同測量。②將便攜式水質快速檢測儀的探頭深入各溶液中，進行測量，得到其吸收光譜圖。7.極酸極堿溶液的測量。取兩只100mL容量瓶，分別參加20mL5×10-5mol·dm-3的B.P.B溶液。在一支容量瓶中參加50mL0.2mol·dm-3的NaOH溶液稀釋到刻度，得B.P.B的極堿溶液，在另一支容量瓶中參加1mol·dm-3的HCl溶液10mL，稀釋至刻度，得B.P.B的極酸溶液。用兩種分光光度計迅速測量極酸溶液、極堿溶液的吸光度D1和D2，測量結果應說明，極酸時溶液呈黃色，在max情況下，測得的吸光度為0。考前須知在不測量時，應將暗室蓋子翻開，以延長光電管壽命。使用比色皿時，禁止用手觸摸光面玻璃。pH計校正采用三點校正，更換測量溶液后要清洗并擦干電極。注意清洗并擦干比色皿透光面或光纖探頭。極酸、極堿樣品配好后盡快測量。數據處理方法1、根據公式計算的值。2、以對PH作圖，得截距為PKa，計算Ka值。實驗數據記錄與處理詳見“附錄〞。實驗結果及討論實驗結果實驗使用雙光束紫外可見分光光度計和便攜式水質檢測儀分別測量，所獲得的1~7號溶液分光光度曲線、極酸極堿分光光度曲線見圖2和圖3〔原始數據及數據處理見附文〕。圖2所有樣品D-λ曲線〔雙光束紫外可見分光光度計〕圖3所有樣品圖3所有樣品D-λ曲線〔便攜式水質檢測儀〕由分光光度曲線可知，堿態下，A－的最大吸收波長λmax=591nm，酸態下，HA的最大吸收波長在λmax=438.5nm。D1=-0.001，D2=0.662。〔雙光束紫外可見分光光度計〕A－的最大吸收波長λmax=590.6nm，HA的最大吸收波長在λmax=437.8nm。D1=-0.012，D2=0.616。〔便攜式水質檢測儀〕計算lg[(D-D1)/(D2-D)]結果，并作lg[(D-D1)/(D2-D)]-pH擬合直線圖，可算出pKa、Ka，結果見表3。標準值〔20℃，I=0〕pKa=4.10，Ka=7.94×10-5。方法pKa相對誤差〔%〕Ka相對誤差〔%〕雙光束紫外分光3.8635.81.37*10-472便攜式水質檢測3.8236.81.50*10-489表3.pKa、Ka計算結果結果分析吸收曲線分析：根據不同pH的吸收曲線形狀可知，溴酚藍酸式形式與堿式形式在對方最大吸收波長處吸收很小，幾乎為0，可以近似認為完全不相互干擾。同時，酸式形式與堿式形式各自符合Lambert-Beer定律，故此實驗理論前提成立。從圖像中看出，所以的曲線在500nm附近相交于一點，在該波長下，吸光度與溶液的pH無關。說明在此波長下，酸型和堿型組分有相等的吸收系數。作lg[(D-D1)/(D2-D)]-pH擬合直線圖，發現線性程度較好，同時，擬合直線的斜率非常接近1，說明實驗操作的精確性很高，故可用此方法測量溴酚藍的電離平衡常數。另外，從便攜式水質檢測儀的吸收曲線中可以明顯看到在低波長處，曲線波動較大，而從便攜式水質檢測儀的吸收曲線的基線可以看到，基線在波長較小處影響較大，可能因此導致曲線波動較大。圖4圖4便攜式水質檢測儀吸收曲線的基線PKa計算結果分析從結果看，本實驗中計算的pKa與標準值誤差較小，而Ka與標準值誤差較大，從數學形式上可以理解，冪指數微小的誤差可能會被放大。從雙光束紫外分光儀和便攜式水質檢測儀的數據結果上來看，雙光束紫外分光儀的準確度要高于便攜式水質檢測儀，但是，便攜式水質檢測儀具有速度快，體積小等優點。我們還可以用解方程組的方法來計算溴酚藍的電離常數：DA、DB分別為在HA和A-的最大吸收波長λA和λB處所測得的總的光密度。aA,HA和aA,A-分別為在波長λA和λB下的摩爾吸光系數。各物質的摩爾吸光系數值可由作圖法求得，從而求出[A-]與[HA]的相對量，再測得溶液pH值最后求出pKa值假設比色皿厚度相同，那么：誤差分析實驗中以濃度代替活度，由于實驗中涉及到有機共軛體系，難以用活度系數的經驗值進行校正，從而可能存在一定誤差。朗伯-比爾定律只適用于濃度較低的體系，對于濃度較高的情況，該定律有少許偏差，導致測量的D不與濃度呈正比，引起誤差。但對此實驗影響不大。引起實驗產生較大誤差的原因可能該是pH值的測定的誤差較大，從實驗結果來看，由pKa的相對誤差只有3%~4%，而轉換成Ka計算相對誤差時，相對誤差卻有40%~50%，因為轉變時是10的冪指數的變化，導致相對誤差的大小變化非常大，pH和pKa一樣轉變時會產生較大的誤差，所以pKa的誤差主要來自于pH值的測定。實驗中我們發現，把pH計的探頭插入溶液中后，pH計的示數很難穩定下來，有可能是pH計的靈敏度較高，也可能是由于恒溫槽的控溫溫度有一定的波動，且pH計探頭插入體系后需要一定時間讀數才能穩定，這段時間會與體系有一定的熱量交換，導致溫度不容易穩定，從而造成誤差，而且如果溫度不是25.00℃的話，與標準值也存在著誤差。從原始數據上可以看出在測量基線時，測量值并非一直為0，存在著略微上下波動的狀況，這可能與儀器本身的波動有關，測量其他溶液時，也可能有類似誤差。在選擇測量間隔時，雙光束紫外分光儀我們選擇的是0.5nm，而便攜式水質快速檢測儀我們選擇的是0.1nm，從數據中可以看出二者測量的最大吸收波長有略微的偏移，故掃描精度對實驗有一定的誤差，理論上，選取的間隔越小，誤差越小，但測量時間會變長。比擬雙光束紫外分光儀和便攜式水質快速檢測儀的掃描光譜可以看出，雙光束的曲線非常平滑，而便攜式的曲線是有一定的鋸齒狀的，從基線的角度來看，便攜式的基線也要比雙光束的波動大，并且假設將探頭的深度角度改變，曲線也會有略微的變化。主要原因是，便攜式水質快速檢測儀檢測的溶液的探頭都完全暴露在外界中，檢測的時候受到其他因素，如光、空氣、其他溶液等的影響，故誤差較大。在清洗探頭后，探頭上的水很難完全擦干凈，可能會有一定殘留，影響待測液的濃度，導致測量出現誤差。極酸極堿溶液并非絕對意義上的極酸極堿，只是采用高濃度的鹽酸和氫氧化鈉溶液參加體系配制而成，可能極酸溶液中仍有少量A-，極堿溶液中仍有少量HA，那么理論推導公式不符合實際情況，引起誤差。電離反響要到達理論上的平衡需要一段時間，但在測定中，水浴時間為20分鐘左右就看始測量，極酸、極堿在恒溫5~10分鐘后就開始測量，所以，溴酚藍堿型可能有一定程度偏離理論濃度，從而造成實驗誤差。在測量極堿溶液時，溶液暴露在空氣中會吸收空氣中的CO2，使得堿性減弱，因此我們測得的吸光度會隨時間的推移而逐漸減小，雖然實驗中較快的測定了極堿溶液的吸光度，防止了溶液與空氣過長時間的接觸，但仍會有少量CO2溶于溶液中，造成吸光度的減小，從而產生誤差。實驗總結由于本次實驗使用了精密儀器，如pH計、雙光束紫外分光光度計、便攜式水質快速檢測儀。本實驗操作較為簡單，重復性工作量大大減少。本次實驗學習了分光光度法測量溴酚藍電離常數的方法，即通過測定不同pH下溴酚藍溶液在最大吸收波長處的吸光度，再利用吸光度與溶液pH的關系計算出溴酚藍的電離平衡常數。這種方法也可以推廣到其他指示劑的電離常數的測量上。雖然在pKa的測量上較為準確，但在Ka的測量上還存在一定誤差。由于只能查到20℃的pKa值，故可以選擇在20度條件下進行實驗。心得與體會通過這次實驗，我了解了測定電離常數的一些方法。分光光度法測定電離常數具有操作簡便的特點。由于物質本身的特性以及實驗條件的限制，會有一定的誤差，但對于大致估計電離常數范圍還是很好的一種方法，有一定的實用價值。參考文獻[1]分光光度法測溴酚藍的電離平衡常數〔講義〕.中國科學技術大學化學與材料科學學院實驗中心[2]《定量化學分析》李龍泉等合肥中國科學技術大學出版社2007[3]CRCHandbookofChemistryandPhysics90thEdition2023[4]物理化學〔第五版〕上冊.傅獻彩,沈文霞,姚天揚,侯文華.高等教育出版社,2023,064(7):34-39[5]王敏.分析化學手冊〔第三版〕.2.化學分析.北京:化學工業出版社,2023:673.附錄實驗條件恒溫槽顯示溫度：實驗前：25.00℃實驗后：25.00℃原始數據吸光度數據已上傳于ftp“實驗二原始數據〞文件夾PH數據編號1234567PH3.1503.4123.6103.8094.1744.3944.606附表1不同編號溶液的PH值數據處理雙光束紫外可見吸收光譜不同PH下D-λ曲線由極酸、極堿的D-λ曲線，可知極堿環境中，A－特征吸收峰在λ=591nm處，D=0.662；極酸環境中，HA特征吸收峰在λ=438.5nm處，D=0.214。考慮到儀器絕對誤差隨D大小變化不大，所以取極堿的數據進行后續處理，選取最大吸收波長λ=591nm，由極酸、極堿的D-λ曲線得到：D1=-0.001，D2=0.662。附圖1極酸樣品D-λ曲線附圖2極堿樣品D-λ曲線附圖31號樣品D-λ曲線附圖42號樣品D-λ曲線附圖53號樣品附圖53號樣品D-λ曲線附圖64號樣品D-λ曲線附圖75號樣品D-λ曲線附圖86號樣品D-λ曲線附圖97號樣品D-λ曲線附圖10所有樣品D-λ曲線附圖11基線附圖11基線由1—7號樣品的D-λ曲線易得，在591nm處，各樣品的吸光度：編號1234567吸光度0.1150.1720.2300.2890.4360.5150.570附表2各樣品吸光度Pka計算將所得數據整理，計算出編號PHDD-D1D2-Dlg[(D-D1)/(D2-D)]13.1500.1150.1160.547-0.6735323.4120.1720.1730.490-0.4521533.6100.2300.2310.432-0.2718743.8090.2890.2900.373-0.1093154.1740.4360.4370.2260.2863764.3940.5150.5160.1470.5453374.6060.5700.5710.0920.79285附表2各樣品的值作—pH圖，并擬合直線：附圖12擬合曲線附圖12擬合曲線得到擬合方程：y=1.00999x-3.90124由公式：得：PKa=3.90124/1.00999=3.863Ka=10-PKa=1.37×10-4理論值：PKa=4.10，Ka=7.94×10-5相對誤差：|(1.37×10-4-7.94×10-5)/7.94×10-5|=72%便攜式水質檢測儀吸收光譜不同PH下D-λ曲線附圖13基線由圖可知，基線在波長較小處影響較大，但在波長較大處影響較小，其中最大吸收波長λ=590.6nm處D=0.003。附圖14極酸樣品D-λ曲線附圖15極堿樣品D-λ曲線由極酸、