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分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数【摘要】 用紫外-可见分光光度计可以测量一部分物质的浓度，因此可以测定电离平衡常数。本实验先对溴酚蓝进行全谱扫描，确定最大吸收波长max=591.87nm，然后在该波长下测定不同pH溴酚蓝的吸光度，最后作吸光度-pH图得到截距，计算出Ka=3.4170.18910-4, T=28.00。【关键字】 分光光度法、溴酚蓝、电离平衡常数Measurement of Ionization Equilibrium Constant of Bromophenol Blue Using SpectrophotometryXinghao Zhou(Department of Materials Science & Engineering, USTC)Abstract: The concentration of some substances can be measured using ultraviolet-visible spectrophotometer, thus we can use it to measure the ionization equilibrium constant. In this experiment, the full spectrum of bromophenol blue is measured and so the maximum absorption wavelength is determined (max=591.87nm). The absorbance of bromophenol blue under different pH with max is measured, and a graph of absorbance pH is obtained. We calculate Ka from the intercept of the graph (Ka=3.4170.18910-4, T=28.00).Key Words: Spectrophotometry, Bromophenol Blue, Ionization Equilibrium Constant1. 引言： 紫外-可见分光光度法属吸光光度法。吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收来测定物质组分的分析方法。研究物质在紫外和可见光区的分子吸收光谱的分析方法称为紫外-可见分光光度法。紫外和可见吸收光谱主要产生于价电子在能级间的跃迁，所以它是研究物质电子光谱的分析方法1。紫外-可见分光光度法是一种重要的分析方法，不仅可以快速测定物质的浓度，还可以测定纳米粒子的等离子体基元共振吸收波长，还可以测定分子HOMO与LUMO能级差，掌握这种分析方法有着重要的实用意义。2. 实验部分 实验原理：波长为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（l）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： (61)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（l）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61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（l）下，测定不同浓度C的消光，就可以作出线性的DC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l1时，甲物质显著吸收而其他组分的吸收可以忽略；在波长l2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l1、l2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： 其平衡常数为： (62) 溶液的颜色是由显色物质HA与A引起的，其变色范围PH在3.14.6之间，当PH3.1时，溶液的颜色主要由HA引起的，呈黄色；在PH4.6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。A在显色物质中所占的分数为X，则HA所占的摩尔分数为1X，所以Ka=X1-XH+ (63) 或者写成： (64) 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(1X)D1+XD2。X=D-D1D2-D1 代入（4）式中得： (65) 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。 仪器与药品： TV-1901 双光束紫外可见分光光度计 1台， HK-2A超级恒温水浴 南大应用物理研究所 1台，Dell OPTiPLZX 计算机 1台10mL移液管 3支， 25mL移液管 1支25mL量筒 1只， 50mL移液管 1支100mL容量瓶 7个 滴管若干 510-5moldm-3的溴酚蓝溶液， 0.1moldm-3的HCl溶液 1 moldm-3的HCl溶液 0.1 moldm-3NaOH溶液0.2 moldm-3NaOH溶液 0.1 moldm-3邻苯二甲酸氢钾溶液 实验步骤： 1、打开超级恒温水浴使之恒温在28.00，打开计算机，打开分光光度计，预热仪器，同时掀开样品室盖。2、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20mL 510-5 moldm-3的B.P.B溶液，再分别加入50mlL0.1 moldm-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（0.1 moldm-3HCl）溶液号PH值X1（0.1 moldm-3NaOH）13.216.00mL54.23.00mL23.410.00mL64.47.00mL33.66.00mL74.611.00mL43.83.00mL配完溶液放入恒温槽恒温。 3、确定溶液的最大吸收波长。（1） 打开分光光度计软件，选择扫谱模式，调整参数。设置扫谱范围为630480nm，扫描速度快，间隔为1.0nm。（2） 取cm厚度的比色皿两只，都用H2O洗净，再都装入2/3体积的H2O，把比色皿两光面擦干，正确插入光度计恒温比色槽中，关好分光光度计盖子，测量基线。（3） 取出靠外的比色皿，用1号B.P.B溶液洗净，再装入2/3体积1号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，点扫谱按钮，得到1号溶液吸光度随波长的变化曲线。（4） 对2到7号B.P.B溶液重复（3）的测量。（5） 从曲线图读出B.P.B溶液的最大吸收波长lmax。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lmax处，先用两个盛蒸馏水的比色皿校零，然后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lmax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20mL510-5 moldm-3的B.P.B溶液。在一支容量瓶中加入50mL0.2 moldm-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1 moldm-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lmax情况下，测得的吸光度为0。 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。三、 结果与讨论详细过程见实验数据记录与处理部分1. 最大吸收波长max测量：用origin作7种溶液的吸收光谱扫描图：图6-2 7种溶液的吸光度-扫描波长图在8个曲线任取3个重复测量：实验序号123平均max/nm591.62592.12591.87591.872. 经列表计算，再用origin作图：（表格见数据处理部分）图6-3 lgD-D1D2-D对溶液pH图线性拟合相关系数：0.99987截距-pKa=-3.4670.024pKa=3.4670.024 Ka=(3.2283.606)10-4 取一个中间值，即Ka=(3.4170.189)10-4 T=28.00对上面的实验结果的讨论：1. 见图6-2，从1号溶液到7号溶液，酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强，酸根阴离子A-浓度增加，酸分子HA浓度逐渐减小。浓度越大，吸收也越强，所以吸收逐渐增强的峰位就对应A-，由此可知略低于600nm的峰位就对应A-，然后只要用软件读出具体的max即可。虽然HA的峰位没有扫到，但是也可以隐约看出随着碱性的增强，HA的峰强减弱。2. 可以看到图6-2的7个峰位是一样的，这是理所当然的，因为物质本性不会随浓度的变化而变化，物质的最大吸收波长是一定的。3. 从图6-3可以看出lgD-D1D2-D与pH呈很强的线性关系，相关系数R=0.99987，说明实验结果与理论符合得很好。四、误差分析：1. 实验时将恒温槽设定在28.00，要把配好的溶液放入恒温槽恒温一段时间。在将溶液从容量瓶中拿出来放入比色皿后，溶液温度可能会发生改变。因为酸的pKa是与温度有关系的，这里可能会造成误差2. 测定溶液的pH时，由于缓冲溶液的问题，pH很难稳定下来，测定时在不断地下降，这里也造成了一定误差，虽然误差较小。3. 在测定极酸溶液时，发现吸光度为-0.002，是负数。虽然该负数很小，但是说明仪器没有完全调零，这里也会造成一定的误差，但是误差很小。五、对实验的体会和认识1. 由于使用了比722型分光光度计更为先进的TV-1901 双光束紫外可见