甲基红离解平衡常数的测定

1、实验二 甲基红离解平衡常数的测定一、实验目的1. 学会用分光光度法测定溶液各组分浓度，并由此求出甲基红离解平衡常 数。2. 掌握可见分光光度计的原理和使用方法。二、实验原理1. 分光光度法 分光光度法是对物质进行定性分析、 结构分析和定量分析的一种手段， 而且 还能测定某些化合物的物化参数， 例如摩尔质量， 配合物的配合比和稳定常数以 及酸碱电力常数等。测定组分浓度的依据是朗伯 -比尔定律：一定浓度的稀溶液对于单色光的吸 收遵守下式I0lg I0klc(1)A 为吸光度， I/I0 为透光率 T ，k 为摩尔吸光系数（与溶液的性质有关） ，l 为溶液 的厚度， c 为溶液浓度。在分光光度分析中

2、， 将每一种单色光， 分别依次通过某一溶液， 测定溶液对 每一种光波的吸光度，以吸光度 A 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 1 所示。由图可以看出，对应于某一波长有一个最大的吸收峰，用这一波长 的入射光通过该溶液就有着 最佳的灵敏度。图 1 分光光度曲线从（1）式可以看出，对于 固定长度吸收槽，在对应最 大吸收峰的波长 （ 下）测定不同浓度 c 的吸光度，就可作出线性的 Ac 线，这就是光度法的定量分析的基以上讨论是对于单组分溶液的情况。 对含有两种以上组分的溶液， 情况就要 复杂一些：若两种被测定组分的吸收曲线彼此不相重合，这种情况很简单，就等于 分别测

3、定两种单组分溶液。两种被测定组分的吸收曲线相重合， 且遵守 Lambert-Beer 定律，则可在两 波长 1及 2时（1、2是两种组分单独存在时吸收曲线最大吸收峰波长 ）测定其总 吸光度，然后换算成被测定物质的浓度。根据 Beer-Lambert 定律，假定吸收槽的长度一定 （一般为 1cm），(3)(4)。此处 AA1、AA2、AB1、AB2分别代表在 1及2时组分 A和 B的吸光度 由(3)式可得：(5)将(5)式代入 (4)式得：(6)这些不同的 K 值均可由纯物质求得。也就是说，在各纯物质的最大吸收峰 的波长 1、2时，测定吸光度 A 和浓度 c 的相关，如果在该波长处符合朗伯 -比

4、 尔定律，那么 Ac 为直线，直线的斜率为 K 值。 是混合溶液在 1、2 时测得的总吸光度，因此根据 (5)、(6)式即可计算混合溶液中组分 A 和组分 B 的 浓度。甲基红溶液即为 中所述情况。 其他情况要比 更复杂一些，本实验暂不 作讨论。2. 甲基红离解平衡常数及 pK 的测定甲基红是一种弱酸型的染料指示剂， 具有酸(HMR )和碱(MR-)两种形式。 其分子式为：它在溶液中部分电离， 在碱性浴液中呈黄色， 酸性溶液中呈红色。 在酸性溶 液中它以两种离子形式存在：在波长 520nm处，甲基红酸式 HMR 对光有最大吸收， 碱式吸收较小； 在波 长 430nm 处，甲基红碱式 MR-对光

5、有最大吸收，酸式吸收较小。故依据 (5)、(6) 式，可得：MR- / HMR = (A 总430*KHMR 530- A 总520* KHMR 430 )/( A 总520* KMR- 430 - A总430 * KMR- 520)(7)由于 HMR 和 MR 两者在可见光谱范围内具有强的吸收峰， 溶液离子强度的 变化对它的酸离解平衡常数没有显着影响，而且在简单CH3COOH-CH3COONa缓冲体系中就很容易使颜色在 pH 46范围内改变，因此比值 MR-HMR 可 用分光光度法测定而求得。甲基红的电离常数令-lgK=pK ，则由（8）式可知，只要测定溶液中 MR -/HMR 及溶液的 p

6、H 值（用pH 计测得）， 即可求得甲基红的 pK 。3. 可见分光光度计的原理及使用方法 分光光度计的结构一般由五部分组成： 本实验使用的是 722N 型可见分光光度计。使用此仪器时应注意： 按照老师指导的仪器使用方法规范使用； 如果仪器发生故障，需报告指导教师，不能自行进行修理； 使用分光器前要预热仪器，使电压稳定；比色皿放入样品室前， 用镜头纸擦干比色皿外的的溶液， 切忌用手触碰比色 皿透光面。三、仪器和试剂1、仪器722型分光光度计， （HANNA instrument）pH211 Microprocessor pH meter，容 量瓶 100ml11个，烧杯 50ml3个，移液管

7、10ml2支，25ml2支，量筒 50ml1 个。2、试剂甲基红（A.R.），95%酒精，-1 HAc ，-1HCl，-1HCl， -1NaAc，-1NaAc。四、实验步骤1. 甲基红储备溶液的配制 用研钵将甲基红研细，称取 1g 甲基红固体溶解于 500ml95%酒精中。 甲基红储备溶液已配好，此步骤略去。2. 甲基红标准溶液的配制由公用滴定管放出 5ml 甲基红储备液于 100ml，用量筒加入 50ml 95%酒精 溶液，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。储备溶液呈深红色，稀释成标准溶液后颜色变浅。3. A溶液（纯酸式）和B 溶液（纯碱式）的配制A 溶液：取 10.00ml 甲基红标准溶液，加 1

8、0.00 0.1 mol.L-1HCl ，再加水稀释 至 100ml ，此时溶液 PH 大约为 2 ，故此时溶液的甲基红以 HMR 形式存在。B 溶液：取 10.00ml 甲基红标准溶液，加 25.00 0.04 mol.L-1NaAc，再加水稀 释至 100ml，此时溶液 PH 大约为 8，故此时溶液的甲基红以 MR-形式存在。A 溶液呈红色， B 溶液呈黄色。4. 最高吸收峰的测定（ 1） A 溶液的最高吸收峰取两个 1cm 比色皿，分别装入蒸馏水和 A 溶液，以蒸馏水为参比，从 420600nm波长之间每隔 20nm 测一次吸光度。在 500540之间每隔 10nm 测一次吸光度，以便精

9、确求出最高点之波长。（2）B 溶液的最高吸收峰取两个 1cm 比色皿，分别装入蒸馏水和 B 溶液，以蒸馏水为参比，从 410530nm波长之间每隔 20nm 测一次吸光度。在 410450之间每隔 10nm 测一 次吸光度，以便精确求出最高点之波长。操作分光光度计时应注意，每次更换波长都应重新在蒸馏水处调整 T 档为 100%，然后再切换到 A 档，测定溶液 A 值。5. 按下表分别配制不同浓度的溶液：不同浓度的以酸式为主的甲基红溶液的配制溶液编号A 溶液的体积百分比 含量A 溶液 /ml0.1 mol.L-1HCl / ml0#100%20.000.001#75%15.005.002#50%

10、10.0010.003#25%5.0015.00不同浓度的以碱式为主的甲基红溶液的配制溶液编号B 溶液的体积百分比 含量B 溶液 /ml-10.1 mol.L-1NaAc / ml0#100%20.000.004#75%15.005.005#50%10.0010.006#25%5.0015.00配制完后分别测得 7种溶液在 520nm及 430nm处的吸光度 A6.配制不同 pH 下的甲基红溶液 按照下表配制 4 种溶液溶液编 号标准溶液 / ml0.1 mol.L-1HCl / ml0.04 mol.L -1NaAc / ml7#10.005.0025.008#10.0010.0025.00

11、9#10.0025.0025.0010#10.0050.0025.00配制完后分别测得 4 种溶液在 520nm 及 430nm 处的吸光度 A 。5、6 步骤中在测量溶液的吸光度时，一个比色皿要使用多次，在更换溶液 时要清洗干净，再换装溶液。五、数据记录1. 纯酸式甲基红 HMR（A 溶液）和纯碱式甲基红 MR-（B 溶液）最高吸收 峰的测定测得的纯酸式甲基红 HMR（A 溶液）和纯碱式甲基红 MR-（B 溶液）在不同波长时的吸光度如下表：纯酸式甲基红 HMR （A 溶液）纯碱式甲基红 MR-（B 溶液） / nm吸光度 A / nm吸光度 A4200.0614100.3984400.138

12、4200.4114600.2964300.4154800.5514400.4125000.8354500.3995100.9474700.3265201.0084900.1925301.0005100.0785400.9635300.0355600.753-5800.251-6000.039-2.以酸式为主和以碱式为主的甲基红各溶液吸光度的测定将 0# 、0#、1#6#溶液在波长 520nm、430nm 下分别测定吸光度，以蒸馏水为参比溶液，数据记录在下表：溶液编号总A 520总A 4300#0.9920.0841#0.7660.0612#0.5100.0383#0.2600.0180#0.0

13、500.4214#0.0260.2955#0.0180.2076#0.0090.1013.不同MR - /HMR 值的甲基红溶液吸光度的测定将 7#10#溶液在波长 520nm、430nm 下分别测其吸光度， 以蒸馏水为参比溶溶液编号总A 520总A 4307#0.5830.2178#0.7240.1649#0.8560.11610#0.9170.100液，数据记录如下：4.甲基红溶液 PH 的测定用 PH 计分别测定上述 7#10# 溶液的 PH ，测得的 PH 如下： 溶液编号7#8#9#10#溶液编号7#8#9#10#PH4.674.333.893.58六、数据处理1.用五、 1中的数据

14、作出 A 溶液和 B溶液的 A图(1)纯酸式甲基红 HMR(A 溶液) A图如下，由图中读出其最大吸收波长 为 520nm(2)纯碱式甲基红 MR-(B 溶液) A 图如下，由图中读出其最大吸收波长为 430nm2.求 A 溶液和 B 溶液的摩尔消光系数 (1)各溶液浓度计算 #溶液 编号0#1#2#3#0#4#5#6#浓度3.713*2.785*1.856*0.928*3.713*2.785*1.856*0.928*mol/Le-5e-5e-5e-5e-5e-5e-5e-5(2)各溶液浓度与其吸光度曲线 将五、 2 中数据在 origin 中作图如下：拟合得各直线方程为A-520:Y = A

15、 + B * XA=0.019 B=0.26422 故摩尔消光系数 KHMR 520 =26422L/mol cmA-430:Y = A + B * XA = -0.005 B = 0.02381 故摩尔消光系数 KHMR430 =2381L/mol cmB-520:Y = A + B * XA = -0.007 B = 0.01412 故摩尔消光系数 KMR-520 =1412L/mol cmB-430:Y = A + B * XA = -0.006 B = 0.11293 故摩尔消光系数 KMR-430 =11293L/mol cm3. 甲基红溶液中 MR-/HMR 值的计算将 2 中计算

16、出的摩尔消光系数和五、 3 中的吸光度，代入式 (7) ，计算出7#,8#,9#,10#溶液中MR -/ HMR 之比。溶液编号7#8#9#10#MR -/ HMR 0.6920.3280.1080.0454.甲基红溶液离解平衡常数 K 的计算 将五、4中测得的 pH 和相应的 MR -/HMR 代入式(8)，计算出 7#,8#,9#,10# 溶液的 pK 值，取其平均值。溶液编号7#8#9#10#pK4.824.814.864.93计算得 pK 平均=4.86 即 K=1.3810-5 七、实验讨论1.实验中拟合计算 KMR-430 和 KMR-520 时，图中出现明显偏离线性关系的 点，分

17、析其原因可能是测量吸光度时没有用蒸馏水标定 100%，也有可能是比色 皿换装溶液时未洗净。另外，由于分光光度计的测量精度在0.001，所以吸光度越小，其相对误差越大，这也是配制 0#6#溶液未用蒸馏水稀释的原因。2. 常温下 pK 为 4.95 0.05，最后计算结果为 4.86，相对误差为： R=1.8%误差 产生的原因除 1 中原因外， 还有可能是溶液配制不标准， 也有可能是温度因素影 响，随着温度升高， K 值会增大， pK 会减小，所以实验过程应尽量保持恒温。3. 在使用精密 pH 计时要用标准的缓冲溶液标定。本次实验使用的是临苯二 甲酸氢钾， pH 为 4，以及饱和磷酸盐溶液， pH 为 6.89。pH 计在使用前，先要 打开静止 30min，使电压稳定。 使用前用标准液校正选择 CAL ，用上下箭头选定 所要标的 pH 区间，选定后按确定将玻璃电极用蒸馏水冲洗干净后用滤纸吸干， 然后插入到标定液中。然后进行上下限的标定。在每次测定溶液 pH 前，当润洗 玻璃电极 2-3 次，使用完毕后，为了保证玻璃电极的使用寿命，要将其置于充满 蒸馏水的套中。八、问答题1.为何要先测出最大吸收波长，然后在最大吸收峰处测定吸光度 答：因为在最大吸收峰处吸光系数 K 值较大，物质在含量上的微小变化将 引起较大的吸光