1、實驗二 甲基紅離解平衡常數的測定一、實驗目的1. 學會用分光光度法測定溶液各組分濃度，并由此求出甲基紅離解平衡常 數。2. 掌握可見分光光度計的原理和使用方法。二、實驗原理1. 分光光度法 分光光度法是對物質進行定性分析、 結構分析和定量分析的一種手段， 而且 還能測定某些化合物的物化參數， 例如摩爾質量， 配合物的配合比和穩定常數以 及酸堿電力常數等。測定組分濃度的依據是朗伯 -比爾定律：一定濃度的稀溶液對于單色光的吸 收遵守下式I0lg I0klc(1)A 為吸光度， I/I0 為透光率 T ，k 為摩爾吸光系數（與溶液的性質有關） ，l 為溶液 的厚度， c 為溶液濃度。在分光光度分析中

2、， 將每一種單色光， 分別依次通過某一溶液， 測定溶液對 每一種光波的吸光度，以吸光度 A 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 1 所示。由圖可以看出，對應于某一波長有一個最大的吸收峰，用這一波長 的入射光通過該溶液就有著 最佳的靈敏度。圖 1 分光光度曲線從（1）式可以看出，對于 固定長度吸收槽，在對應最 大吸收峰的波長 （ 下）測定不同濃度 c 的吸光度，就可作出線性的 Ac 線，這就是光度法的定量分析的基以上討論是對于單組分溶液的情況。 對含有兩種以上組分的溶液， 情況就要 復雜一些：若兩種被測定組分的吸收曲線彼此不相重合，這種情況很簡單，就等于 分別測

3、定兩種單組分溶液。兩種被測定組分的吸收曲線相重合， 且遵守 Lambert-Beer 定律，則可在兩 波長 1及 2時（1、2是兩種組分單獨存在時吸收曲線最大吸收峰波長 ）測定其總 吸光度，然后換算成被測定物質的濃度。根據 Beer-Lambert 定律，假定吸收槽的長度一定 （一般為 1cm），(3)(4)。此處 AA1、AA2、AB1、AB2分別代表在 1及2時組分 A和 B的吸光度 由(3)式可得：(5)將(5)式代入 (4)式得：(6)這些不同的 K 值均可由純物質求得。也就是說，在各純物質的最大吸收峰 的波長 1、2時，測定吸光度 A 和濃度 c 的相關，如果在該波長處符合朗伯 -比

4、 爾定律，那么 Ac 為直線，直線的斜率為 K 值。 是混合溶液在 1、2 時測得的總吸光度，因此根據 (5)、(6)式即可計算混合溶液中組分 A 和組分 B 的 濃度。甲基紅溶液即為 中所述情況。 其他情況要比 更復雜一些，本實驗暫不 作討論。2. 甲基紅離解平衡常數及 pK 的測定甲基紅是一種弱酸型的染料指示劑， 具有酸(HMR )和堿(MR-)兩種形式。 其分子式為：它在溶液中部分電離， 在堿性浴液中呈黃色， 酸性溶液中呈紅色。 在酸性溶 液中它以兩種離子形式存在：在波長 520nm處，甲基紅酸式 HMR 對光有最大吸收， 堿式吸收較小； 在波 長 430nm 處，甲基紅堿式 MR-對光

5、有最大吸收，酸式吸收較小。故依據 (5)、(6) 式，可得：MR- / HMR = (A 總430*KHMR 530- A 總520* KHMR 430 )/( A 總520* KMR- 430 - A總430 * KMR- 520)(7)由于 HMR 和 MR 兩者在可見光譜范圍內具有強的吸收峰， 溶液離子強度的 變化對它的酸離解平衡常數沒有顯著影響，而且在簡單CH3COOH-CH3COONa緩沖體系中就很容易使顏色在 pH 46范圍內改變，因此比值 MR-HMR 可 用分光光度法測定而求得。甲基紅的電離常數令-lgK=pK ，則由（8）式可知，只要測定溶液中 MR -/HMR 及溶液的 p

6、H 值（用pH 計測得）， 即可求得甲基紅的 pK 。3. 可見分光光度計的原理及使用方法 分光光度計的結構一般由五部分組成： 本實驗使用的是 722N 型可見分光光度計。使用此儀器時應注意： 按照老師指導的儀器使用方法規范使用； 如果儀器發生故障，需報告指導教師，不能自行進行修理； 使用分光器前要預熱儀器，使電壓穩定；比色皿放入樣品室前， 用鏡頭紙擦干比色皿外的的溶液， 切忌用手觸碰比色 皿透光面。三、儀器和試劑1、儀器722型分光光度計， （HANNA instrument）pH211 Microprocessor pH meter，容 量瓶 100ml11個，燒杯 50ml3個，移液管

7、10ml2支，25ml2支，量筒 50ml1 個。2、試劑甲基紅（A.R.），95%酒精，-1 HAc ，-1HCl，-1HCl， -1NaAc，-1NaAc。四、實驗步驟1. 甲基紅儲備溶液的配制 用研缽將甲基紅研細，稱取 1g 甲基紅固體溶解于 500ml95%酒精中。 甲基紅儲備溶液已配好，此步驟略去。2. 甲基紅標準溶液的配制由公用滴定管放出 5ml 甲基紅儲備液于 100ml，用量筒加入 50ml 95%酒精 溶液，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻。儲備溶液呈深紅色，稀釋成標準溶液后顏色變淺。3. A溶液（純酸式）和B 溶液（純堿式）的配制A 溶液：取 10.00ml 甲基紅標準溶液，加 1

8、0.00 0.1 mol.L-1HCl ，再加水稀釋 至 100ml ，此時溶液 PH 大約為 2 ，故此時溶液的甲基紅以 HMR 形式存在。B 溶液：取 10.00ml 甲基紅標準溶液，加 25.00 0.04 mol.L-1NaAc，再加水稀 釋至 100ml，此時溶液 PH 大約為 8，故此時溶液的甲基紅以 MR-形式存在。A 溶液呈紅色， B 溶液呈黃色。4. 最高吸收峰的測定（ 1） A 溶液的最高吸收峰取兩個 1cm 比色皿，分別裝入蒸餾水和 A 溶液，以蒸餾水為參比，從 420600nm波長之間每隔 20nm 測一次吸光度。在 500540之間每隔 10nm 測一次吸光度，以便精

9、確求出最高點之波長。（2）B 溶液的最高吸收峰取兩個 1cm 比色皿，分別裝入蒸餾水和 B 溶液，以蒸餾水為參比，從 410530nm波長之間每隔 20nm 測一次吸光度。在 410450之間每隔 10nm 測一 次吸光度，以便精確求出最高點之波長。操作分光光度計時應注意，每次更換波長都應重新在蒸餾水處調整 T 檔為 100%，然后再切換到 A 檔，測定溶液 A 值。5. 按下表分別配制不同濃度的溶液：不同濃度的以酸式為主的甲基紅溶液的配制溶液編號A 溶液的體積百分比 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不同濃度的以堿式為主的甲基紅溶液的配制溶液編號B 溶液的體積百分比 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配制完后分別測得 7種溶液在 520nm及 430nm處的吸光度 A6.配制不同 pH 下的甲基紅溶液 按照下表配制 4 種溶液溶液編 號標準溶液 / 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配制完后分別測得 4 種溶液在 520nm 及 430nm 處的吸光度 A 。5、6 步驟中在測量溶液的吸光度時，一個比色皿要使用多次，在更換溶液 時要清洗干凈，再換裝溶液。五、數據記錄1. 純酸式甲基紅 HMR（A 溶液）和純堿式甲基紅 MR-（B 溶液）最高吸收 峰的測定測得的純酸式甲基紅 HMR（A 溶液）和純堿式甲基紅 MR-（B 溶液）在不同波長時的吸光度如下表：純酸式甲基紅 HMR （A 溶液）純堿式甲基紅 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.以酸式為主和以堿式為主的甲基紅各溶液吸光度的測定將 0# 、0#、1#6#溶液在波長 520nm、430nm 下分別測定吸光度，以蒸餾水為參比溶液，數據記錄在下表：溶液編號總A 520總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 值的甲基紅溶液吸光度的測定將 7#10#溶液在波長 520nm、430nm 下分別測其吸光度， 以蒸餾水為參比溶溶液編號總A 520總A 4307#0.5830.2178#0.7240.1649#0.8560.11610#0.9170.100液，數據記錄如下：4.甲基紅溶液 PH 的測定用 PH 計分別測定上述 7#10# 溶液的 PH ，測得的 PH 如下： 溶液編號7#8#9#10#溶液編號7#8#9#10#PH4.674.333.893.58六、數據處理1.用五、 1中的數據

14、作出 A 溶液和 B溶液的 A圖(1)純酸式甲基紅 HMR(A 溶液) A圖如下，由圖中讀出其最大吸收波長 為 520nm(2)純堿式甲基紅 MR-(B 溶液) A 圖如下，由圖中讀出其最大吸收波長為 430nm2.求 A 溶液和 B 溶液的摩爾消光系數 (1)各溶液濃度計算 #溶液 編號0#1#2#3#0#4#5#6#濃度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)各溶液濃度與其吸光度曲線 將五、 2 中數據在 origin 中作圖如下：擬合得各直線方程為A-520:Y = A

15、 + B * XA=0.019 B=0.26422 故摩爾消光系數 KHMR 520 =26422L/mol cmA-430:Y = A + B * XA = -0.005 B = 0.02381 故摩爾消光系數 KHMR430 =2381L/mol cmB-520:Y = A + B * XA = -0.007 B = 0.01412 故摩爾消光系數 KMR-520 =1412L/mol cmB-430:Y = A + B * XA = -0.006 B = 0.11293 故摩爾消光系數 KMR-430 =11293L/mol cm3. 甲基紅溶液中 MR-/HMR 值的計算將 2 中計算

16、出的摩爾消光系數和五、 3 中的吸光度，代入式 (7) ，計算出7#,8#,9#,10#溶液中MR -/ HMR 之比。溶液編號7#8#9#10#MR -/ HMR 0.6920.3280.1080.0454.甲基紅溶液離解平衡常數 K 的計算 將五、4中測得的 pH 和相應的 MR -/HMR 代入式(8)，計算出 7#,8#,9#,10# 溶液的 pK 值，取其平均值。溶液編號7#8#9#10#pK4.824.814.864.93計算得 pK 平均=4.86 即 K=1.3810-5 七、實驗討論1.實驗中擬合計算 KMR-430 和 KMR-520 時，圖中出現明顯偏離線性關系的 點，分

17、析其原因可能是測量吸光度時沒有用蒸餾水標定 100%，也有可能是比色 皿換裝溶液時未洗凈。另外，由于分光光度計的測量精度在0.001，所以吸光度越小，其相對誤差越大，這也是配制 0#6#溶液未用蒸餾水稀釋的原因。2. 常溫下 pK 為 4.95 0.05，最后計算結果為 4.86，相對誤差為： R=1.8%誤差 產生的原因除 1 中原因外， 還有可能是溶液配制不標準， 也有可能是溫度因素影 響，隨著溫度升高， K 值會增大， pK 會減小，所以實驗過程應盡量保持恒溫。3. 在使用精密 pH 計時要用標準的緩沖溶液標定。本次實驗使用的是臨苯二 甲酸氫鉀， pH 為 4，以及飽和磷酸鹽溶液， pH 為 6.89。pH 計在使用前，先要 打開靜止 30min，使電壓穩定。 使用前用標準液校正選擇 CAL ，用上下箭頭選定 所要標的 pH 區間，選定后按確定將玻璃電極用蒸餾水沖洗干凈后用濾紙吸干， 然后插入到標定液中。然后進行上下限的標定。在每次測定溶液 pH 前，當潤洗 玻璃電極 2-3 次，使用完畢后，為了保證玻璃電極的使用壽命，要將其置于充滿 蒸餾水的套中。八、問答題1.為何要先測出最大吸收波長，然后在最大吸收峰處測定吸光度 答：因為在最大吸收峰處吸光系數 K 值較大，物質在含量上的微小變化將 引起較大的吸光