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实验六 分光光度法测溴酚蓝的电离平衡常数
王思雨 P中国科学技术大学生命科学院
摘要 本实验中我们通过使用722型分光光度计测量出了溴酚蓝(Bromphenalblue)的最大吸收波长，并了解了溶液浓度对?max的影响以及酸度对B.P.B的影响和用缓冲溶液调节溶液酸度的方法。
关键词 分光光度计 溴酚蓝 电离平衡常数
1．前言
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：
HA H++A－
其平衡常数为： (6－2)
溶液的颜色是由显色物质HA与A－引起的，其变色范围PH在3.1～4.6之间，当PH?3.1时，溶液的颜色主要由HA引起的，呈黄色；在PH≥4.6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。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。令A－在显色物质中所占的分数为X，则HA所占的摩尔分数为1－X，所以
(6－3)
或者写成： (6－4)
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，则有：
D=(1－X)D1+XD2
推出：
代入（4）式中得：
(6－5)
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。
2.实验部分
仪器与试剂
药品：
5×10-5mol·dm-3的溴酚蓝溶液 0.1483mol·dm-3的HCl溶液
1 mol·dm-3的HCl溶液 0.1 mol·dm-3NaOH溶液
0.2 mol·dm-3NaOH溶液 0.1 mol·dm-3邻苯二甲酸氢钾溶液
仪器：
722型分光光度计(上海第三分析仪器厂) 1台
银河CS501恒温槽（中国重庆银河试验仪器有限公司） 1台
inoLab 740 PH计（WTW） 1台
10mL移液管 3支
25移液管 1支
50mL移液管 1支
100mL容量瓶 7个
实验过程
1、打开超级恒温水浴使之恒温在25℃，打开分光光度计，预热仪器，同时掀开样品室盖。
2、确定溶液的最大吸收波长。
（1）用10mL移液管准确移取5×10-5 mol·dm-3的B.P.B溶液20mL，置于一个洗干净的100mL的容量瓶中，并用50ml的移液管准确加入50mL0.1 mol·dm-3的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液，加H2O稀释到刻度，得1.0×10-5 mol·dm-3的B.P.B溶液。
（2）取１cm厚度的比色皿两只，分别用H2O，1.0×10-5 mol·dm-3的B.P.B溶液洗净，再分别装入2/3体积的H2O，1.0×10-5 mol·dm-3的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，用蒸馏水作空白溶液，用以校正仪器。放在靠内的一个槽内便于测量。
（3）开启仪器，测出最大的吸收光波长。
3、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 5×10-5 mol·dm-3的B.P.B溶液，再分别加入50mlL0.1 mol·dm-3邻苯二甲酸氢钾溶液。加入的HCl和NaOH的量以书中表为准（注意在不同浓度下对酸碱体积的转换），再加稀释至刻度。可分别得到不同PH值下的B.P.B溶液。
4、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?max处，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。
（2）取两只100mL容量瓶，分别加入20mL5×10-5 mol·dm-3的B.P.B溶液。在另一支容量瓶中加入50mL0.2 mol·dm-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 mol·dm-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。
3．结果与讨论
实验结果：
PKa =4.055，Ka =8.82 ,相对误差为1.10%
实验是应从浓度低的开始测量，我在测量中先测了4号，然后依次为3,2,1号。之后是5号，然后依次6,7号。
结果分析：
本次实验的误差较大，这是实验的严密性以及仪器的精密性所决定的，误差有如下主要来源：
1、在测量溶液吸光度时，读数会有较小的波动（一般不大于0.001），这是仪器的精确度所限制的，因为仪器所发出的单色光会随电源电流的波动而有微小变化。PH计使用时并不在恒温槽内，与分光仪的温度有一定差别，但是因为当天的气温较高，使得恒温槽内温度与室温相同，故造成的误差应当比较小。
2、人为误差主要体现在移取溶液，清洗润洗各种仪器上，这些可以通过熟能生巧和认真对待实验操作等方法减小误差。
3、因为pH计的测定时间较长，使得药剂不能做到现配现用，造成一定误差，不过对实验的影响应该不大。
4、pH计校准时精度不够，也会带来一定（较大）的误差。
5、在使用PH计时发现PH计上读数是不断变化的，我认为这是由于PH计极其灵敏（PH值后精确到第三位），而测量的体系并不是密闭的，因此由于酸的挥发以及碱与空气中二氧化碳相互作用引起PH的持续变化。而且书中在极酸极碱的PH值测定时也强调指出应迅速测量，也可证明这个观点。所以测量时应该在PH计读数刚开始发生反复时进行。
参考文献
崔献英 柯燕雄 单绍纯 物理化学实验 中国科学技术大学出版社 2000
武汉大学编 分析化学（第五版） 高等教育出版社
Spectrophotometric Determination of BPB ionization equilibrium constants
Wang Siyu PDepartment of life science, University of Science & Technology of China
Abstract In this experiment we measured the maximum absorption wavelength of BPB (Bromphenalblue) by the use of 722-spectrophotometer We studied the effect on the maximum absorption wavelength made by the solution concentration and the impact on the B.P.B by the acidity and also get the knowledge of the way to use buffer solution to regulate the acid.
Key words Spectrophotometer Bromphenalblue Ionization equilibrium constants
实验处理附件
（一）数据记录
恒温槽温度 初温：27.41℃； 末温：27.39℃；
极酸和极碱情况下溶液的吸光度 D1：-0.0185； D2：0.685；最大吸收波长?max：592.10nm；
不同PH值时B.P.B溶液的吸光度：
溶液PH：
2.974
3.260
3.538
3.755
4.173
4.420
4.614
吸光度D
0.042
0.083
0.133
0.194
0.347
0.421
0.473
吸光度D’：
0.042
0.087
0.134
0.195
0.348
0.423
0.471
平均值
0.042
0.085
0.1335
0.1945
0．3475
0.422
0.472
（二）数据处理
溶液PH：
2.974
3.260
3.538
3.755
4.173
4.420
4.614
吸光度D：
0.042
0.085
0.1335
0.1945
0．3475
0.422
0.472
lg(D-D1)/(D2-D)
-1.38213
-0.8961
-0.616
-0.3715
0.10055
0.33517
0.52145
以对PH作图， X轴的截距为PKa，读数、计算Ka值：（在Origin中处理数据的过程在本文件夹的OPJ文件里）
BPB溶液的--PH图象
从图中可以读得X轴的截距为4.645，由知这个值就是PKa，故PKa =4.645，Ka =2.3 。查资料得到BPB电离平衡常数标准值为PKa=4.10，所以误差为（4.645-4.10）/4.10=13.3%