Спектрофотометрическое определение констант тимолового синего

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа

«Спектрофотометрическое определение констант тимолового синего»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск

2015

 

 

 

 

 

 

Спектрофотометрия

Физико-химический метод исследования растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200—400 нм), видимой (400—760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии, — зависимость интенсивности поглощения (как правило измеряется оптическая плотность - логарифм светопропускания т.к. она зависит линейно от концентрации вещества) падающего света от длины волны. Спектрофотометрия широко применяется при изучении строения и состава различных соединений (комплексов, красителей, аналитических реагентов и др.), для качественного и количественного определения веществ (определения следов элементов в металлах, сплавах, технических объектах).

Сущность метода

В анализе широко используется группа сульфофталеиновых индикаторов.

Исходным соединением этой группы является феноловый красный (фенолсульфофталеин). Введение заместителей в различные  положения данных индикаторов изменяет протолитическое и другие их свойства. Структурные изменения, приводящие к изменению окраски, можно показать на примере тимолового синего:

 

 

Особенностью тимолового синего (ТС) является смещение протолитических равновесий в щелочную область, что дает возможность изучать ионизацию обеих кислотных групп. Первый переход окраски ТС (из красной в желтую) проявляется в интервале рН 1,2 ÷ 2,8, а второй (из желтой в синюю) в интервале рН 8,0 ÷ 9,6. Максимумы поглощения индивидуальных форм индикатора (Н2А±, НА–,А2–) находятся соответственно при 550, 430 и 600 нм. Одним из наиболее популярных и универсальных методов определения рКа является спектрофотометрический, т.к. он дает возможность работать с миллиграммовыми навесками вещества и позволяет исследовать слабые протолиты. При спектрофотометрическом определении рКа обычно предполагают, что величины рН известны (например, из потенциометрических измерений), и собственно задачей метода является нахождение концентраций СА и СНА (для одноосновных кислот). Снимают спектры исследуемого вещества в ряде буферных растворов с различными значениями рН при постоянной ионной силе, постоянной толщине кюветы и постоянной суммарной концентрации НА и А.Зависимость оптической плотности от рН А = f(рН) является монотонной и имеет одну точку перегиба при рН1/2 = рКа. Когда рН отличается от рКа на 2 единицы, в растворе присутствует 99% (по массе) одной формы и 1% другой. Поэтому спектр вещества в любом растворе с рН ≥ рКа + 2 можно рассматривать как спектр ионизированной формы А, а спектр вещества в растворе с рН ≤ рКа – 2 как спектр неионизированной формы НА.В большинстве случаев спектрофотометрическое определение рКа выполняют в буферных растворах с концентрацией буфера 0,01÷0,10 М. Так как концентрация исследуемого вещества имеет порядок 10−4÷10−5 моль/л, то ионная сила практически полностью определяется составом буферного раствора.

 

Необходимые приборы и реактивы

Спектрофотометр либо фотоколориметр КФК-2 или КФК-2МП.

рН-метрмилливольтметр Мультитест ИПЛ-311(111).

Тимоловый синий, 0,04%−й раствор, готовят следующим образом: навеску индикатора массой 0,4000 г растворяют в небольшом количестве воды с добавлением нескольких капель 1 М раствора КОН (NaOH) до появления синей окраски, разбавляют водой в мерной колбе вместимостью 1 л и тщательно перемешивают.

Соляная кислота, 6 М раствор, готовят соответствующим разбавлением из концентрированной соляной кислоты (пл. 1,19).

Соляная кислота, 4 М и 2 М растворы, готовят соответствующим разбавлением из 6 М HCl.

Едкий натр или едкое кали, 4 М раствор, готовят, растворяя в воде соответствующую навеску NaOH или КОН.

Едкий натр или едкое кали, 2 М и 1 М растворы, готовят соответствующим разбавлением из 4 М раствора щелочи.

Соляная кислота и NaOH, 0,1 М растворы, используют после стандартизации.

Раствор цитрата натрия, 0,1 М, готовят следующим образом: 21,014 г лимонной кислоты в виде моногидрата растворяют в небольшом количестве воды с добавлением 200 мл 1 М раствора NaOH, доводят объем водой в мерной колбе емкостью 1 л.

Цитратные буферные растворы с рН от 1,2 до 6,4 (в соответствии с табл.1). Раствор тетрабората натрия, 0,05 М, готовят следующим образом: 12,367 г

борной кислоты Н3ВО3 растворяют в небольшом количестве воды с добавлением 100 мл 1 М раствора NaOH, доводят объем водой в мерной колбе емкостью 1 л.

Боратные буферные растворы с рН от 7,7 до 11,0 (в соответствии с табл. 2) . Рабочие растворы цитратных и боратных буферных растворов готовят в день употребления разбавлением в 10 раз (с 0,1 М до 0,01 М).

Примечание: Буферные растворы хорошо сохраняются в виде 0,1 М водных растворов. При употреблении их можно разбавлять до 0,01 М и устанавливать требуемые значения рН растворами КОН или HСl с концентрацией 1 М. Буферные растворы нельзя хранить в полиэтиленовой посуде, которая обычно выделяет оптически активный пластификатор.

 

		Цитратные буферные растворы			Таблица 1
рН (18оС)	VNaCit, 0,1 М,	VHCl, 0,1 M,	рН (18оС)	VNaCit, 0,1 М,	VHCl, 0,1 M,
	мл	мл		мл	мл
1,2	11,1	до 100 мл	3,0	40,3	до 100 мл
1,4	19,3	до 100 мл	4,0	56,0	до 100 мл
1,6	24,6	до 100 мл	рН (18оС)	VNaOH, 0,1 М,	VNaCit, 0,1
				мл	М, мл
1,8	28,2	до 100 мл	5,0	3,6	до 100 мл
2,0	30,6	до 100 мл	5,4	23,7	до 100 мл
2,2	32,6	до 100 мл	6,4	45,5	до 100 мл
		Боратные буферные растворы			Таблица 2
рН (18оС)	VNatВ, 0,1 М,	VHCl, 0,1 M,	рН (18оС)	VNaOH, 0,1 М,	VNatВ, 0,1 М,
	мл	мл		мл	мл
7,7	52,4	до 100 мл	9,6	26,8	до 100 мл
8,0	55,9	до 100 мл	10,0	41,0	до 100 мл
8,4	63,0	до 100 мл	11,0	50,0	до 100 мл
8,8	75,5	до 100 мл
9,2	98,1	до 100 мл

 

Ход определения

В мерную колбу вместимостью 25 мл поместили 1 мл раствора тимолового

синего, разбавили до метки соответствующим буферным раствором, тщательно

перемешали, перевели в колбу вместимостью 50 мл и измерили равновесные значения рН и оптической плотности, используя для измерения оптической плотности аналитические длины волн.

 

Оптимальной аналитической длиной волны выбрали ту, при которой максимально различаются молярные коэффициенты погашения двух кислотно-основных форм, являющихся сопряженной парой - соответственно Н2А± и НА+; НА+ и А2. Так, для определения рКа индикатора по первой ступени использовали 540 и 440 нм, а для определения рКа индикатора по второй ступени - 440 и 590 нм.

Полученные экспериментальные данные занесли в таблицу для каждой длинны волны отдельно.

 

Первая ступень, измерения при длине волны 440 нм 

Состояние	рН	А	|АН2А – А|	|А − АнА|	lgI	pKa = pH − lgI
АН2А	1,2	0,23		0,18
	1,4	0,25	0,02	0,16	-0,903	2,3
	1,6	0,29	0,06	0,12	-0,301	1,9
	1,8	0,32	0,09	0,09	0	1,8
	2,0	0,33	0,10	0,08	0,0970	1,9
	2,2	0,36	0,13	0,05	0,415	1,8
	3,0	0,38	0,15	0,03	0,699	2,3
	4,0	0,39	0,16	0,02	0,903	3,1
АНА	5,0	0,41	0,18
	5,4	0,40	0,17	0,01	1,230	4,2
	6,4	0,35	0,12	0,06	0,301	6,1

 

 

 

Первая ступень, измерения при длине волны 540 нм

 

Состояние	рН	А	|АН2А – А|	|А − АнА|	lgI	pKa = pH − lgI
АН2А	1,2	0,78		0,742
	1,4	0,62	0,16	0,582	-0,561	1,96
	1,6	0,55	0,23	0,512	-0,348	1,94
	1,8	0,47	0,31	0,432	-0,144	1,94
	2,0	0,35	0,43	0,312	0,139	1,86
	2,2	0,24	0,54	0,202	0,427	1,77
	3,0	0,16	0,62	0,122	0,706	2,29
	4,0	0,05	0,73	0,012	1,784	2,21
	5,0	0,045	0,735	0,007	2,021	2,97
	5,4	0,040	0,74	0,002	2,568	2,83
АНА	6,4	0,038	0,742

 

pKa = pH - lg |АН2А – А|/ |А − АнА|

 

 

 

 

Вторая ступень для дли волны 440 нм

 

Состояние	рН	А	|АНА – А|	|А − АА|	lgI	pKa = pH − lgI
АНА	7,7	0,360		0,285
	8,0	0,380	0,02	0,305	0,02	7,98
	8,4	0,330	0,03	0,255	0,03	8,37
	8,8	0,220	0,14	0,145	0,14	8,66
	9,2	0,200	0,16	0,125	0,16	9,04
	9,6	0,135	0,225	0,06	0,225	9,38
	10,0	0,110	0,25	0,035	0,25	9,75
	11,0	0,110	0,25	0,035	0,25	10,75
АА	12,0	0,075	0,285

 

 

 

 

 

Вторая ступень для длины волны 590 нм

 

Состояние	рН	А	|АНА – А|	|А − АА|	lgI	pKa = pH − lgI
АНА	7,7	0,095		0,605
	8,0	0,105	0,01	0,595	-1,775	9,78
	8,4	0,210	0,115	0,49	-0,629	9,03
	8,8	0,250	0,155	0,45	-0,462	9,26
	9,2	0,540	0,445	0,16	0,444	8,76
	9,6	0,650	0,555	0,05	1,045	8,56
	10,0	0,680	0,585	0,02	1,466	8,53
	11,0	0,685	0,59	0,015	1,595	9,41
АА	12,0	0,700	0,605