基于手持技术的双波长法测定甲基橙的电离平衡常数.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地实验教学基于手持技术的双波长法测定甲基橙的电离平衡常数郑海鹏,曾桂花,陈博3（1.韶关学院化学与土木工程学院2.广东省韶关市第一中学3.南通大学化学化工学院）摘要：利用手持技术设备中的色度传感器和pH传感器，设计了双波长法测定甲基橙的电离平衡常数的手持技术实验，通过拟合一次方程得出测定结果，结果较准确，误差较小，是一种可行的实验方法，不仅可以应用在中学的化学课外兴趣实验中，也能很好激发学生的探究兴趣，还丰富了手持技术的实验实践案例。关键词：手持技术；甲基橙；双波长法；电离平衡常数1引言酸碱指示剂大多是有机弱酸或有机弱碱，其酸式体和碱式体具有不同的颜色。当pH值发生改变时，指示剂因获得质子或失去质子发生结构变化，因而对光的吸收也发生变化，从而引起颜色的变化。对于一元弱酸或一元弱碱来说，溶液中弱电解质电离所生成的各种离子浓度的乘积，与溶液中未电离分子的浓度之比为电离平衡常数,对于酸碱指示剂,pK是衡量酸碱指示剂适用pH范围的重要参数 2 1。准确测定酸碱指示剂的pK。对化学教学、科研和工业生产具有重要地位。分光光度法是常见测定酸碱指示剂pK。的方法，具有灵H3N-NH-H3C红色（醌式，酸式色）若用HB表示甲基橙,则可以用(1)式表示甲基橙在水溶液中的电离：HB(红色)一H*+B(黄色)当甲基橙在溶液中达到电离平衡时，电离平衡常数K可以由(2)式计算。K,LH:B1HB两边取负对数，整理得(3)式：pH=lgg+pk.HB如图1 所示,当甲基橙在pH小于3.1 的溶液中时,以酸式体为主，当pH大于4.4 时，以碱式体为主。当甲基橙溶液敏度高和准确性高的特点。因此，笔者在中国知网查阅了相关文献后发现,方舟和钱扬义教授 3 利用手持技术中的色度计和pH传感器测定甲基橙的pKa，实验中使用透光率作为测定数据之一，并未说明光源是复合光白光或是某波长下的光。再者，甲基橙溶液的颜色为黄与红的复合色，仅用某波长下的光或白光作为光源测定透光率或吸光度，无法得到复合色中各自原色下的最灵敏和最大的吸光度。因此，该实验方法可以进一步完善。笔者参考了分光光度法测定酚酞pK。的数据处理方法 4 熊艳等人 5 利用双波长法测定溴百里酚酞pK，的实验方法，结合手持技术数字化实验设备中的pH传感器和色度传感器，设计了双波长分光光度法测定甲基橙的电离平衡常数的实验，分光光度法不仅具有灵敏度高和准确性高的特点，还具有明显的视觉吸引力，能够很好地引起学生的兴趣，可以作为中学生的课外探究实验。2实验原理和方法甲基橙是一种常见的一元有机弱酸，常常用作酸碱滴定的指示剂，甲基橙在pH小于3.1 时呈现红色，大于4.4 时呈现黄色，在3.1 4.4 之间呈现红色与黄色的混合色，即橙色，pK为3.4。甲基橙在水溶液中发生的电离反应如图1 所示。H3CSO3+HtH:C黄色（偶氮式，碱式色）图1 甲基橙的电离方程式处于橙色状态时，即红色与黄色的混合色。在适当的pH中，使甲基橙溶液呈现橙色，分别在酸式体（红色）和碱式体（黄(1)色）的最大吸收波长下测定橙色的甲基橙溶液的吸光度，可以测得橙色的甲基橙溶液中酸式体（红色)和碱式体（黄色）浓度，结合比尔定律，即当一束平行单色光通过有色溶液时，(2)溶液的吸光度A与吸光物质的浓度c成正比，可得到（4)和(5)式。AR=kRHB(3)AY=kvB其中，AR表示橙色溶液在酸式体（红色）最大吸收波长下的吸光度，AY表示橙色溶液在碱式体（黄色)最大吸收波长下-N=N-(4)(5)*通讯作者74第2 0 卷总第1 1 5 期的吸光度，kr和ky分别表示酸式体（红色）和碱式体（黄色）的吸光度公式比例系数。将(4)和(5)式代人(3)式可得(6)式。pH=lAx+pK.AkR当甲基橙处于酸式体(红色)时，其最大吸光度对应的波长入=5 2 0 nm，处于碱式体（黄色)时,其最大吸光度对应的波长入y=460nml31根据比尔定律，可以得到（7)和（8)式。AMB=ki/HBR其中，A表示甲基橙为酸式体(红色)时最大吸收波长下的吸光度，A，表示甲基橙为碱式体(黄色)最大吸收波长下的吸光度。在同一浓度的甲基橙溶液中，当甲基橙全部为酸式体（红色）与全部为碱式体（黄色)时，酸式体（红色）与碱式体(黄色)的浓度相同,可以得到(9)式。HB-B-将(7)和(8)式代人(9)式，得到(1 0)式,整理可得到(1 1)式。AHRYkRkykyAHBR将(1 1)式代入(6)式，可得(1 2)式,即为本实验的计算公式。ARABpH=lg+pKaAVAHB本实验利用手持技术数字化实验中的pH传感器和色度计，pH传感器测定溶液的pH，色度测定各类溶液指定波长下的吸光度。由于色度传感器只有4 3 0 nm470nm、5 6 5 n m和6 3 5 nm四个档位的波长，因此选择入y=470nm和入r=565nm作为测定波长。本实验只需要测量每一组橙色溶液的pH、入和入波长下的吸光度AR和AY，以及红色溶液在入波长下的吸光度A和黄色溶液在入y波长下的吸光度A，即ARAY可,以pH对 Ig-作图，截距即为pKaoBAAHR3实验仪器和药品3.1实验仪器威尼尔色度传感器、pH传感器、容量瓶（1 0 0 mL、2 5 0mL）量筒、烧杯、2 5 mL比色管。3.2实验药品1 mol/L HCl、1 m o l/L Na O H、0.1 m o l L-1 HAc 溶液、0.1molL-INaAc溶液、1%甲基橙指示剂。75中学理科园地4实验步骤4.1基本溶液的配制(1)0.1molL-HAc溶液的配制。取3 6%HAc4.0mL定(6)容在2 5 0 mL容量瓶。(2)0.1molL-NaAc溶液的配制。在电子天平上称取无水NaAc固体0.8 2 g溶解、并定容在1 0 0 mL容量瓶中。(3)1 molL-I HCl 的配制。取浓HCl 8.3mL定容在1 0 0mL容量瓶中。(7)(4)1 molL-1 NaOH的配制。在分析天平上称取 NaOH固体约4.0 0 g溶解、并定容在1 0 0 mL容量瓶中。(8)4.2甲基橙溶液的配制（1）将7 个洁净的2 5 mL比色管标记编号为1 7 号溶液；(2)依据表1,在1 5 号比色管中配制不同pH的缓冲溶液,用蒸馏水稀释至2 5 mL刻度线,摇匀；表1 缓冲溶液配制方法编号0.1molL-1HAc/mL0.1molL-NaAc/mL1%甲基橙试剂/滴119.3(9)234(10)5（3）分别将1 mol/LHCl和1 mol/LNaOH定容于2 5 mL(11)比色管中,各滴加5 滴甲基橙试剂,摇匀。分别记为6 号(红色）和7 号（黄色）溶液，在波长入r=565nm测定6 号溶液吸光度A，在波长入r=470nm测定7 号溶液吸光度A，不同颜色的甲基橙溶液如图2 所示。(12)图2 不同颜色的甲基橙溶液4.3组装实验装置如图3 所示，将色度传感器和数据采集器连接计算机，再将比色皿放入色度传感器中即可在计算机中得到吸光度读数。pH传感器同理。图3 手持技术仪器装置实验教学0.7518.91.118.31.717.52.516.33.75555第2 0 卷总第1 1 5 期4.4溶液吸光度的测定4.4.1测定波长入r=565nm下的吸光度(1)校正。将色度传感器的波长选为5 6 5 nm,加人适宜蒸馏水,稳定后,按下调零按钮“cal；（2)按照1、2、3、4、5、6 的组别顺序测定吸光度；(3)1-5 组测得吸光度记为Ar,第6 组记为Am。R4.4.2测定波长入=4 7 0 nm下的吸光度(1)校正。将色度传感器的波长选为4 7 0 nm,加人蒸馏水,稳定后,按下调零按钮 cal；（2)按照5、4、3、2、1、7 的组别顺序测定吸光度；(3)1-5组测得吸光度记为Ay,第7 组记为A。4.5溶液pH的测定按照pH从小到大的顺序的测定各组溶液的pH,顺序为1.2、3、4、5。5结果与讨论5.1数据处理与分析将实验所得的数据记录在表2,根据(1 2)式，以pH为纵YARA坐标，gBR为横坐标绘图，拟合一次曲线，计算截距pK，AYAHB所得结果与文献值pK。=3.4 比较,求出其相对误差。表2 实验数据记录与处理ARA吸光度A编号颜色pH入=5 6 5 nm入y=470 nm13.9023.983橙色4.1344.2654.426红色一0.2027黄色一如图4 所示，拟合的一次方程为y=-1.2431x+3.3946，拟合度为R=0.9748，表明曲线拟合良好，截距为3.3 94 6，则pK,=3.3946,与文献值3.4 对比，相对误差为-0.1 6%，误差范围在1%内，结果准确。4.54.4F4.342Hd4.143.93.8-0.9中学理科园地5.2实验讨论甲基橙是一种常见的酸碱指示剂，将甲基橙作为本实验的研究对象，可以在中学化学学习中深入认识甲基橙的相关性质，拓展学生对弱电解质的电离平衡和电离平衡常数的理解。实验使用HAc-NaAc作为缓冲溶液，药品常见，容易获取，无需精确量取HAc和NaAc的体积，结合手持技术数字化实验设备，实验操作简便，容易上手，学生能轻松掌握实验操作。并且，该实验不仅可以作为中学生课外探究的实验课题，实验过程具备一定的探究性，还进一步丰富了运用手持技术的实验案例。对于单一颜色的酸碱指示剂的pK，可以使用一般的单波长法测定，例如酚酞和百里酚酞。而对于酸式体和碱式体均有颜色的指示剂的pK。可以使用双波长法进行测定，例如甲基橙、甲基红和溴百里酚蓝，分别在两种不同的波长下测定溶液的pH和溶液中酸式体和碱式体的吸光度，则可以推算出该指示剂的pKa。实验结果说明该方法的相对误差小,结果较准确,是一种可行的实验方法。同样的原理亦可适用于其他双色混合型的指示剂。甲基橙在酸溶液中呈现红色，在碱溶液中呈现黄色，在红色与黄色之间呈现两者的混合色一橙色,在不同的pH溶液中呈现出不同色阶的橙色,颜色明显。普通高中化学课程标准（2 0 1 7 年版）强调从化学核心ARA概念或基本原理中提出并选择研究性问题，开展有关实验活gAAAYAMBR0.0790.5700.0620.4970.0630.6040.0460.6380.0330.589一0.544J=-1.2431x+3.3946R=0.9748-0.8-0.7Ig(ARAB-)(AAEP)AA图 4 pH-lg-图AYAHBR实验教学动，例如平衡常数的测定，也多次提及到比色法，可以看出比色法是一种适合的实验方法 6 。教师可以在课内外引导学生0.37-0.430.34-0.470.28-0.550.19-0.720.15-0.82一一-0.6-0.5掌握更多的科学探究实验方法，建立解决某类实验问题的实验思路和方法，培养高层次的实验思维，在实验探究的成果基础上能够撰写实验小论文。参考文献：1任健敏，韦寿莲，刘梦琴，等.分析化学 M.北京：化学工业出版社,2 0 1 4:6 6-6 7.2王晶，郑长龙.普通高中教科书化学选择性必修1 化学反应原理 M.北京：人民教育出版社，2 0 2 0:5 7.3方舟，钱扬义.运用手持技术测定甲基橙的电离常数KaJ.化学教育(中英文),2 0 1 1,3 2(9):7 1-7 2.4 郑海鹏，陈博，陈旖勃.基于数字化实验技术测定酚酞的电离常数 J.教育与装备研究，2 0 1 9,3 5(9)：8 1-8 4.5熊艳，李香，李俊，等.分光光度法测定指示剂解离常数的实验教学改进与实践 J化学教育（中英文),2 0 2 0(6)：31-35.6中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2 0 1 7年版)S.北京：人民教育出版社,2 0 1 7.-0.476