Работа №9. Определение константы кислотной диссоциации фенолового красного (фенолсульфофталеина)

Метод спектрофотометрии широко используют для решения не только аналитических, но и исследовательских задач. Рассмотрим эту возможность на примере экспериментального нахождения константы диссоциации слабой органической кислоты в водном растворе.

По определению, реальная константа диссоциации кислоты HB равна:

Значит, для вычисления этой константы необходимо найти концентрацию ионов водорода в растворе (т.е. измерить pH) и отношение концентраций депротонированной и протонированной формы кислоты. Если интересующая rислота поглощает излучение в оптическом диапазоне, то для решения этой задачи можно воспользоваться спектрофотометрическим методом. Рассмотрим наиболее общий случай, когда поглощать излучение с некой длиной волны  способны обе формы кислоты. По закону аддитивности оптических плотностей:

Индекс  в дальнейшем для краткости опущен. Общая концентрация кислоты складывается из суммы равновесных концентраций обеих форм:

Следовательно, равновесная концентрация протонированной формы равна:

где

Отсюда,

Поскольку

и

где A_HB и A_B – оптические плотности растворов, в которых кислота находится только в одной форме, перепишем эту формулу иначе:

Следовательно,

Отсюда,

«Перевернём» эти дроби:

И в итоге получаем выражение для расчёта константы диссоциации:

Пусть при длине волны измерения A_HB > A_B, тогда оптическая плотность смеси разных форм кислоты принадлежит интервалу [A_B; A_HB]. Для корректного вычисления разностей в числителе и знаменателе дроби они должны быть достаточно большими. Следовательно, рабочее значение длины волны нужно выбирать таким образом, чтобы разность молярных коэффициентов поглощения обеих форм кислоты была максимальной, с одной стороны. А с другой стороны, оптическая плотность рабочего раствора кислоты должна быть как можно ближе к середине указанного интервала. Требуемые значения оптической плотности лежат в интервале pK_a  2, поскольку за его пределами в растворе присутствует лишь одна форма кислоты. Но так как границы этого интервала a priori неизвестны, следует приготовить большое число эквимолярных растворов кислоты в широком диапазоне pH (от 2 до 12).

Если протонированная и депротонированная форма органической кислоты имеет разную окраску, полосы поглощения этих форм удалены в спектре друг от друга, по крайней мере, на несколько десятков нанометров. Если представить спектры поглощения в одной системе координат, то будет хорошо видно, что по мере увеличения pH оптическая плотность в максимуме полосы поглощения для протонированной формы будет постепенно уменьшаться, и наоборот, оптическая плотность в максимуме полосы поглощения для депротонированной формы будет увеличиваться, достигнув в итоге наибольшего значения. Причём, если растворы приготовлены правильно, и ионная сила везде одинаковая, все спектры должны пересечься в изобестической точке. Это критерий качества приготовления эквимолярных растворов. В общем случае для выбора рабочей длины волны следует из спектра раствора, содержащего только протонированную форму кислоты, вычесть спектр раствора, содержащего только депротонированную форму, и найти максимум этой разности. При выбранной длине волны следует фотометрировать все растворы и найденные значения оптической плотности использовать для расчёта константы диссоциации. Результаты этих параллельных вычислений следует усреднить.

Для нахождения константы диссоциации также используют графический способ. Преобразуем расчётную формулу следующим образом:

Отсюда,

Следовательно,

Экспериментально измеренная зависимость оптической плотности раствора кислоты от pH имеет две асимптоты (AA_B, AA_HB) и точку перегиба:

и

Для нахождения значения термодинамической константы диссоциации следует воспользоваться соотношением

предварительно рассчитав коэффициент активности по формуле Дебая-Хюккеля, используя значение ионной силы I:

Цель настоящей работы – проверка возможности спектрофотометрического определения константы диссоциации на примере фенолового красного.

Водные растворы фенолового красного меняют окраску с жёлтой на красную при изменении pH с 6,4 до 8,2. Переход окраски обусловлен отщеплением второго протона от молекулы индикатора:

HA^- ↔ A^2- + H⁺

жёлтая красная

Полоса поглощения жёлтой формы располагается при 440 нм, а красной – при 570 нм. Исследуя спектры поглощения фенолового красного в слабокислых и слабощелочных средах, можно определить константу его кислотной диссоциации по второй ступени – K_a,2.

Реагенты и аппаратура

• Феноловый красный, 0,25%-ный раствор в 50%-ном этаноле

• Серия буферных растворов с pH: 5,02; 5,72; 6,80; 7,00; 7,24; 7,54; 7,96; 8,36 8,69; 8,95; 10,38; 10,88 (табл. 3)

• Спектрофотометр UNICO UV-2804

Выполнение определения

В мерные колбы ёмкостью 50,0 мл помещают по 1,00 мл раствора фенолового красного и буферные смеси с соответствующими значениями pH. Содержимое колб разбавляют водой до метки и перемешивают. Затем последовательно измеряют pH всех приготовленных растворов, тщательно промывая стеклянный электрод между измерениями дистиллированной водой и удаляя избыток жидкости с «шарика» фильтровальной бумагой. Рабочие растворы необходимо помешать в чистые и сухие стеклянные стаканчики, а после измерения pH переливать обратно в колбы. Значение pH следует считывать с экрана не ранее, чем через 3 мин после погружения электрода в рабочий раствор и его периодического перемешивания. После измерения pH измеряют спектры поглощения всех растворов в интервале от 400 до 650 нм. Определив оптическую плотность каждого раствора в максимуме полосы поглощения одной из форм кислоты, находят значение константы диссоциации расчётным и графическим способом.

Вопросы для подготовки к коллоквиуму

1.	Обоснуйте квазинепрерывную широкополосную структуру оптических молекулярных абсорбционных спектров. Перечислите способы повышения дискретности этих спектров.
2.	Что такое раствор сравнения в спектрофотометрическом анализе? Каков его состав и назначение?
3.	В чём различие между истинным и средним молярным коэффициентом поглощения? Почему экспериментально измеренные значения молярных коэффициентов поглощения могут отличаться от истинных?
4.	Почему с ростом коэффициента поглощения чувствительность спектрофотометрического определения, как правило, увеличивается? Ответ поясните графически.
5.	Почему чувствительность спектрофотометрического метода заметно ниже чувствительности атомно-абсорбционного метода?
6.	Перечислите требования к органическому реагенту при проведении фотометрической реакции.
7.	Можно ли существенно повысить чувствительность спектрофотометрического определения веществ увеличением толщины кюветы?
8.	Как меняется вид градуировочной зависимости оптической плотности от концентрации с ростом интенсивности рассеянного излучения?
9.	Зависит ли чувствительность спектрофотометрического определения от мощности источника излучения? Почему?
10.	Укажите причины положительных и отрицательных отклонений от закона Бугера-Ламберта-Бера в области больших концентраций поглощающего вещества.
11.	Почему рабочий диапазон оптических плотностей спектрофотометра не превышает 1,5 – 2 порядков?
12.	Укажите и обоснуйте преимущества дифференциального спектрофотометрического метода по сравнению с абсолютным.
13.	Изложите сущность процедуры градуирования измерительной шкалы прибора в методе абсолютной и дифференциальной спектрофотометрии.
14.	При каких длинах волн следует измерять оптическую плотность растворов при спектрофотометрическом анализе смесей веществ, если их спектры поглощения накладываются друг на друга?
15.	Как можно повысить селективность фотометрической методики?
16.	Перечислите законы, используемые при выполнении спектрофотометрического анализа однокомпонентной системы, определении нескольких компонентов при совместном присутствии, нахождении константы химического равновесия в растворе.
17.	Представьте графически и сравните зависимости поглощения, пропускания, оптической плотности и коэффициента поглощения на выбранной длине волны от концентрации поглощающего вещества в растворе и толщины используемой кюветы.