Методика проведения работы по определению равновесной концентрации железо-салицилового комплекса

Равновесную концентрацию железо-салицилового комплекса определяют колориметрическим (спектрофотометрическим) методом. Колориметрические определения основаны на сравнении поглощения при пропускании света стандартным и исследуемым окрашенным раствором.

В основе метода лежит объединенный закон Бугера-Ламберта-Беера, который можно выразить уравнением

D= ∙c∙l, (3.13)

где D – оптическая плотность, ;

I_o – интенсивность падающего света;

I – интенсивность светового потока после прохождения света через раствор;

c– концентрация растворенного вещества, моль/л;

l – толщина поглощающего слоя, см;

 - молярный коэффициент поглощения света (коэффициент экстинкции).

Молярный коэффициент поглощения света представляет собой оптическую плотность 1М раствора, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см. Он зависит от длины волны падающего света, температуры раствора и природы растворенного вещества и растворителя.

Для измерения оптической плотности используются фотоэлектроколориметры или спектрофотометры различных конструкций. Оптическая схема фотоэлектроколориметра (самого простого прибора для определения оптической плотности) приведена на рис.3.1.

Рис. 3.1. Оптическая схема фотоколориметра KF-77

Световой поток от источника света (1) фокусируется системой линз (2) на кювете с раствором (3). Затем свет проходит через светофильтр (4) и попадает на фотоэлемент (5). Фототок после его усиления регистрируется на гальванометре (6).

Принцип работы фотоэлектроколориметра прост: установка на ноль регистрирующей стрелки прибора при прохождении монохроматического излучения через раствор сравнения («холостой» раствор), чаще всего вода или другой растворитель, и измерение оптической плотности исследуемого раствора после перемещения кюветодержателя в рабочее положение.

Порядок проведения работы:

1. В качестве основных реагентов используют растворы FeCl₃ в 10^-2М растворе HCl и водные растворы салициловой кислоты.

2. Для определения концентрации железо-салицилового комплекса в реакционной смеси предварительно устанавливают зависимость оптической плотности раствора от его концентрации и строят калибровочный график. Для этого готовят серию растворов FeCl₃ в 5,0∙10^-2М растворе HCl в избытке салициловой кислоты. Концентрации смешиваемых растворов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

№ п/п	Концентрация растворов FeCl3 в HCl, Со∙103, моль/л	Концентрация салициловой кислоты, моль/л, Со∙103	Оптическая плотность А
1	2	3	4
1 2 3 4 5 6	0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,5	7,00 7,00 7,00 7,00 7,00 7,00

Для приготовления реакционной смеси растворы FeCl₃ заданной концентрации сливают с равным объемом салициловой кислоты (например, 2,5 мл раствора FeCl₃ в HCl и 2,5 мл салициловой кислоты, общий объем каждой смеси должен составлять 5 мл). Смешение растворов проводят, начиная от меньшей концентрации.

Концентрацию раствора FeCl₃ в реакционной смеси рассчитывают по формуле

(3.14)

где С_i - концентрация с поправкой на разбавление раствора при смешении;

С_о – концентрация исходного раствора FeCl₃;

V₁ – объем раствора FeCl₃, мл;

V₂ – объем раствора салициловой кислоты, мл.

3.Построение градуировочного графика зависимости оптической плотности (А) от концентрации раствора.

Для построения градуировочного графика при длине волны λ=480 нм измеряют оптическую плотность серии стандартных растворов, указанных в табл.3.1. Результаты измерения оптической плотности (А растворов и их концентрацию заносят в таблицу 3.1 графа 4).

Полученные результаты представляют также в виде графика А=f(C_i). Учитывая, что используется избыток салициловой кислоты, можно принять, что концентрация железо-салицилового комплекса в реакционной смеси равна концентрации раствора FeCl₃ С_i с поправкой на разбавление раствора при смешении; поэтому на оси абсцисс на графике откладывается концентрация комплекса.

4. Определение равновесной концентрации железо-салицилового комплекса

Для определения константы равновесия (К_с) образовавшегося при реакции железо-салицилового комплекса готовят серию растворов салициловой кислоты в смеси с FeCl₃ в растворе HCl, как указано в таблице 3.2.

Пипетки и кюветы перед приготовлением новой смеси необходимо тщательно промыть исследуемым раствором.

Через 15-20 минут после приготовления исследуемых растворов приступают к колориметрированию. Измерив оптическую плотность исследуемых растворов при длине волны λ=480 нм, определяют по градуировочному графику равновесную концентрацию образовавшегося при реакции железо-салицилового комплекса (С_х).

5. Расчет константы равновесия (К_с) и константы нестойкости (К_н)

Равновесная концентрация исходных веществ в каждой реакционной смеси рассчитывают по формулам: (С_Fe³⁺ - C_x) и (C_{сал.к-ты} – С_х).

Равновесную концентрацию ионов водорода принимают равной исправленной на разбавление концентрации ионов водорода в исходном растворе HCl. Числом водородных ионов, образующихся при диссоциации салициловой кислоты можно пренебречь, так как константа диссоциации салициловой кислоты малая величина.

Подставляя ряд равновесных концентраций С_х (табл. 3.2) в формулу

(3.15)

рассчитывают константы равновесия для реакционной смеси с разной начальной концентрацией компонентов.

Таблица 3.2.

№ п/п	Концентрация раствора FeCl3 в HCl Со∙103, моль/л	Концентрация салициловой кислоты Со∙103, моль/л	Оптическая плотность D	Концентрация железо-салицилового комплекса, Сх∙103, моль/л
1	2	3	4	5
1 2 3 4 5	0,50 0,75 1,00 1,25 1,50	6,50 6,00 5,50 5,00 4,50

По известным значения К_с, К₁, К₂ вычисляют константу нестойкости железо-салицилового комплекса (К_н) по уравнению 3.10 и стандартный изобарно-изотермический потенциал (химическое сродство при температуре T) по уравнению:

G^о_Т = - RT ln K_с (3.16)

Результаты расчетов представить в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Константа равновесия Кс (сред.)	Константа нестойкости Кн (среднее)	GоТ, кДж/моль	Примечание