3.2. Лабораторные работы

3.2.1. Работа с-1. Определение константы диссоциации динитрофенола по спектроскопическим данным

В данной работе исследуется кислотно-основное равновесие, устанавливающееся в растворах 2,4 – динитрофенола (-ДНФ) или 2,6 – динитрофенола (-ДНФ). С каким из этих двух индикаторов проводится работа, определяет преподаватель.

Схематично процесс диссоциации, протекающий в растворе ДНФ, можно представить следующим уравнением:

В случае достаточно разбавленных растворов константа диссоциации индикатора связана с его степенью диссоциации  и с рН раствора соотношением (3.7). Значение степени диссоциации находится из измерений оптической плотности растворов ДНФ в буфере с известным значением рН по формуле (3.4). Для этого же раствора по формуле Дебая – Хюккеля (3.6) определяется коэффициент активности f_–. Зная для одного и того же раствора значения α, f_– и рН, можно определить значение константы диссоциации K_а.

Однако для точного определения K_а необходимо выполнение следующих условий:

– концентрация ДНФ в кислых, щелочных и буферных растворах должна быть выбрана так, чтобы максимальные значения оптических плотностей всех растворов находились в пределах рабочей шкалы используемых приборов (0,1 < D < 1,4);

– поскольку значения коэффициентов экстинкции исследуемых частиц могут зависеть от ионной силы раствора, все используемые растворы должны иметь одинаковую ионную силу I. Кроме того, значения I не должны превышать 0,01 М, чтобы для расчёта коэффициентов активности ионов можно было использовать формулу Дебая – Хюккеля (3.6);

– все эксперименты должны выполняться при одинаковой температуре, поскольку коэффициент экстинкции зависит от температуры.

Целью лабораторной работы является:

– регистрация спектров поглощения растворов α- или β-ДНФ с различным значением pH в видимой и ультрафиолетовой областях спектра;

– определение рабочих длин волн для кислой и основной форм исследуемого индикатора, нахождение изобестической точки;

– проверка закона Бугера – Ламберта – Бэра. Определение коэффициентов экстинкции для кислой и оснóвной форм ДНФ на выбранных длинах волн;

– определение константы диссоциации ДНФ.

Приготовление растворов

В работе используют следующие растворы:

– исходные готовые растворы (приготовлены лаборантом);

– буферные растворы (готовят студенты);

– рабочие растворы (готовят студенты).

Исходные растворы имеют следующие концентрации:

Растворённое вещество	Концентрация, М
α- или β-ДНФ	0,001
HCl	0,1
NaOH	0,1
СН3СООН	0,3

Буферный раствор I (буфер I) готовят в мерной колбе на 200 мл из ацетата натрия¹ и уксусной кислоты. Буфер I должен иметь pH = 4,3, если в работе используется α-ДНФ, или pH = 4,0, если используется β-ДНФ. Для этого рассчитывают навеску ацетата натрия, чтобы концентрация ацетата натрия в готовом буферном растворе составляла 0,02 М. Необходимое количество уксусной кислоты AcH рассчитывают по формуле Гендерсона:

где K_а (AcH) = 1,75·10^–5. Корректируют значение pH буфера I на откалиброванном иономере «Анион-4101», добавляя в него ацетат натрия или уксусную кислоту.

Буфер II (pH = 4,1 для α-ДНФ или pH = 3,8 для β-ДНФ) готовят из буфера I в стаканчике на 50 мл, добавляя по каплям уксусную кислоту. Значение pH контролируют по иономеру.

Буфер III (pH = 3,9 для α-ДНФ и pH = 3,6 для β-ДНФ) готовят из буфера I в стаканчике на 50 мл таким же образом.

Рабочие растворы готовят в мерных колбах на 50 мл.

При работе с α-ДНФ готовят следующие растворы:

Номер р-ра	Раствор α-ДНФ 0,001 М	Раствор кислоты или щелочи 0,1 М	Вода
1	4,0 мл	5 мл HCl	Добавляют воду в каждый раствор, доводя его объём до 50 мл
2	2,0 мл	5 мл HCl
3	1,0 мл	5 мл HCl
4	4,0 мл	5 мл NaOH
5	2,0 мл	5 мл NaOH
6	1,0 мл	5 мл NaOH
7	0,5 мл	5 мл NaOH
8	4,0 мл	25 мл буфера I
9	4,0 мл	25 мл буфера II
10	4,0 мл	25 мл буфера III

Если в работе используется β-ДНФ, готовят растворы:

Номер р-ра	Раствор β-ДНФ 0,001 М	Раствор кислоты или щелочи 0,1 М	Вода
1	7,0 мл	5 мл HCl	Добавляют воду в каждый раствор, доводя его объём до 50 мл
2	3,0 мл	5 мл HCl
3	1,5 мл	5 мл HCl
4	7,0 мл	5 мл NaOH
5	3,0 мл	5 мл NaOH
6	1,5 мл	5 мл NaOH
7	1,0 мл	5 мл NaOH
8	7,0 мл	25 мл буфера I
9	7,0 мл	25 мл буфера II
10	7,0 мл	25 мл буфера III

Регистрация спектров

Спектры поглощения приготовленных растворов индикатора снимают в области 220–500 нм для α-ДНФ или в области 300–550 нм для β-ДНФ. Для этого используют кварцевые кюветы с длиной оптического пути l = 1 см. В качестве раствора сравнения или раствора для корректировки базовой линии используют дистиллированную воду. Целесообразно сразу записать спектры всех растворов и сгруппировать их нужным образом при дальнейшей обработке на компьютере.

По спектрам поглощения растворов № 1, 4, 8–10 определяют рабочие длины волн (λ₁ и λ₂) для каждой формы индикатора и оптические плотности D₁ и D₂. Находят изобестическую точку, определяют её характеристики (λ, ε).

По спектрам поглощения растворов № 2, 3, 5–7 определяют оптические плотности D_ протонированной и депротонированной форм ДНФ на рабочих длинах волн. Проверяют выполнение закона Бугера – Ламберта – Бера. Для этого строят графики зависимости D_ от концентрации ДНФ для кислых и щелочных растворов. Рассчитывают коэффициент экстинкции для каждой формы индикатора ε и среднеквадратичную погрешность его определения _n. Результаты экспериментов заносят в табл. 3.4.

Таблица 3.4