Лабораторная работа Определение кислотно-основных характеристик поверхности твердых веществ

Цель работы. Получить распределение кислотно-основных центров на поверхности исследуемого вещества спектрофотометрическим методом по адсорбции индикаторов из водной среды и рассчитать значение ее функции кислотности.

Сущность метода. В основе методики лежит адсорбция одноосновных индикаторов на поверхности твердых веществ из водной среды. Ассортимент используемых реактивов, позволяющих регистрировать кислотно-основные центры в диапазоне кислотности 4,4÷17,2 и некоторые их характеристики приведены в табл. 1. Адсорбция индикатора в условиях анализа происходит как на центрах Бренстеда (=Э–ОН), так и на центрах Льюиса, на которых по координационному механизму адсорбированы молекулы воды (≡/М^+σ…ОН₂ и ≡/МеО^–…Н–ОН), в соответствии с его значением pK_a^x.

Количественное определение центров адсорбции (q_pKa^x, мг-экв/г или мг-экв/м²) данной кислотной силы проводят спектрофотометрическим методом в УФ и видимой областях спектра. Растворы фотометрируют в кюветах с l=1 см относительно растворителя на спектрофотометре СФ-26 при длине волны, соответствующей максимальному поглощению каждого индикатора (λ_max). Изменение оптической плотности в результате процесса адсорбции индикатора (ΔD) на поверхности образца находят по уравнению

ΔD = ‌│(│D₀ – D₁ │) ± (│D₀ – D₂ │).

Содержание активных центров данной кислотной силы, эквивалентное количеству адсорбированного индикатора, рассчитывают по формуле:

q_pKa^x = С_ind V_ind/D₀ ∙ (││D₀ – D₁ │/ a₁ ± │D₀ – D₂ │/a₂)

где С_ind – концентрация раствора индикатора, мг-моль/мл;

V_ind – объем раствора индикатора, взятого для анализа, мл;

D₁ – оптическая плотность раствора индикатора до сорбции;

D₂ – оптическая плотность раствора индикатора после сорбции;

D₀ – оптическая плотность “холостого” раствора.

Знак “–” соответствует однонаправленному изменению D₁ и D₂ относительно D₀, т.е. D₁ и D₂ < D₀ или D₁ и D₂ > D₀. Знак “+” соответствует разнонаправленному изменению D₁ и D₂ относительно D₀, т.е. D₁ > D₀, D₂ < D₀ или D₁ < D₀, D₂ > D₀.

Данная методика позволяет проводить количественное определение суммарной кислотности по Льюису и Бренстеду с дифференциацией реакционных центров по тпу и силе в зависимости от pK_a^x применяемого индикатора.

Приборы и оборудование:

1. 13 химических стаканов 50-100 мл (10 стаканов и 3 пробирки)

2. пипетка градуировочная 10 мл

3. пипитатор

4. набор индикаторов 0,01%

5. порошок исследуемого вещества

6. спектрофотометр

Порядок работы.

Приготовить для фотометрирования 3 серии растворов.

Серия индикатор: из предоставленых индикаторов приготовить рабочие растворы объемом 25мл, готовить разбавлением в 5 раз. Для фотометрирования отбирают 5 мл рабочего раствора индикатора и добавляют 5 мл дистиллированной воды. По оптическим спектрам рабочих растворов индикаторов (D₀) определяют рабочею длину волны, шаг по длинам волн 1 нм. Записывают в таблицу λ_мах. Из справочника записать химическую формулу индикатора и рассчитать его молекулярную массу и концентрации в опытах.

Серия с декантированной водой (равновесие с учетом частичного растворения образца и изменения рН раствора, без сорбции): навеску иследоваемого порошка (~0,02г) заливают 10 мл воды и дают настояться 30 мин, затем декантируют, т.е. отбирают 5 мл раствора над осадком. Добавляют 5 мл дист. Воды и фотометрируют при рабочей длине волны. Оптическая плотность D₁ , масса навески m₁

Серия с исследуемым твердым веществом (равновесие с учетом процесса сорбции): навеску иследоваемого порошка (~0,02г) заливают 5 мл рабочего раствора индикатора и 5 мл дистиллированной воды. Через 30 мин фотометрируют при рабочей длине волны. Оптическая плотность D₂ , масса навески m₂

Результаты всех измерений и расчета количеств сорбированного индикатора свести в табл.2.

На основании полученных данных построить кривую распределения кислотно-основных центров на поверхности исследуемого образца в координатах q_pKa^x=f(pK_a^x). Рассчитать величины pK_a^x∙ q_pKa^x, Σ pK_a^x∙ q_pKa^x и Σ q_pKa^x. По формуле (5) определить значение функции кислотности. Полученные результаты описать и сделать вывод.

Таблица 1

Ассортимент и некоторые характеристики кислотно-основных индикаторов

Название	Индекс	pKa^x	λmax (нм)
Динитроанилин	дна	–4,4	340
4-хлор-2-нитроанилин	ПХНА	–0,91	330
О-нитроанилин	О-НА	–0,29	410
Кристаллический фиолетовый	КФ	+0,80	580
Бриллиантовый зеленый	БЗ	+1,30	610
Фуксин (основание)	Ф-Н	+2,1	540
Мета-нитроанилин	МНА	–4,4	340
Метиловый оранжевый	МО	+3,46	460
Бромфеноловый синий	БФС	+4,10	690
Метиловый красный	МК	+5,0	430
Бромкрезоловый пурпур.	БКП	+6,4	540
О-нитрофенол	О-НФ	+6,9	280
П-нитрофенол	П-НФ	+7,15	360
Бромтимоловый синий	БТС	+7,3	430
Феноловый красный	ФК	+8,0	430
Мета-нитрофенол	МНФ	+8,4	280
Тимоловый синий	ТС	+8,8	430
Фенол	Ф-Л	+10,0	270
Нильский голубой А	НГ	+10,5	640
Тропеолин О	ТО	+12,0	440
Индиго-кармин	НК	+12,8	610
Маннит	МН	+13,13	200
Этиленгликоль	ЭГ	+14,2	200
Динитротолуол	ДНТ	+17,2	250

Таблица 2