3.2.3. Работа с-3. Определение константы диссоциации бромтимолового синего по спектроскопическим данным

В данной работе исследуется кислотно-основное равновесие, устанавливающееся в растворах 3,3-дибромтимолсульфофта-леина (бромтимолового синего, или БТС).

В литературе приводятся два типа формул, описывающих строение этого индикатора:

В условиях данной лабораторной работы исследуется процесс диссоциации индикатора по второй ступени. Схематично его можно представить следующим уравнением:

В случае достаточно разбавленных растворов константа диссоциации индикатора по второй ступени связана со степенью диссоциации  и с pH раствора следующим соотношением:

(3.8)

Значение степени диссоциации находится из измерений оптической плотности растворов индикатора в буфере с известным значением pH по формуле (3.4). Для этого же раствора по формуле Дебая – Хюккеля определяются и коэффициенты активности каждого из анионов f_i–.

Зная для одного и того же раствора значения α, pH и f_i–, можно рассчитать значение константы диссоциации K_а по второй ступени.

Однако для точного определения константы диссоциации необходимо выполнение следующих условий:

– концентрация индикатора 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;

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

Целью лабораторной работы является:

– регистрация спектров поглощения растворов БТС с различными значениями 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 кислой и основной форм индикатора на выбранных длинах волн;

– определение константы диссоциации БТС.

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
БТС	1,0 г/л
HCl	0,1 М
NaOH	0,1 М
Стандартный фосфатный буфер (буфер I)	pH = 6,86

Буферный раствор II (pH = 7,3) готовят в стаканчике на 50 мл из буфера I, добавляя по каплям раствор NaOH. Значение pH контролируют по иономеру «Анион-4101».

Раствор БТС с концентрацией 0,2 г/л готовят в мерной колбе объёмом 50 мл.

Из этих растворов готовят следующие рабочие растворы в мерных колбах на 50 мл (доводят до метки водой):

Номер р-ра	Раствор БТС 0,2 г/л	Раствор кислоты или щелочи 0,1 М,	Вода
1	8,0 мл	5 мл HCl	Добавляем воду в каждый раствор, доводя его объём до 50 мл
2	6,0 мл	5 мл HCl
3	4,0 мл	5 мл HCl
4	2,0 мл	5 мл HCl
5	4,0 мл	5 мл NaOH
6	2,0 мл	5 мл NaOH
7	1,0 мл	5 мл NaOH
8	0,5 мл	5 мл NaOH
9	4,0 мл	5 мл буфера I
10	4,0 мл	5 мл буфера II

Регистрация спектров

Спектры поглощения приготовленных растворов индикатора снимают в области 220–700 нм. Для этого используют кварцевые кюветы с длиной оптического пути l = 1 см. В качестве раствора сравнения или раствора для коррекции базовой линии используется дистиллированная вода.

Снимают спектры поглощения растворов БТС № 3, 5, 9, 10. Целесообразно записать спектры всех растворов и сгруппировать их нужным образом при обработке на компьютере. Определяют рабочие длины волн (λ₁, λ₂ и λ₃) и поглощение D_i. Находят изобестические точки и определяют их характеристики (λ, ε).

Снимают спектры растворов № 1, 2, 4, 6–8 и определяют значения поглощения D_ на рабочих длинах волн. Проверяют выполнение закона Бугера – Ламберта – Бера. Для этого строят графики зависимости D_ от концентрации индикатора для кислых и щелочных растворов. Рассчитывают коэффициент экстинкции для каждой формы индикатора ε и среднеквадратичную погрешность его определения _n.

Результаты экспериментов заносят в табл. 3.8.

Таблица 3.8