Gyenge színes sav disszociációállandójának meghatározása spektrofotometriás úton

Bevezetés

A gyakorlat célja gyenge sav disszociációs egyensúlyának tanulmányozása a komponensek fényelnyelése alapján. A választott módszer szerint a rendszer fényelnyelését mérjük az egyik komponens koncentrációjának függvényében, majd ebből kiszámoljuk az egyensúlyi állandót.

A savi disszociációs egyensúly általában, ami egyben egyensúlyi modellünket is jelenti:

HX H⁺ + X^-                                                                   (1)

A folyamat egyensúlyi állandója a következőképp írható fel

                                          (2)

ahol a szögletes zárójelek közti mennyiségek egyensúlyi koncentrációkat jelölnek és f jelenti a megfelelő aktivitási tényezőt. Mivel a spektrofotometriás eljárással koncentrációkat mérünk, a koncentrációfüggő K_c (gyakorlati) egyensúlyi állandót (dT=0, dp=0 mellett) határozhatjuk meg a mérésből.

                                                             (3)

Felhasználva a disszociálatlan gyenge sav kiindulási koncentrációjának ismeretét (c), bevezetve a disszociációfokot (α) a (3) egyenlet egyszerűsíthető:

                                                             (4)

Különböző pH-jú pufferoldatokban oldjuk a gyenge savat, így a [H⁺] koncentráció értékét rögzítjük, α értékét pedig szabályozzuk. Adott hullámhosszon az ilyen egyensúlyi elegy abszorbanciája megadható a Beer-törvény alapján

                                       (5)

ahol l a vizsgált rendszer rétegvastagsága, ε^λ az adott komponens moláris abszorpciós tényezője. A vizsgált hullámhossztartományban (380 - 440 nm) a disszociálatlan savnak, és a H⁺-ionoknak, gyakorlatilag nincs elnyelése, azaz

.

Ezért az (5) egyenlet egyszerűsödik:

                                                               (6)

A (4) és (6) egyenlet alapján

                                                                 (7)

Amennyiben a gyenge savat a pK_c (pK_c =-lgK_c ) értékéhez képest 2 - 3 pH értékkel lúgosabb oldathoz adjuk, akkor α≈1. Így tehát jó közelítéssel előállíthatjuk a teljesen disszociált formát. Természetesen az egyensúlyi elegyben ekkor is megtaláljuk az oldószeren kívül mind a három komponenst, csak a másik kettő (H⁺, HX) igen kis koncentrációban van jelen. Az így mérhető abszorbancia

az adott hullámhosszon maximális, ha mind a pufferelegyekhez, mind a lúgos oldathoz azonos c koncentrációjú gyenge savat adtunk. Ennek következménye a (7) egyenletben:

                                                                      (8)

A (8) egyenlet felhasználható a 4-nitro-fenol (PNF) disszociációs egyensúlyi állandójának kiszámítására. Ha olyan puffersorozatot állítunk elő, melynek pH-értékei a pK_c (4-nitro-fenol) ±1 pH-egység H⁺-koncentráció tartományán belül vannak, akkor az

függvény pontjai egyenessel közelíthetők. Ekkor a függvény meredekségéből K_c értéke kiszámolható. Ez azt is feltételezné, hogy K_c független az összetételtől, ami csak akkor jó közelítés, ha az egyensúlyi elegy elég híg. Tovább vizsgálva a (8) egyenletet megállapítható, hogy az illesztett egyenes ordinátametszete a fenolát lúgos közegben mért elnyelésének reciproka. Így alkalmunk van egy mérési eredményt összevetni a modell alapján számolt adattal.

Az elvégzendő feladat

1. Határozzuk meg a PNF lúgos oldatának abszorpciós spektrumát a 380 - 430 nm-es tartományban 5 nm-ként. Határozzuk meg az abszorpciós maximum hullámhosszát és a maximális abszorbancia értékét, . Ezt az értéket a (8) egyenlet is magában foglalja.

2. Készítsünk 5 pufferoldatot (ld. táblázat), ellenőrizzük a pufferek pH-ját elektrokémiai úton üvegelektród segítségével, majd adjunk a pufferekhez PNF oldatot. Mérjük meg a talált maximum hullámhosszán az így készített 5 oldat abszorbanciáját (A ^λ) és határozzuk meg a (8) egyenlet alapján az illesztett egyenesből K_c értékét.

Kísérleti anyagok eszközök

Spektromom 195D tipusú spektrofotométer

OP211/1 típusú pH-mérő

4 db 1 cm rétegvastagságú üvegküvetta

4 db büretta

6 db 25 cm³-es fözöpohár

5 db 50 cm³-es fözöpohár

A kísérleti eljárás lépései

A spektrum felvétele

1. Mérjünk ki 10 cm³ 0,01 M NaOH oldatot egy 25 cm³-es főzőpohárba, majd adjunk hozzá bürettából 0,3 cm³ 0,001 mol/dm³ PNF oldatot.

2. A referenciaoldat elkészítéséhez ismételjük meg az 1. lépést a PNF hozzáadása nélkül.

3. Mérjük meg a spektrumot Spektromom 195D tipusú spektrofotométer segítségével. Határozzuk meg a maximális elnyelés hullámhosszát.

Pufferoldatok készítése és pH-mérés

1. Mérjük össze büretták segítségével a táblázatban alább megadott pufferoldatokat 50 cm³-es főzőpoharakban.

2. Kalibráljuk a pH mérőt (ld. leírása)

3. Mérjük meg az 5 oldat pH-ját ~ 10 cm³ puffert használva.

4. Állítsuk össze a pufferolt 4-nitro-fenol oldatokat. Összetételük: 10,0 cm³ puffer + 0,3 cm³ 0,001 mol/dm³ PNF oldat.

5. Mérjük meg a pufferolt 4-nitro-fenol oldatok abszorbanciáját a korábban meghatározott maximális elnyelés hullámhosszán.

Táblázat a pufferoldatok elkészítéséhez

P1 = 0,066 mol/dm³ KH₂PO₄, P2 = 0,066 mol/dm³ Na₂HPO₄

Az adatok értékelése

Ábrázoljuk az abszorbancia-hullámhossz-függvényt. Ábrázoljuk az 1/A^l =f([H⁺]) függvényt, és illesszünk a pontokra egyenest. Határozzuk meg az egyenes meredekségét és az ordináta metszetét. A meredekségből határozzuk meg K_c értékét.

Adjuk meg az egyenes illesztéséből a korrelációs együtthatót, valamint számoljuk ki és K_c 95 %-os konfidencia intervallumát, a Gauss-féle hibaterjedési egyenlet használatával.

Műszerkezelési útmutató

I. A SPEKTROMOM 195 D spektrofotométer logaritmikus erősítőjének szabályozása

Kezdeti feltételek: a spektrofotométer bemelegedett, a sötét áram (dark current) kompenzálás megtörtént, a küvettatér fedele zárva van, a fényutban nincs küvetta. Bármely beállított hullámhosszon elvégezhetjük a beállításokat.

A transzmisszió skála két pontján (0,1 és 0,9) végezzük el a logaritmikus erősítő hitelesítését az alábbi algoritmus alapján.

II. Abszorbancia mérés

1.Helyezzük a mintatérbe a küvettatartót a küvettákkal, a pontos mechanikai illesztés végett kérjük a gyakorlatvezető tanácsát.

2.Válasszuk ki a mérő hullámhosszat a forgatógomb pontos beállításával. A fogaskerék-mechanizmus miatt, minden esetben azonos irányból kiséreljük meg a beállítást. ( Ha nem sikerült, mert túlforgattuk, tekerjük vissza a forgatógombot és próbáljuk meg újból a beállítást.)

3.A készülék előlapján található küvetta pozíció váltótárcsa elfolgatásával helyezzük a fényútba a referenciát tartalmazó küvettát.

4.Legyen a működésmód választó T% helyzetben, a SLIT és 100T% FINE gombokkal a kijelzőt állítsunk 100 T%-ra.

5.Legyen a működésmód választó A helyzetben, forgassunk a fényútba mintát tartalmazó küvettát és olvassuk le a kijelzőről a mért abszorbanciát.

Minden új hullámhossz beállítása után ismételjük meg a 3. és 4. lépést.