孫瑞卿，許紫婷，陳珠靈，林佳麗

福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，化學(xué)化工國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，福州 350116

鉻黑T是大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用的重要金屬指示劑，可以與金屬離子絡(luò)合，形成與指示劑本身顏色不同的絡(luò)合物，從而指示溶液中金屬離子濃度的變化[1-3]。鉻黑T的分子式為C20H12N3NaO7S (1-(1-羥基-2-萘基偶氮)-6-硝基-2-萘酚-4-磺酸鈉鹽)，是一種有機(jī)弱酸鹽，在水溶液中存在三級(jí)解離。常用的解離常數(shù)測(cè)定方法主要有電勢(shì)滴定法[4,5]、電導(dǎo)法[6,7]、毛細(xì)管電泳法[8]、色譜法[9]、紅外光譜法[10]、熒光光譜法[11]、紫外-可見(jiàn)分光光度法[12,13]等。紫外-可見(jiàn)分光光度法適用于具有紫外-可見(jiàn)吸收特性的物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)單高效。實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同pH鉻黑T溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，通過(guò)光譜特征分析，分段擬合pH與lg((A0- A1)/(A1- A2))的線性關(guān)系，從而計(jì)算得出鉻黑T的解離常數(shù)pKa1、pKa2、pKa3。

1 儀器與試劑

1.1 儀器

紫外-可見(jiàn)光譜儀(日本島津SHIMADZU，UV-2450)，電子天平(德國(guó)賽多利斯，BSA124S，±0.0001 g)，電子天平(YP6001，±0.1 g)，酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠，pHS-3C)，移液槍(Thermo Lab Serv Junior，1-5 mL、100-1000 μL、10-100 μL)，容量瓶(北京欣維爾，50.00 mL、250.00 mL)。

1.2 試劑

HCl、NaOH、NaH2PO4·2H2O、K2HPO4·3H2O、KCl、分析純級(jí)(國(guó)藥集團(tuán))；鉻黑T (天津市北辰方正試劑廠)。

1.3 溶液配制

(1) 鉻黑T母液：準(zhǔn)確稱取0.1250 g鉻黑T，用去離子水溶解，并定容于250.00 mL容量瓶，配成母液濃度1.084 × 10-3mol·L-1。

(2) 緩沖溶液：配制pH 4.00、6.86和9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，各250 mL。

(3) 其他溶液：配制0.1 mol·L-1HCl，0.01 mol·L-1及1 mol·L-1NaOH，0.2 mol·L-1NaH2PO4，0.1 mol·L-1K2HPO4，1 mol·L-1KCl溶液，各100 mL。

(4) 鉻黑T溶液：取29個(gè)50.00 mL的容量瓶，分別準(zhǔn)確移取鉻黑T母液4.00 mL；按不同的組合和添加量，分別加入0.1 mol·L-1HCl、0.01 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1NaOH、0.2 mol·L-1NaH2PO4或0.1 mol·L-1K2HPO4，調(diào)節(jié)每個(gè)溶液的pH；用KCl溶液調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度；用去離子水定容到50.00 mL，配制成pH為2.09-12.98的系列溶液。

2 測(cè)定原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 測(cè)定原理

在不同pH下，鉻黑T溶液存在三級(jí)解離，解離過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 鉻黑T解離過(guò)程

鉻黑T溶液具有紫外-可見(jiàn)吸收特性，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)解離的紫外-可見(jiàn)吸收光譜差異較大。在酸度較高的溶液中，鉻黑T以三元弱酸形式存在，結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)磺酸基和二個(gè)羥基。

每級(jí)解離方程均可簡(jiǎn)化為：

當(dāng)達(dá)到解離平衡時(shí)：

其中：Ka表示解離常數(shù)，[D]-、[HD]表示達(dá)到解離平衡時(shí)各自的濃度。

在酸度較高時(shí)，溶液中弱酸主要以HD形式存在，此時(shí)的吸光度設(shè)為A0；在堿度較高的溶液中，弱酸幾乎完全解離為D-，此時(shí)吸光度設(shè)為A2；pH介于二者之間時(shí)，溶液中HD和D-共存，吸光度設(shè)為A1。根據(jù)Lambert-Beer定律[14]，將公式(1)變換推導(dǎo)[1]可得：

將配制的pH為2.09-12.98的29個(gè)鉻黑T溶液樣品(樣品編號(hào)1-29)，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其吸收光譜，計(jì)算得到與pH對(duì)應(yīng)的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸擬合得出解離常數(shù)pKa。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 pH測(cè)定

以標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液(pH 4.00，6.86，9.18)為參比，用pHS-3C酸度計(jì)測(cè)定配制的29個(gè)鉻黑T溶液樣品的pH，見(jiàn)表1。

表1 鉻黑T溶液樣品pH測(cè)定值

2.2.2 紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)定

首先，在1 cm石英比色皿中以去離子水為參比，在波長(zhǎng)400-800 nm間掃描用于調(diào)節(jié)溶液pH的HCl、NaOH、NaH2PO4、K2HPO4和調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度的KCl溶液，結(jié)果顯示，這些溶液在掃描范圍內(nèi)均無(wú)吸收，不會(huì)對(duì)鉻黑T溶液樣品造成光譜干擾。然后，在同樣條件下掃描29個(gè)鉻黑T樣品，得到紫外-可見(jiàn)吸收光譜，見(jiàn)圖2(a-c)。

圖2 不同pH的紫外-可見(jiàn)吸收光譜

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 紫外-可見(jiàn)吸收光譜

由圖2可見(jiàn)，隨著溶液pH的升高，紫外-可見(jiàn)吸收光譜的最大吸收峰先從516 nm紅移到618 nm，之后再藍(lán)移至455 nm，溶液的顏色從紫紅到藍(lán)色再到橙色，表明鉻黑T在不同的pH條件下，其解離程度不同。隨著pH升高，鉻黑T逐級(jí)解離，每級(jí)解離的吸收光譜差異較大，因此可以用紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定鉻黑T的各級(jí)解離常數(shù)。

根據(jù)圖2(a)，pH 2.09和2.82的紫外-可見(jiàn)吸收曲線基本重合，最大吸收峰位于516 nm處，此時(shí)樣品中鉻黑T以分子型存在，用H3D表示。隨著pH的升高，吸光度緩慢增加，鉻黑T發(fā)生一級(jí)解離，pH 4.77和4.98的吸收曲線基本重合，至此，一級(jí)解離基本結(jié)束，此時(shí)鉻黑T主要以H2D-型存在。在pH 2.82-4.77間，解離程度不同，H3D和H2D-共存。

圖2(b)表明，當(dāng)pH ＞ 4.98時(shí)，隨著pH的升高，最大吸收峰位漸漸紅移至618 nm處，吸光度迅速提高，鉻黑T發(fā)生了二級(jí)解離。當(dāng)pH為8.63時(shí)吸光度達(dá)到最大，與pH 8.97的吸收曲線重合，二級(jí)解離基本結(jié)束，此時(shí)鉻黑T以HD2-型存在。在pH 4.98-8.63間，H2D-和HD2-共存。

圖2(c)顯示，當(dāng)pH ＞ 8.97時(shí)，隨著pH的升高，618 nm處的吸光度開(kāi)始減小，吸收曲線發(fā)生了顯著的變化，最大吸收峰從618 nm逐漸藍(lán)移至455 nm處，455 nm處的吸光度逐漸增加，鉻黑T發(fā)生了三級(jí)解離。由于pH ＞ 13后的溶液不易調(diào)節(jié)，且pH ＞ 12.81后的曲線變化校小，可以認(rèn)為pH 12.98時(shí)，鉻黑T基本完全解離，以D3-型存在。在pH 8.97-12.98間，HD2-和D3-共存。

3.2 解離常數(shù)計(jì)算

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以618 nm處吸光度為例來(lái)分析計(jì)算。根據(jù)前述分析，pH為2.09時(shí)，鉻黑T以分子型存在，設(shè)此時(shí)的吸光度0.103為A0；pH為4.77時(shí)，一級(jí)解離基本完成，設(shè)此時(shí)的吸光度0.112為A2；pH為2.82、3.18、3.55、3.90、4.22、4.50時(shí)，吸光度為A1，由此可以計(jì)算一級(jí)解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值。pH為4.98時(shí)，開(kāi)始二級(jí)解離，設(shè)此時(shí)的吸光度0.112為A0，pH為8.63時(shí)，二級(jí)解離基本完成，設(shè)此時(shí)的吸光度0.893為A2；pH為5.54、5.75、5.98、6.25、6.74、7.02、7.85時(shí)，吸光度為A1，由此可以計(jì)算二級(jí)解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值。pH為8.97時(shí)，開(kāi)始三級(jí)解離，設(shè)此時(shí)的吸光度0.894為A0，pH為12.98時(shí)，三級(jí)解離基本完成，設(shè)此時(shí)的吸光度0.098為A2；pH為10.16、10.42、10.84、11.26、11.58、11.76、11.98、12.27、12.58、12.81時(shí)，吸光度為A1，由此可以計(jì)算三級(jí)解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 618 nm處鉻黑T溶液吸光度及計(jì)算

同理，以516 nm和455 nm處吸光度來(lái)分析計(jì)算各級(jí)解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值，結(jié)果詳見(jiàn)表3、表4。

表3 516 nm處鉻黑T溶液吸光度及計(jì)算

表4 455 nm處鉻黑T溶液吸光度及計(jì)算

3.2.2 擬合分析及解離常數(shù)

根據(jù)pH和相應(yīng)的lg((A0-A1)/(A1-A2))，用ORIGIN進(jìn)行擬合。以516 nm處一級(jí)解離為例，將pH 3.18、3.55、3.90、4.22、4.50與相應(yīng)的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值-1.040、-0.300、0.000、0.477、1.041進(jìn)行回歸分析，得到擬合方程為：

擬合曲線見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)定pKa1的擬合曲線(516 nm)

同理，516 nm、618 nm、455 nm等處其他擬合曲線見(jiàn)圖4-圖8。

圖4 測(cè)定pKa1的擬合曲線(618 nm)

圖5 測(cè)定pKa2的擬合曲線(516 nm)

圖6 測(cè)定pKa2的擬合曲線(618 nm)

圖7 測(cè)定pKa3的擬合曲線(455 nm)

圖8 測(cè)定pKa3的擬合曲線(618 nm)

擬合方程在y軸上的截距即為pKa值，由此得出，鉻黑T的解離常數(shù)pKa1為3.85 (516 nm)和3.94 (618 nm)，pKa2為6.35 (516 nm)和6.41 (618 nm)，pKa3為11.57 (455 nm)和11.43 (618 nm)。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 不同波長(zhǎng)處擬合方程及測(cè)定的pKa值

所有擬合方程可決系數(shù)R2均大于或等于0.966，表明pH與相應(yīng)的lg((A0-A1)/(A1-A2))有較強(qiáng)的線性關(guān)系，方程擬合度均較好。

擬合計(jì)算得到的pKa值和相關(guān)文獻(xiàn)值[1,15]的相對(duì)偏差在-1.38% - 1.13%之間，詳見(jiàn)表6，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度較高。

為確定在不同波長(zhǎng)處測(cè)定的pKa值是否存在顯著性差異，采用F檢驗(yàn)法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。以pKa1為例，根據(jù)化學(xué)數(shù)據(jù)速查手冊(cè)[16]，S大= 0.0518 (n= 6)，S小= 0.0342 (n= 5)，查表可知，在置信度為95%時(shí)，F(xiàn)表(5,4)為6.26。

F計(jì)算＜F表，說(shuō)明在516 nm和618 nm處測(cè)定的pKa1值無(wú)顯著性差異。

同樣對(duì)在不同波長(zhǎng)處測(cè)定的pKa2和pKa3也進(jìn)行了F檢驗(yàn)，F(xiàn)計(jì)算均小于F表，詳見(jiàn)表6。

表6 不同波長(zhǎng)處測(cè)定的pKa值及準(zhǔn)確度

由此可見(jiàn)，通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度法在不同波長(zhǎng)處測(cè)定的解離常數(shù)無(wú)顯著性差異，準(zhǔn)確度較高。

4 結(jié)論

利用鉻黑T溶液的光譜特性，通過(guò)配制一系列不同pH的鉻黑T溶液，測(cè)定在不同解離程度下紫外-可見(jiàn)吸收光譜的吸光度，用ORIGIN軟件進(jìn)行擬合，推導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算鉻黑T水溶液的解離常數(shù)pKa1、pKa2、pKa3。實(shí)驗(yàn)表明，用紫外分光光度法測(cè)定鉻黑T解離常數(shù)是可行的，且實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)需配制準(zhǔn)確濃度的鉻黑T，僅要求每份溶液的濃度相等，實(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)單，不同波長(zhǎng)處測(cè)定的三級(jí)解離常數(shù)偏差小、一致性好、準(zhǔn)確度高。具體教學(xué)實(shí)踐中，可以將學(xué)生分為三組，同時(shí)分別測(cè)定pKa1、pKa2、pKa3，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析討論。用紫外分光光度法測(cè)定鉻黑T解離常數(shù)，可以拓展、延伸大學(xué)本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)鉻黑T特性和使用條件，理解酸堿多級(jí)解離過(guò)程，掌握分光光度法測(cè)定解離常數(shù)的基本原理，熟悉用ORIGIN處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、建立數(shù)學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問(wèn)題的能力。