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)化工國家級實驗教學(xué)示范中心，福州 350116

鉻黑T是大學(xué)化學(xué)實驗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)，是一種有機弱酸鹽，在水溶液中存在三級解離。常用的解離常數(shù)測定方法主要有電勢滴定法[4,5]、電導(dǎo)法[6,7]、毛細管電泳法[8]、色譜法[9]、紅外光譜法[10]、熒光光譜法[11]、紫外-可見分光光度法[12,13]等。紫外-可見分光光度法適用于具有紫外-可見吸收特性的物質(zhì)，實驗方案簡單高效。實驗測定不同pH鉻黑T溶液的紫外-可見吸收光譜，通過光譜特征分析，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-可見光譜儀(日本島津SHIMADZU，UV-2450)，電子天平(德國賽多利斯，BSA124S，±0.0001 g)，電子天平(YP6001，±0.1 g)，酸度計(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(國藥集團)；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的標準緩沖溶液，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50.00 mL的容量瓶，分別準確移取鉻黑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)每個溶液的pH；用KCl溶液調(diào)節(jié)離子強度；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 測定原理和實驗過程

2.1 測定原理

在不同pH下，鉻黑T溶液存在三級解離，解離過程見圖1。

圖1 鉻黑T解離過程

鉻黑T溶液具有紫外-可見吸收特性，一級、二級、三級解離的紫外-可見吸收光譜差異較大。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)中含有一個磺酸基和二個羥基。

每級解離方程均可簡化為：

當(dāng)達到解離平衡時：

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

在酸度較高時，溶液中弱酸主要以HD形式存在，此時的吸光度設(shè)為A0；在堿度較高的溶液中，弱酸幾乎完全解離為D-，此時吸光度設(shè)為A2；pH介于二者之間時，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個鉻黑T溶液樣品(樣品編號1-29)，用紫外-可見分光光度計測定其吸收光譜，計算得到與pH對應(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 實驗過程

2.2.1 pH測定

以標準緩沖溶液(pH 4.00，6.86，9.18)為參比，用pHS-3C酸度計測定配制的29個鉻黑T溶液樣品的pH，見表1。

表1 鉻黑T溶液樣品pH測定值

2.2.2 紫外-可見吸收光譜測定

首先，在1 cm石英比色皿中以去離子水為參比，在波長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)離子強度的KCl溶液，結(jié)果顯示，這些溶液在掃描范圍內(nèi)均無吸收，不會對鉻黑T溶液樣品造成光譜干擾。然后，在同樣條件下掃描29個鉻黑T樣品，得到紫外-可見吸收光譜，見圖2(a-c)。

圖2 不同pH的紫外-可見吸收光譜

3 實驗結(jié)果分析

3.1 紫外-可見吸收光譜

由圖2可見，隨著溶液pH的升高，紫外-可見吸收光譜的最大吸收峰先從516 nm紅移到618 nm，之后再藍移至455 nm，溶液的顏色從紫紅到藍色再到橙色，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逐級解離，每級解離的吸收光譜差異較大，因此可以用紫外-可見分光光度法測定鉻黑T的各級解離常數(shù)。

根據(jù)圖2(a)，pH 2.09和2.82的紫外-可見吸收曲線基本重合，最大吸收峰位于516 nm處，此時樣品中鉻黑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)生一級解離，pH 4.77和4.98的吸收曲線基本重合，至此，一級解離基本結(jié)束，此時鉻黑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，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)生了二級解離。當(dāng)pH為8.63時吸光度達到最大，與pH 8.97的吸收曲線重合，二級解離基本結(jié)束，此時鉻黑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，隨著pH的升高，618 nm處的吸光度開始減小，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，可以認為pH 12.98時，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)計算

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以618 nm處吸光度為例來分析計算。根據(jù)前述分析，pH為2.09時，鉻黑T以分子型存在，設(shè)此時的吸光度0.103為A0；pH為4.77時，一級解離基本完成，設(shè)此時的吸光度0.112為A2；pH為2.82、3.18、3.55、3.90、4.22、4.50時，吸光度為A1，由此可以計算一級解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值。pH為4.98時，開始二級解離，設(shè)此時的吸光度0.112為A0，pH為8.63時，二級解離基本完成，設(shè)此時的吸光度0.893為A2；pH為5.54、5.75、5.98、6.25、6.74、7.02、7.85時，吸光度為A1，由此可以計算二級解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值。pH為8.97時，開始三級解離，設(shè)此時的吸光度0.894為A0，pH為12.98時，三級解離基本完成，設(shè)此時的吸光度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，吸光度為A1，由此可以計算三級解離的lg((A0-A1)/(A1-A2))系列值。計算結(jié)果詳見表2。

表2 618 nm處鉻黑T溶液吸光度及計算

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

表3 516 nm處鉻黑T溶液吸光度及計算

表4 455 nm處鉻黑T溶液吸光度及計算

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進行擬合。以516 nm處一級解離為例，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進行回歸分析，得到擬合方程為：

擬合曲線見圖3。

圖3 測定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圖4-圖8。

圖4 測定pKa1的擬合曲線(618 nm)

圖5 測定pKa2的擬合曲線(516 nm)

圖6 測定pKa2的擬合曲線(618 nm)

圖7 測定pKa3的擬合曲線(455 nm)

圖8 測定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)。計算結(jié)果詳見表5。

表5 不同波長處擬合方程及測定的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))有較強的線性關(guān)系，方程擬合度均較好。

擬合計算得到的pKa值和相關(guān)文獻值[1,15]的相對偏差在-1.38% - 1.13%之間，詳見表6，說明實驗測定結(jié)果的準確度較高。

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

F計算＜F表，說明在516 nm和618 nm處測定的pKa1值無顯著性差異。

同樣對在不同波長處測定的pKa2和pKa3也進行了F檢驗，F(xiàn)計算均小于F表，詳見表6。

表6 不同波長處測定的pKa值及準確度

由此可見，通過紫外-可見分光光度法在不同波長處測定的解離常數(shù)無顯著性差異，準確度較高。

4 結(jié)論

利用鉻黑T溶液的光譜特性，通過配制一系列不同pH的鉻黑T溶液，測定在不同解離程度下紫外-可見吸收光譜的吸光度，用ORIGIN軟件進行擬合，推導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，計算鉻黑T水溶液的解離常數(shù)pKa1、pKa2、pKa3。實驗表明，用紫外分光光度法測定鉻黑T解離常數(shù)是可行的，且實驗時無需配制準確濃度的鉻黑T，僅要求每份溶液的濃度相等，實驗方案簡單，不同波長處測定的三級解離常數(shù)偏差小、一致性好、準確度高。具體教學(xué)實踐中，可以將學(xué)生分為三組，同時分別測定pKa1、pKa2、pKa3，引導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果進行分析討論。用紫外分光光度法測定鉻黑T解離常數(shù)，可以拓展、延伸大學(xué)本科化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生深刻認識鉻黑T特性和使用條件，理解酸堿多級解離過程，掌握分光光度法測定解離常數(shù)的基本原理，熟悉用ORIGIN處理實驗數(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題的能力。