Arbete A3 Bestämning av syrakoefficienten för metylrött 1. INLEDNING Elektromagnetisk strålning, t.ex. ljus, kan växelverka med materia på många olika sätt. Ljuset kan spridas, reflekteras, brytas, passera igenom eller absorberas i ett ämne som det träffar. Absorptionens effektivitet påverkas enligt Beer och Lamberts lag av ämnets koncentration, absorptionskoefficient och provets tjocklek. I detta övningsarbete används absorptionsspektroskopi för att bestämma syrakonstanten för metylrött. 2. TEORI Beer och Lamberts lag Då ett strålningsflöde ϕ träffar ett homogent absorberande ämne absorberas en del av strålningen i provet. Om man definierar det absorberade strålningsflödet som dϕ, är strålningsflödet som passerar genom ämnet ϕ dϕ. Strålningsmängden dϕ som absorberas i ämnet på sträckan db är proportionell mot strålningsflödet ϕ och provets koncentration c. (Enheten för koncentration är här g cm -3 ) (1) dφ = kcφdb. Minustecknet i ekvation (1) beskriver strålningsflödets minskning i ämnet. Koefficienten k kallas ämnets absorptionskoefficient och dess enhet är cm 2 g -1. Den beror på det absorberande ämnet och strålningens våglängd. Genom att lösa differentialekvation 1 blir strålningsflödet som passerar provet (2) φ = φ 0 e kcb där ϕ0 är strålningsflödet som kommer in i provet och b bredden för den kyvett som används i mätningen. 1
I absorbansspektroskopi mäts ett ämnes transmittans T eller absorbans A som funktion av antingen våglängden eller frekvensen för den inkommande strålningen. Transmittans beskriver en hur stor del av den inkommande strålningen som passerar genom provet (3) T = φ φ 0 = e kcb och absorbansen fås genom att ta det inversa värdet av tiologaritmen av transmittansen (4) A = log 10 T = 0,4343kbc = abc Ekvation (4) kallas för Beer och Lamberts lag. Koefficienten a är ämnets absorptionskoefficient i enheten dm 3 g -1 cm -1. År 1852 konstaterade Beer att ifall koncentrtationen uttrycks i enheten mol dm -3 måste absorptionskoefficienten ersättas med den så kallade molära absorptionskoefficienten vars enhet är dm 3 mol -1 cm -1. Den molära absorptionskoefficienten betecknas ϵ, då blir uttrycket för absorbans (5) A = εbc För kraftigt absorberande ämnen är den molära absorptionskoefficienten i intervallet 10 4 10 5 dm 3 mol -1 cm -1. I detta övningsarbete anges provernas koncentraioner i procent av en baslösning vars exakta koncentration inte är känd. Därmed är enheten för de absorptionskoefficienter som räknas ut som mellanresultat (cm %) -1. Metylröd som syra-basindikator Användningen av syra-basindikatorer för att visa surheten på en lösning baserar sig på en förenings förmåga att bilda olika strukturer beroende på omgivningens surhet (ph). I en sur lösning är indikatorn protonerad, i en basisk lösning avger den en proton. Metylröd [2-(N,N-dimetyl-4- aminofenyl)azobensenkarboxylsyra] är en svag basindikator. Färgen på dess sura form (HMR) är röd, den basiska formen (MR - ) är gul. I lösning är HMR en zwitterjon som sannolikt är resonansstabiliserad. De båda strukturerna för HMR och strukturen för MR - presenteras i bild 1. 2
Bild 1. Dissociationsreaktionen för metylrött. Jämviktskonstanten för dissociationsreaktionen för metylrött är: (6) K = [H+ ][MR ], [HMR] som också kan skrivas i form av Henderson och Hasselbachs ekvation (7) pk = ph log 10 [MR ] [HMR]. 3. BEGREPP I ANSLUTNING TILL ARBETET Transmittans och absorbans Beer och Lamberts lag, absorpttionskoefficienten för ett ämne Syra-basindikator Isosbestisk punkt Syrakonstant 4. ARBETETS UTFÖRANDE Framställning av lösningarna. Använd baslösningen för att noggrannt framställa mätlösningen: ta 4 ml baslösning (finns färdig i laboratoriet) som du löser i 50 ml 95 % etanol och späd vidare ut 3
denna blandning till 100 ml med destillerat vatten. Framställ dessutom 250 ml 0,04 M natriumacetat, 100 ml 0,01 M natriumacetat, 100 ml 0,02 M ättiksyra (av isättika), 25 ml 0,1 M saltsyra och 100 ml 0,01 M saltsyra. A. Absorptionsmaxima för HMR och MR -. Framställ en HMP-lösning genom att späda ut en lösning som innehåller 10 ml mätlösning och 10 ml 0,1 M saltsyra till 100 ml med destillerat vatten. Denna lösnings ph 2 vilket innebär att indikatorn är helt i HMR-form. Franställ dessutom en MR - -lösning genom att med destillerat vatten späda ut en lösning som innehåller 10 ml mätlösning och 25 ml 0,04 M natriumacetatlösning till 100 ml. Denna lösnings ph 8 vilket innebär att indikatorn är helt i MR - -form. Mät absorptionsspektret för båda lösningarna i intervallet 350 600 nm i en 10 mm tjock kvartzkyvett med destillerat vatten som referens. Skriv ut absorbansspektren i samma bild. Spektrometerns funktionsprincip förklaras i arbete A1. För absorptionsmätningarna amsluts en ljuskälla och en kyvetthållare till instrumentet. Instruktionerna för att använda spektrometern finns bredvid instrumentet. Leta i bilden upp våglängden λ HMR där HMP har ett absorptionsmaximum och våglängden λ MR där MR - har ett absorptionsmaximum. B. Absorptionskoefficienter. Framställ av både HMR och MR - lösningsserier med 75, 50 och 25 volymprocent genom att späda ut dem med 0,01 M saltsyra (HMR) och 0,01 M natriumacetat (MR - ). Använd 25 ml måttflaskor och mätpipett då du framställer lösningarna. Mät absorbansen för dessa lösningar och 100 % lösningen noggrannt vid våglängderna λ HMR och λ MR. C. De relativa andelarna HMR och MR - som funktion av ph. Framställ fyra prover på följande sätt: Ta 10 ml mätlösning, tillsätt 25 ml 0,04 M natriumacetat och tillsätt i denna lösning 50, 25, 10 eller 5 ml 0,02 M ättiksyra med helpipett. Späd slutligen ut lösningen till 100 ml (med destillerat vatten) och kom ihåg att blanda om den. Mät lösningarnas surhet med en CG840 ph-mätare. Kalibrera först mätaren med de färdiga buffertlösningarna vars ph-värden är 4,00 och 6,87. Skölj före varje mätning elektrodens ända först med destillerat vatten och sedan mätlösning. Sänk efter detta lugnt ner elektroden i lösningen med hjälp av ställningen som är fäst på ett stativ och avläs lösningens ph-värde med en hundradedels noggrannhet. Skölj slutligen ännu mäthuvudet med destillerat vatten och placera elektroden i den mättade 3 M KCl-lösningen för att vänta på följande mätning. Hantera kombinationselektroden mycket varsamt, elektrodens mäthuvud är gjort av mycket tunt specialglas. Be vid behov assisstenten om hjälp. Mät till slut absorbanserna för lösningarna du framställt noggrannt vid våglängderna λ HMR och λ MR. 4
5. BERÄKNINGAR OCH ARBETSBESKRIVNING 1. Absorbansen för en binär blandning vid en viss våglängd kan vara oberoende av lösningens sammansättning. Denna våglängd i absorptionsspektret för en blandning kallas för den isosbestiska punkten. Utred i din arbetsbeskrivning följande saker och motivera dina svar: a. Har metylröd en isosbestisk punkt? Vilken är våglängden för den isosbestiska punkten för metylrött? b. Vad kan den isosbestiska punkten användas till? c. Berätta med exempel vad en- och tvåfärgade indikatorer är. 2. Rita för båda lösningsserierna i B-delen av arbetets utföramde upp grafer, där x-axeln är koncentrationen av metylrött i procent av baslösningen och y-axeln är absorbansen. Räkna ut absorptionskoefficienterna för HMR- och MR - -lösningarna vid våglängderna λ HMR och λ MR (sammanlagt fyra absorptionskoefficienter) med hjälp av Beer och Lamberts absorptionslag. Beakta utspädningarna då du räknar ut procentandelarna. Obs! Koncentration för baslöningen av metylrött är inte känd. Därför måste provernas koncentrationer c uttryckas i procent av baslösningen och absorptionskoefficienternas enheter blir (cm %) -1. 3. Härled Henderson och Hasselbachs ekvation (7) och beräkna med hjälp av den jämviktskonstanten K för metylrött vid olika ph-värden. Räkna ut syrakonstanten för metylrött som medeltalet av jämviktskonstanterna vid olika ph-värden och jämför det erhållna värdet med litteraturvärdet pk = 5,01 vid temperaturen 25 C. De relativa mängderna HMR och MR -, dvs. uttrycket [MR ], kan du räkna ut genom att använda [HMR] mätningar i C-delen och absorptionskoefficienterna som bestämts i del 2. För detta används ekvationsparet (8) { A(λ HMR) = ε λhmr (HMR)b[HMR] + ε λhmr (MR)b[MR ] A(λ MR ) = ε λmr (HMR)b[HMR] + ε λmr (MR)b[MR ], Där t.ex. absorptionskoefficienten ε λhmr (HMR) avser HMR-lösningens absorptionskoefficient vid våglängden λ HMR, Vid bildandet av ekvationerna i ekvationsparet har det antagits att blandningens absorbans är summan av komponenternas (i detta fall HMR och MR - ) absorbanser. Antagandet gäller ifall komponenterna inte växelverkar med 5
varandra. Då man räknar ut värdet för uttrycket [MR ] hyfsas enheterna bort. Därför kunde [HMR] man i detta arbete använda provernas procentuella koncentrationer utan att behöva känna till den absoluta koncentrationen. 4. Om andelen metylrött, HMR, som är dissocierad är α kan ekvation (6) skrivas i formen (9) [H + ] = K(1 α) α Antag, att då mindre än 9 % av HMR är dissocierad syns endast HMR-formen och då 91 % av HMR är dissocierad syns endast MR - -formen. Bedöm, utgående från dessa antaganden, användningsområdet för metylrött på ph-skalan och jämför det erhållna resultatet med litteraturvärdet för användningsområdet för metylrött. Skriv en arbetsbeskrivning som följer de allmänna instruktionerna. Som bilagor bör mätblanketten, en bild av speltren som mätts i del A och graferna från del 2 bifogas. Litteratur: P. Atkins och J. de Paula., Atkins Physical Chemistry, Oxford University Press, 8 uppl., 2006, s. 430-433. 6