Лабораторная работа № 6
Определение концентрации окрашенного раствора,
степени диссоциации и константы диссоциации слабой
кислоты колориметрическим методом
Цель работы: 1.Практически ознакомиться с одним из методов физико¬
химического анализа фотоколориметрией. 2.Ознакомиться с устройством и принципом
работы фотоэлектроколориметра ФЭК-56 М. 3.Определить неизвестную концентрацию
окрашенного раствора колориметрическим методом. 4. Определить степень диссоциации
и константу диссоциации слабой кислоты колориметрическим метопом.
Приборы и оборудование
Фотоэлектроколориметр ФЭК-56 N4 с набором кювет; растворы СоСЬ с
концентрацией 0,05 М, 0,1 N4, 0,15 М, 0,2 N4, контрольные растворы СоСЬ неизвестной
концентрации; растворы Н28О4, №ОН, СН3СООН с концентрацией 0,02, 0,015, 0,01 и
0,005 н метлоранж. три пинетки на 10 мл, химические стаканчики на 50 мл;
і радуированная пипетка на 1 мл.
Теоретическое введение
При прохождении света через вещество могут наблюдаться такие явления, как
отражение, преломление, рассеивание света и его поглощение (абсорбция). Явлением
поглощения излучения называется уменьшение интенсивности пучка света после
прохождения его через какую-либо среду. Уменьшение интенсивности вызвано тем, что
атомы или молекулы вещества поглощают кванты света, переходя при этом с основного
энергетического уровня на более высокие, возбужденные уровни. Здесь наблюдается
строгая избирательность интенсивно поглощаются те кванты, энергия которых йу равна
энергии возбуждения частицы (перехода между двумя энергетическими уровнями). Так
как частота излучения и длина волны связаны соотношением у=с/1 (где с - скорость
света), то соответственно, поглощаться может только излучение с определенной длиной
волны. Исли вещество абсорбирует излучение с длинами волн от 400 до 760 нм (видимый
свет), то оно имеет окраску, причем интенсивность окрашивания будет связана с
концентрацией светол о глотающего вещества.
11а способности вещества поглощать излучение основана большая группа методов
физико-химического анализа, которая носит общее название абсорбционной
спектроскоп ни. По спектрам поглощения проводят качественный и количественный
анализ вещества (атомно-абсорбционный анализ, фотоколориметрия), широко
применяются они и для изучения строения вещества (ПК-спектроскопия).
Колориметрия - это один из простых методов абсорбционного анализа,
основанный на поглощении видимого света окрашенными растворами. Используется,
главным образом, в аналитической пракіике для количественного анализа.
Поглощающая способность вещества зависит как от электронного строения его
атомов и молекул, так и от длины волны падающею света, толщины светопоглощающего
слоя и концентрации вещества. Основным законом абсорбционной спектроскопии
является закон Буї ера-Ламберта-Бера:
Интенсивность падающего света 1о при распространении в некоторой среде
уменьшается но формуле:
[ПА;10:^	<■>

где Іо- интенсивность снега, падающего на раствор;
і( интенсивность света, прошедшего через раствор;
с- концентрация светопоглощающего вещества;
1 - толщина слоя, поглощающего свет;
є - молярный коэффициент поглощения. Величина е зависит от природы
вещества, поглощающего свет, от выбранной длины волны и от температуры.
Удобными вспомогательными величинами в спектроскопических экспериментах
являются пропускание Т и оптическая плотность 1). Пропускание Т представляет собой
отношение интенсивностей света, прошедшего через раствор 1( и падающею света 10
численное значение Т может изменяться в пределах от 0 до1. Оптическая плотность I)
это взятый с отрицательным знаком десятичный логарифм пропускания (меняется в
пределах от 0 до оо):
Г	П = _|§7=-1Л = іЛ
I 'о ,			Л)

Подставив значение оптической плотности в выражение закона Бугера-Ламбер га-
Бера, получим:
/»	/:1с	(2)
Оптическая плотность раствора прямо
пропорциональна концентрации свегопоглошающего
вещества.
Таким образом, график зависимости оптической
плотности от копнен грации раствора будет представлять
собой прямую линию, проходящую через начало
координат (рис. I).
Устройство и принцип работы фотоэлектроколоримегра
При всем многообразии приборов абсорбционной спектроскопии, в каждом из них
имеется несколько основных узлов, функции которых примерно одинаковы в различных
приборах Такими узлами являются: источник света, монохрома гизагор свеча, кювета с
исследуемым веществом, приемник света.
При прохождении света через кювету с раствором, помимо поглощения света,
имеет место также его рассеяние и отражение от стенок кюветы. Чтобы учеечь потерн
свеча на отражение и рассеяние, используют метод сравнения: с помощью оптической
системы линз и зеркал пучок света от источника деляї на два пучка равной
ин тенсивности. На пути этих световых потоков помещают две одинаковые кюветы одну
с исследуемым раствором, другую - с чистым растворителем. В обоих пучках потери от
рассеяния и отражения будут одинаковыми, а уменьшение интенсивности света будет
зависеть только от концентрации светопоглощающего вещества в растворе.
Фогоэлекгроколоримечр предназначен для непосредственного измерения
с вето пропускавші или ом ической плотнос ти окрашенных жидких растворов. На рис 2
изображен внешний вид фогоэлекчроколориметра ФЭК-56 и его принципиальная схема.

Рисунок 2
Источник свезя I представляет собой лампу накаливания, способную давать свез в
диапазоне от 315 до 630 им. Световой поток от источника попадает па светофильтр
(монохроматизатор) 2. В приборе имеется восемь сменных светофильтров, каждый
светофильтр пропускает свет только определенной длины волны, задерживая остальное
излучение Номера светофильтров и соответствующие им длины волн приведены в табл. 1.
Смена светофильтров производится с помощью барабана 8. После светофильтра пучок
свезя понадает на призму 3, которая делит его на два равных потока - правый
(измерительный) и левый (компенсационный). Равные пучки проходят через кюветы с
расі ворами 4. В левом пучке на все время измерений помещается кювета с растворителем;
в правом пучке поочередно помещаются то исследуемый раствор, то растворитель. Далее
световые потоки попадают на фотоэлементы 7, которые регистрируют интенсивность
прошедшего излучения. Фотоэлементы связаны с электрической схемой прибора. На
передней панели прибора имеется миллиамперметр 9, который регистрирует фототоки.
Если на оба фотоэлемента попадает свет одинаковой интенсивности, фототок от левого и
правого элемента одинаков, и стрелка амперметра находится на пуле. Если же фототоки
различны, стрелка отклоняется в ту или иную сторону.
Дня того чтобы уравнивать фототоки между собой, служат две диафрагмы - 5
(измерительная) и 6 (компенсационная). Диафрагмы связаны с барабанами 11. При
вращении барабанов изменяется размер отверстия соответствующей диафрагмы. Каждый
барабан имеет две отсчетные шкалы (10), красную и черную. Черная шкала показывает
светопропускапие в процентах, от 0 до 100; красная дает значение оптической
плотности.
Подготовка к работе ФЭК-56
Прибор включают в сеть не менее чем за 20 мин до начала измерений. За это время
электрическая схема прибора будет прогрета и наступит достаточно с табильный режим ее
работы.
Далее необходимо установить «электрический нуль прибора»:
шторкой перекрыть световые потоки;
проверить, ч тобы оба измерительных барабана 11 находились на отметке «100» по
шкале светопропускания (черная шкала) или «0» по шкале оптической плотности
(красная шкапа);
ручкой «установка нуля», находящейся на левой панели прибора, выставить стрелку
амперметра на «0».
Для колориметрических измерений необходимо взять три кюветы одинаковой
рабочей длины. Размер кюветы выбирают, исходя из свойств исследуемого раствора: для
слабоокрашенных растворов берут кюветы большой рабочей длины (30-50 мм), для
интенсивно окрашенных - малой длины (12-13 мм). Длина кюветы считается подходящей,
если измеряемое с ней значение оптической плотности составляет 0,3-0,5. Кюветы
тщательно ополаскивают дистиллированной водой и высушивают. Нельзя браться за
3

рабочую плоскость кюветы (ту, через которую проходит свет), а только за боковые грани.
Две кюветы заполняют дистиллированной водой, третью - исследуемым раствором.
Количество раствора ко всех кюветах должно быть одинаковым - до соответствующей
метки. Помещают кюветы в прибор в следующем порядке: в левый пучок - растворитель,
в правый -- исследуемый раствор и снова растворитель.
Колориметрические измерения
1.	І Іеред началом каждого измерения необходимо удостовериться в том, что оба
измерительных барабана выставлены на отметку «О» оптической плотности; выставлен
электрический нуль прибора; установлен необходимый помер светофильтра.
2.	В правом световом пучке помещают кювету с исследуемым раствором и открывают
ипорки, при этом Наблюдается отклонение стрелки амперметра от пулевого значения.
Вращением левою барабана выставляю! стрелку амперметра па «О».
3.	С помощью рукоятки 12 заменяют в правом пучке кювету с раствором на кювету с
растворителем. Стрелку амперметра вновь устанавливают нулевую отметку
вращением уже правою барабана.
4.	По измерительной” шкале правого барабана отсчитывают значение оптической
плотности (красная)шкала).
5.	/(ля того чтобы исключить случайные ошибки, каждое измерение оптической
плотности повторяют три раза и берут среднеарифметическое значение.
Ход работы
а. Определение концентрации окрашенного раствора
I.	Производится выбрр светофильтра Для исследования взять любой из окрашенных
растворов с известной концентрацией Измери ть значение оптической плотности этого
раствора с каждым из светофильтров. Данные занести в таблицу 1.
__ Р’Фзлш!
Маркировка
светофильтра
1
2
3
4
5
’ 6
7 '
- - --- -
Длина волны, им
364
400
__440_
490 “
540
_^82_
~бТо”~
Г-Д
із?
1Д
Г-Дредн
2.	Поданным таблиць! 1 построить график 1, откладывая на оси абсцисс длины волн, а на
оси ординат - соответствующие значения оп тической плотности ПСрсдн-
I
4

оптической плотности с исследуемым раствором максимально, и ход кривой примерно
параллелен осп X (оптическая плотность мало зависит от длины волны).
Выбран светофильтр №
4.	С выбранным светофильтром определить оптическую плотность 4-5 растворов с
известной концентрацией. Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
Концентрация
исследуемого раствора
с, моль/л
!Т
Эз
^срсдн
5

5. По данным таблицы 2 построить калибровочный график 2, где па оси абсцисс
Контрольный раствор №
Оптическая плотность 1) =
Концентрация С =
Контрольный раствор №
Оптическая плотность I) =
Концентрация С =
Контрольный раствор №
Оптическая плотность I) -
Концентрация С =
6

6. Фотометрическое определение концентрации
ионов водорода, степени диссоциации и константы
диссоциации слабой кислоты
Многие слабые кислоты (основания) и продукты их диссоциации избирательно
поглощают излучение видимой обласги спектра и поэтому являются окрашенными. Цвет
раствора, содержащего кислоту и ее анион, определяется отношением их концентраций,
которая, в свою очередь, зависит от константы диссоциации кислоты и от рН раствора.
Слабые кислоты (основания), одна или обе формы которых являются окрашенными,
известны как кислотно-основные индикаторы. По изменению окраски индикаторов
можно определить рП раствора или установить точку эквивалентности при кислотно¬
основном титровании. Индикатор, как слабый электролит, характеризуется константой
диссоциации:
где [Г] и [НІ]
(О
концентрация соответственно диссоциированной и
недиссоциированной формы индикатора.
Таким образом, если известна константа диссоциации индикатора, то концентрация
ионов водорода в расздоре может быть найдена из соотношения:
Если обе формы индикатора окрашены, то каждая из них вносит свой вклад в
оптическую плотность раствора, причем по-разному окрашенные диссоциированная и
недиссоциированпая форма имеют разный молярный коэффициент поглощения Е:
р? = /)И} +	= (єН]СИ1 т с)1	(3)
где Г) - измеряемая оптическая плотность раствора;
□ні и О|‘ оптическая плотность, создаваемая педиссоциированной и
диссоциированной формой индикатора;
сіп и сГ концентрации недиссоциированной и диссоциированной формы
индикатора;
Єні и Є|’ молярные коэффициенты поглощения недиссоциированной и
диссоциированной формы индикатора.
Если индикатор является слабой кислотой, то присутствие сильной кислоты будет
в значительной мере подавлять его диссоциацию, поэтому с определенной степенью
приближения можно считать, что в растворах сильных кислот присутствует только
недиссоциированпая форма индикатора. Соответственно, в растворах сильных оснований
равновесие диссоциации индикатора сильно смещено вправо, и можно считать, что
оптическая плотность раствора обусловлена только диссоциированной формой
индикатора:
В растворах слабых кислот диссоциация индикатора будет неполной, и
присутствовать будут одновременно обе его формы. Преобразованием уравнений (2—5)
можно получить выражение для расчета концентрации ионов водорода в растворе слабой
кислоты:
(6)
7

где І) - измеряемая оптическая плотность индикатора в растворе слабой кислоты;
Оці измеряемая оптическая плотность индикатора в растворе сильной
кислоты;
-- оптическая плотность индикатора в растворе сильного основания.
Все измерения оптической плотноеIII должны проводиться в кюветах одной и
гой же длины, при одном и том же светофильтре и при одинаковой концентрации
индикатора во всех трех рас творах.
Зная концентрацию иона водорода и общую аналитическую концентрацию
кислоты с, можно рассчитать степень диссоциации слабой кислоты а:
и константу диссоциации Кд, которая связана с концентрацией слабой кислоты и
степенью диссоциации соотношением, которое носит название «закон разбавления
Оствальда»:
Для разбавленных растворов и достаточно слабых кислот выражение (8) может быть
упрощено и преобразовано в выражение (9), откуда получим формулу для расчета
константы диссоциации непосредственно через концентрацию ионов водорода (10):
С
(9)
Ход работы
I.	Производится выбор светофильтра. Для исследования взять раствор сильной кислоты
концентрации 0,02 и, в две кюветы для сравнения налить раствор сильной кислоты без
индикатора, в третью - раствор сильной кислоты с индикатором метилоранжем.
Измерить оптическую плотность раствора при разных длинах волн. Данные занести в
таблицу 1 (Е>ні)- Тщательно ополоснуть и высушить кюветы и заполнить их раствором
сильного основания с концентрацией 0,02 и (две, для сравнения, без индикатора, одну
с индикатором метилоранжем). Измерить оптическую плотность раствора при
разных длинах волн. Данные занести в таблицу 1 (Оі) Тщательно ополоснуть и
высушить кюветы и заполнить их раствором слабой кислоты с концентрацией 0,02 и
(две, для сравнения, без индикатора, одну - с индикатором метилоранжем). Измерить
оптическую плотность раствора при разных длинах волн. Данные занести в таблицу I
(О).
Таблица I
| Маркировка
светофильтра
і
2
3
4
5
6
’ 7 ~
ПИ
1




Длина волны, нм
315
363
400
4 К)
490
~540
582
1 610
□ні
і
ог
Ї5
2. По данным таблицы I построит ь график 1, откладывая на оси абсцисс длины волн, а па
оси ординат - соответствующие значения оптической плотности I) каждого из грех
растворов. Выбрать нужно гот светофильтр, который дает как можно большее
значение оптической плотности по от ношению к обеим формам индикатора.
8

концентрации индикатора оптическая плотность должна лежать в интервале 0,3 - 0,7
Отмерить пинеткой 10 мл раствора слабой кислоты концентрации 0,005 и перенести в
химический стаканчик. С помощью градуированной пипетки добавить 0,1 мл
метилоранжа, перемешать раствор, заполнить данным раствором кювету (две
контрольные кюветы заполнены гем же раствором, но без индикатора). Измерить
оптическую плотность раствора. Если оптическая плотность с данным количеством
индикатора находи тся в пределах 0,3 0,4, данная концентрация индикатора оптимальна
для проведения опыта, если опа меньше или больше данного значения, опыт следует
повторить при другом количестве мл индикатора, добиваясь оптимального значения
оптической плотности. Данные занесім в таблицу 2.
Таблица 2
Объем индикатора, мл
Оптическая плотность, I)
Оптимальный объем индикатора =	мл/10 мл рас і вора
Все дальнейшие измерения оптической плотности во всех испытуемых растворах сильной
и слабой кислоты, сильного основания проводить сданным количеством индикатора
4.	Измерить оптическую плотность индикатора в растворах серной кислоты с
концентрацией 0,005, 0,01, 0,015 и 0,02 и. Данные занести в таблицу 3 (Ощ). Каждое
измерение проводить 3 раза, из них брать среднее.
5.	Измерить оптическую плотность индикатора в растворах гидроксида натрия с
концентрацией 0,005, 0,01. 0,015 и 0,02 н. Данные занести в таблицу 3 (Ог). Каждое
измерение проводи ть 3 раза, из них брать среднее.
6.	Измерить оптическую плотность индикатора в растворах уксусной кислоты с
концентрацией 0,005, 0,01, 0.015 и 0,02 и. Данные занести в таблицу З (О). Каждое
измерение проводить 3 раза, из них брать среднее.
Таблица 3
с, моль/л
□нГ

5г
Э
ІН'І
а
Кд
0,005
РРРО
€
2 II II II
=
Г
Ог(і)=
□Г(2Г
О|-(зГ
1^1 ~(средц)~
р РР £
§ 2 5 3
2 и и п
*і
0,01
р р р р
2 'Зі 'її 'її
Гн
II
ІГ іц |
ІЦ	І
0
0.01 5
рр ОрІ
2 'її 'її 'її і
ні
2 'її 'її 'її 1
О(І)=
О(2Г
О(ЗГ
19(срсли)~

6,02
Е)ш(і)=
□шрй
Оні(3)=
Рні(срсдн)~

Оі-(2)=
1)г(3)=
Е)і~(СрСдн)~

Ці)=
□(2)=
О(3)=
О(срсдн)~
7. Рассчитать |Н'| по формуле (6), где Кинд для метилоранжа составляет 2)СґТа по
формуле (7), Кд по формуле (9) или (10). Данные внести в таблицу 3.
X. Рассчитать среднее значение константы диссоциации и относительную ошибку опыта
(теоретическое значение Кд уксусной кислоты 1,7 10‘)
Кд(средп) =

О ~ ^(^/>)|
Кд(т вор)
п =
Вывод:
9
ю

Вопросы к защите работы
I С чем связано поглощение света веществом, какие еще явления наблюдаются при
прохождении света через оптически активную среду? Какова область использования
методов абсорбт(ионной спектроскопи и.
2.	(‘формулировать закон Бугера-Ламберта-Бера и объяснить физический смысл
входящих в него величин. Почему в спектроскопических экспериментах оказывается
удобным использование оптической плотности растворов? Каков физический смысл
этой величины?
3.	Описать устройство и принцип работы фотоэлектроколориметра. Каким образом
производится выбор светофильтра и оптимальной концентрации светопоглощающего
вещества?
4.	Сформулировать основные положения теории электролитической диссоциации.
Вывести уравнение закона разбавления Оствальда для бинарного электролиза,
объяснить смысл входящих в него величин.
5.	Сформулировать основные положения теории кислотно-основных индикаторов. От
каких факторов зависит окраска индикатора? Что такое К,„1Д и интервал перехода
индикатора?
11