基于手持技術的雙波長法測定甲基橙的電離平衡常數

鄭海鵬 曾桂花 陳博3

摘? ?要：利用手持技術設備中的色度傳感器和pH傳感器，設計了雙波長法測定甲基橙的電離平衡常數的手持技術實驗，通過擬合一次方程得出測定結果，結果較準確，誤差較小，是一種可行的實驗方法，不僅可以應用在中學的化學課外興趣實驗中，也能很好激發學生的探究興趣，還豐富了手持技術的實驗實踐案例。

關鍵詞：手持技術；甲基橙；雙波長法；電離平衡常數

1? 引言

酸堿指示劑大多是有機弱酸或有機弱堿，其酸式體和堿式體具有不同的顏色。當pH值發生改變時，指示劑因獲得質子或失去質子發生結構變化，因而對光的吸收也發生變化，從而引起顏色的變化[ 1 ]。對于一元弱酸或一元弱堿來說，溶液中弱電解質電離所生成的各種離子濃度的乘積，與溶液中未電離分子的濃度之比為電離平衡常數，對于酸堿指示劑，pKa是衡量酸堿指示劑適用pH范圍的重要參數[ 2 ]。準確測定酸堿指示劑的pKa對化學教學、科研和工業生產具有重要地位。

分光光度法是常見測定酸堿指示劑pKa的方法，具有靈敏度高和準確性高的特點。因此，筆者在中國知網查閱了相關文獻后發現，方舟和錢揚義教授[ 3 ]利用手持技術中的色度計和pH傳感器測定甲基橙的pKa，實驗中使用透光率作為測定數據之一，并未說明光源是復合光白光或是某波長下的光。再者，甲基橙溶液的顏色為黃與紅的復合色，僅用某波長下的光或白光作為光源測定透光率或吸光度，無法得到復合色中各自原色下的最靈敏和最大的吸光度。因此，該實驗方法可以進一步完善。筆者參考了分光光度法測定酚酞pKa的數據處理方法[ 4 ]、熊艷等人[ 5 ]利用雙波長法測定溴百里酚酞pKa的實驗方法，結合手持技術數字化實驗設備中的pH傳感器和色度傳感器，設計了雙波長分光光度法測定甲基橙的電離平衡常數的實驗，分光光度法不僅具有靈敏度高和準確性高的特點，還具有明顯的視覺吸引力，能夠很好地引起學生的興趣，可以作為中學生的課外探究實驗。

2? 實驗原理和方法

甲基橙是一種常見的一元有機弱酸，常常用作酸堿滴定的指示劑，甲基橙在pH小于3.1時呈現紅色，大于4.4時呈現黃色，在3.1～4.4之間呈現紅色與黃色的混合色，即橙色，pKa為3.4[ 1 ]。甲基橙在水溶液中發生的電離反應如圖1所示。

若用HB表示甲基橙，則可以用（1）式表示甲基橙在水溶液中的電離：

HB（紅色）？葑H++B-（黃色）（1）

當甲基橙在溶液中達到電離平衡時，電離平衡常數Ka可以由（2）式計算。

如圖1所示，當甲基橙在pH小于3.1的溶液中時，以酸式體為主，當pH大于4.4時，以堿式體為主。當甲基橙溶液處于橙色狀態時，即紅色與黃色的混合色。在適當的pH中，使甲基橙溶液呈現橙色，分別在酸式體（紅色）和堿式體（黃色）的最大吸收波長下測定橙色的甲基橙溶液的吸光度，可以測得橙色的甲基橙溶液中酸式體（紅色）和堿式體（黃色）濃度，結合比爾定律，即當一束平行單色光通過有色溶液時，溶液的吸光度A與吸光物質的濃度c成正比，可得到（4）和（5）式。

AR=kR[HB]（4）

AY=kY[B-]（5）

其中，AR表示橙色溶液在酸式體（紅色）最大吸收波長下的吸光度，AY表示橙色溶液在堿式體（黃色）最大吸收波長下的吸光度，kR和kY分別表示酸式體（紅色）和堿式體（黃色）的吸光度公式比例系數。

當甲基橙處于酸式體（紅色）時，其最大吸光度對應的波長λR=520 nm，處于堿式體（黃色）時，其最大吸光度對應的波長λY=460 nm[ 3 ]，根據比爾定律，可以得到（7）和（8）式。

在同一濃度的甲基橙溶液中，當甲基橙全部為酸式體（紅色）與全部為堿式體（黃色）時，酸式體（紅色）與堿式體（黃色）的濃度相同，可以得到（9）式。

3? 實驗儀器和藥品

3.1? 實驗儀器

威尼爾色度傳感器、pH傳感器、容量瓶（100 mL、250 mL）、量筒、燒杯、25 mL比色管。

3.2? 實驗藥品

1 mol/L HCl、1 mol/L NaOH、0.1 mol·L-1 HAc溶液、0.1 mol·L-1 NaAc溶液、1%甲基橙指示劑。

4? 實驗步驟

4.1? 基本溶液的配制

（1）0.1 mol·L-1 HAc溶液的配制。取36% HAc 4.0 mL定容在250 mL容量瓶。

（2）0.1 mol·L-1 NaAc溶液的配制。在電子天平上稱取無水NaAc固體0.82 g溶解、并定容在100 mL容量瓶中。

（3）1 mol·L-1 HCl的配制。取濃HCl 8.3 mL定容在100 mL容量瓶中。

（4）1 mol·L-1 NaOH的配制。在分析天平上稱取NaOH固體約4.00 g溶解、并定容在100 mL容量瓶中。

4.2? 甲基橙溶液的配制

（1）將7個潔凈的25 mL比色管標記編號為1～7號溶液；

（2）依據表1，在1～5號比色管中配制不同pH的緩沖溶液，用蒸餾水稀釋至25 mL刻度線，搖勻；

4.3? 組裝實驗裝置

如圖3所示，將色度傳感器和數據采集器連接計算機，再將比色皿放入色度傳感器中即可在計算機中得到吸光度讀數。pH傳感器同理。

圖 3? 手持技術儀器裝置

4.4? 溶液吸光度的測定

4.4.1? 測定波長λR=565 nm下的吸光度

（1）校正。將色度傳感器的波長選為565 nm，加入適宜蒸餾水，穩定后，按下調零按鈕“cal”；

（2）按照1、2、3、4、5、6的組別順序測定吸光度；

4.4.2? 測定波長λY=470 nm下的吸光度

（1）校正。將色度傳感器的波長選為470 nm，加入蒸餾水，穩定后，按下調零按鈕“cal”；

（2）按照5、4、3、2、1、7的組別順序測定吸光度；

4.5? 溶液pH的測定

按照pH從小到大的順序的測定各組溶液的pH，順序為1、2、3、4、5。

5 結果與討論

5.1? 數據處理與分析

如圖4所示，擬合的一次方程為y =-1.2431x + 3.3946，擬合度為R2 = 0.9748，表明曲線擬合良好，截距為3.3946，則pKa=3.3946，與文獻值3.4對比，相對誤差為 -0.16%，誤差范圍在±1%內，結果準確。

5.2? 實驗討論

甲基橙是一種常見的酸堿指示劑，將甲基橙作為本實驗的研究對象，可以在中學化學學習中深入認識甲基橙的相關性質，拓展學生對弱電解質的電離平衡和電離平衡常數的理解。實驗使用HAc-NaAc作為緩沖溶液，藥品常見，容易獲取，無需精確量取HAc和NaAc的體積，結合手持技術數字化實驗設備，實驗操作簡便，容易上手，學生能輕松掌握實驗操作。并且，該實驗不僅可以作為中學生課外探究的實驗課題，實驗過程具備一定的探究性，還進一步豐富了運用手持技術的實驗案例。

對于單一顏色的酸堿指示劑的pKa可以使用一般的單波長法測定，例如酚酞和百里酚酞。而對于酸式體和堿式體均有顏色的指示劑的pKa可以使用雙波長法進行測定，例如甲基橙、甲基紅和溴百里酚藍，分別在兩種不同的波長下測定溶液的pH和溶液中酸式體和堿式體的吸光度，則可以推算出該指示劑的pKa。實驗結果說明該方法的相對誤差小，結果較準確，是一種可行的實驗方法。同樣的原理亦可適用于其他雙色混合型的指示劑。甲基橙在酸溶液中呈現紅色，在堿溶液中呈現黃色，在紅色與黃色之間呈現兩者的混合色——橙色，在不同的pH溶液中呈現出不同色階的橙色，顏色明顯。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》強調從化學核心概念或基本原理中提出并選擇研究性問題，開展有關實驗活動，例如平衡常數的測定，也多次提及到比色法，可以看出比色法是一種適合的實驗方法[ 6 ]。教師可以在課內外引導學生掌握更多的科學探究實驗方法，建立解決某類實驗問題的實驗思路和方法，培養高層次的實驗思維，在實驗探究的成果基礎上能夠撰寫實驗小論文。

參考文獻：

［1］ 任健敏， 韋壽蓮， 劉夢琴， 等. 分析化學[M]. 北京： 化學工業出版社， 2014： 66-67.

［2］ 王晶， 鄭長龍. 普通高中教科書·化學·選擇性必修1·化學反應原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 57.

［3］ 方舟， 錢揚義. 運用手持技術測定甲基橙的電離常數Ka[J]. 化學教育（中英文）， 2011， 32（9）： 71-72.

［4］ 鄭海鵬， 陳博， 陳旖勃. 基于數字化實驗技術測定酚酞的電離常數[J]. 教育與裝備研究， 2019， 35（9）： 81-84.

［5］ 熊艷， 李香， 李俊， 等. 分光光度法測定指示劑解離常數的實驗教學改進與實踐[J]. 化學教育（中英文）， 2020（6）： 31-35.

［6］ 中華人民共和國教育部. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2017.