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1、综合化学实验报告甲基橙解离常数测定、印染废水中甲基橙含量测定及脱色实验08 应用化学（2）班_2011 年_月_ 日甲基橙解离常数测定、印染废水中甲基橙含量测定及脱色实验前言 1一、 实验设计思路印染染料废水排放量大、有机物浓度高、难于生化降解，是备受关注的工业废水。甲基橙是常见的印染染料之一，具有较高毒性、难以生物降解。测定甲基橙的解离常数、建立废水中甲基橙含量测定及脱色去除方法具有重要意义。本实验以甲基橙为研究对象，根据甲基橙溶液的酸碱电离平衡，利用双线作图法测定甲基橙的解离常数；分别在甲基橙酸式最大吸收波长、碱式最大吸收波长和等吸收波长下，建立废水中甲基橙含量测定方法并进行方法评价；利用
2、物理脱色和催化氧化脱色进行废水中甲基橙的脱色研究。涉及知识点及实验技术如下:二、实验目的(1) 掌握分光光度法测定解离常数的原理及方法；(2) 掌握甲基橙含量测定方法及方法评价；(3) 掌握废水中甲基橙物理脱色及催化氧化脱色的原理和过程；(4) 学会单因素法确定最佳实验条件的方法。三、 实验原理 1、 pK a的测定甲基橙是一种典型的偶氮染料，存在下列解离平衡:(碱型，偶氮式) 黄色 (酸型，锟式）红色以 HIn 代表甲基橙的酸式结构，In -代表甲基橙的碱式结构，则解离平衡简式为：HInH+In-则 Ka = H+In -/HIn 若甲基橙总浓度为 c，则 c = HIn + In-，所以就
3、有： (1)In- =cKaa+H+ (2)HIn=c+KaH甲基橙的酸式和碱式具有不同颜色即具有不同的吸收光谱。利用分光光度法，将酸式、碱式甲基橙的吸光度叠加，得出不同 pH 下甲基橙溶液吸收值为：A =AHIn + A In-= HIn b HIn + In- b In-(3)将(1)(2)带入可得 (4)cH+Ka+cKaa+H+A=HInbIn-b其中 b 为光程， HIn为酸式摩尔吸光系数， In-为碱式摩尔吸光系数，A为甲基橙溶液的吸光值。当 b 为 1cm 时，上式简化为 A = HIn HIn + In- In- 当溶液为强酸性条件(pH 较低)时，甲基橙几乎全部以酸型 HIn
4、 存在，存在酸式最大吸收波长(a)。此时 cHIn，则 AHIn = HInHIn HIn c (5)其中，A HIn为强酸性条件下甲基橙溶液的吸光值。因此，测定强酸性条件下，一定已知浓度甲基橙溶液的吸光度，可得出酸式摩尔吸光系数 HIn ( HIn = AHIn/c) 当溶液为强酸性条件(pH 较高)时，甲基橙几乎全部以碱型 In-存在，存在碱式最大吸收波长(b)。此时 c In -，则 AIn-= In-In- In-cAIn-为强碱性条件下甲基橙溶液的吸光值。因此，测定强碱性条件下，一定已知浓度甲基橙溶液的吸光度，可得出碱式摩尔吸光系数 In- ( In- = AIn-/c)。将 HIn
5、、 In-代入(4)可得出任一 pH 条件下，甲基橙溶液的吸光度为A = AHIn/c + AIn-/c HIn=cH+KaIn- =cKaa+H+整理得： AIn-HIn-H+Ka=(6) AIn-HIn-pKa=pH+lg当 时，即 ( )时 pKa = pH。AIn-HI-lg=0 AIn-HI-=1AHIn+AIn-=2利用(6)式可以利用单线作图法或双线作图法进行 pKa 的测定，从而得出甲基橙解离常数 Ka。单线作图法具体为：选择酸式最大吸收波长(a)或碱式最大吸收波长( b)，固定甲基橙浓度，改变 pH，进行吸收值的测量，作 A-pH 曲线，如图 1 所示。处，pH = p Ka
6、。AHIn+AIn-=2图 1 单线作图法计算 pKa图 2 双线作图法计算 pKa双线作图法为：分别选择酸性和碱性吸收波长，固定甲基橙溶液浓度而改变 pH，进行吸收值的测量，作 A-pH 曲线，两条 A-pH 曲线的交点所对应 pH 即为 pKa，如图 2 所示。2 、甲基橙含量测定及方法评价当溶液 pH 较低时，甲基橙几乎全部以酸型 HIn 存在，存在酸式最大吸收波长(a)。在此吸收波长下，一定浓度范围内的甲基橙溶液，吸光度与浓度服从郎伯-比尔定律，可以进行定量分析。当溶液 pH 较高时，甲基橙几乎全部以碱型 In-存在，存在碱式最大吸收波长(b)，在此吸收波长下，一定浓度范围内的甲基橙溶
7、液，吸光度与浓度服从郎伯-比尔定律服从郎伯-比尔定律，可以进行定量分析。酸性吸收曲线和碱性吸收曲线之间存在一个交叉点，即等吸收点波长(e)，在这个波长下一定浓度范围内的甲基橙溶液，在任何酸碱性条件下，吸光度与浓度均服从郎伯-比尔定律，可以进行定量分析。利用逐级稀释法配置一系列不同浓度的酸性或碱性甲基橙标准溶液，在a、b、e 下，建立三条甲基橙浓度-吸光度工作曲线，可分别进行甲基橙含量分析。当置信度为 95%时，采用 F 检验判断是否存在精密度的显著性差异，再利用 T 检验法判断三个波长下计算出的甲基橙含量是否存在系统误差。3 、废水中甲基橙的脱色研究印染染料废水排放量大、有机物浓度高、难于生化
8、降解，是备受关注的工业废水。染料废水的处理方法很多，主要有氧化、吸附、膜分离、絮凝、生物降解等。其中，物理吸附法是利用吸附剂对废水中染料的吸附作用去除污染物。吸附剂是多孔性物质，具有很大的比表面积. 活性炭是目前最有效的吸附剂之一，能有效去除废水中的染料。以过渡金属为催化剂、以过氧化氢为氧化剂的催化氧化体系是目前广泛应用的染料脱色体系。该体系对染料氧化彻底，不会带来二次污染。过氧化氢与催化剂 Fe2+构成的氧化体系是常用的废水脱色体系，通常称为 Fenton 试剂。脱色过程中，甲基橙被催化剂激发氧化剂产生的强氧化性自由基所氧化降解。实验部分一、 仪器与试剂仪器：分光光度计(UNICOM 200
9、0)，酸度计，分析天平，磁力搅拌器，水浴锅，吸量管(1mL、5mL，10mL，25mL) ，容量瓶 (50mL，100mL ，250mL)。试剂：甲基橙标准品，未知浓度甲基橙废水和已知浓度甲基橙废水(30 mg/L)，盐酸 (6mol/L，12 mol/L)，标准缓冲溶液(pH = 6.86、9.18） ，氢氧化钠，醋酸(0.5 mol/L） ，醋酸钠溶液(0.5 mol/L） 。磷酸，磷酸钠，磷酸二氢钠，磷酸一氢钠，碳酸钠，碳酸氢钠。二、实验操作1、pK a 的测定（1）配制甲基橙溶液用分析天平称取甲基橙 0.1098g，溶解后在 250mL 容量瓶中定容，作为储备液，然后移取 25.00m
10、L 储备液于另一 250mL 容量瓶中定容后，作为工作溶液。（2）吸收曲线(A- 曲线)确定酸式最大吸收波长、碱式最大吸收波长、等吸收点波长移取 10.00 mL 甲基橙工作溶液于 50mL 的容量瓶中 ，用 0.1 mol/L 盐酸溶液定容。此时，甲基橙全部以酸式存在，测定 A- 曲线（测定范围：400-600nm，间隔 10nm 读取一次吸光度 A） ，确定酸式最大吸收波长(a)。移取 10.00 mL 甲基橙工作溶液 于 50mL 的容量瓶中 ，用 0.1 mol/L 氢氧化钠溶液定容。此时，甲基橙全部以碱式存在，测定 A- 曲线（测定范围：400-600nm，间隔 10nm 读取一次吸
11、光度 A） ，确定碱式最大吸收波长(b) 。上述酸性、碱性甲基橙溶液对应的两条 A- 曲线的交点对应等吸收点波长(e)。(3) 不同酸度甲基橙溶液的配制及 pH 测定 配制一系列不同酸度的溶液：0.1 mol/L 盐酸溶液(pH = 1)、0.05 mol/L 盐酸溶液 (pH2)、pH = 3 6 的醋酸盐缓冲液、pH = 7 8 的磷酸盐缓液， 0.01 mol/L 氢氧化钠溶液(pH12)，0.1 mol/L 氢氧化钠溶液(pH=13) 。取 10 个做好标记的 50mL 容量瓶，分别移取 10.00 mL 甲基橙工作溶液，依次用上述 10 种不同酸度溶液进行定容，得到不同酸度的甲基橙溶
12、液。依据酸度降低，得出 1-10 号甲基橙样品。酸度计采用两点法进行校准后，进行 1-10 号甲基橙样品 pH 的测定。(4) 双线作图法计算 pKa分别以 a、 b 为测量波长，测量 1-10 号样品的吸光值，绘制两条 A-pH 曲线，两线交点对应的 pH 即为 pKa。2、甲基橙含量测定及方法评价(1) 不同浓度酸性 、碱性甲基橙溶液及样品溶液的配置以 0.1 mol/L 盐酸溶液为介质、配制不同浓度的一系列酸性甲基橙溶液。此时，甲基橙全部以酸式存在。移取甲基橙工作溶液 10.00、25.00 、40.00mL 分别放入编好号的三个 50 mL 容量瓶中，用 0.1 mol/L 盐酸溶液定
13、容，得到不同浓度的酸性甲基橙溶液，然后逐级稀释 2 次，每次从上次配好的溶液中移取 5mL溶液于 50mL 容量瓶中定容，共得到 9 个标准样。同时进行样品溶液配置：移取未知浓度甲基橙废水 100.00 mL 放入 250 mL 容量瓶中，用 0.1 mol/L 盐酸溶液定容。以 0.1 mol/L 氢氧化钠溶液为介质、配制不同浓度的一系列碱性甲基橙溶液。此时，甲基橙全部以碱式存在。移取甲基橙工作溶液 10.00、25.00 、40.00mL 分别放入编好号的三个 50 mL 容量瓶中，用 0.1 mol/L 氢氧化钠溶液定容，得到不同浓度的碱性甲基橙溶液，然后逐级稀释 2 次，每次从上次配好
14、的溶液中移取 5mL 溶液于 50mL 容量瓶中定容，共得到 9 个标准样。同时进行样品溶液配置：移取未知浓度甲基橙废水 100.00 mL 放入 250 mL 容量瓶中，用 0.1 mol/L氢氧化钠溶液定容。(2) 工作曲线绘制及样品含量测量以 a 为测量波长，以 0.1 mol/L 盐酸溶液为空白，分别测定不同浓度酸性甲基橙溶液的吸光值，得出酸式最大吸收波长下的工作曲线。测定废水样品吸光度值( 平行 5 次) ，根据工作曲线，得出废水中甲基橙含量。以 b 为测量波长，以 0.1 mol/L 氢氧化钠溶液为空白，分别测定不同浓度碱性甲基橙溶液的吸光值，得出碱式最大吸收波长下的工作曲线。测定
15、废水样品吸光度值(平行 5 次) ，根据工作曲线，得出废水中甲基橙含量。以 e 为测量波长，选择酸性或碱性甲基橙溶液溶液测定吸光值，得出等吸点波长( e)下的工作曲线。测定废水样品吸光度值(平行 5 次)，根据工作曲线，得出废水中甲基橙含量。(3) 方法评价当置信度为 95%时，采用 F 检验判断是否存在精密度的显著性差异，再利用 T 检验法判断三个波长下所得废水中甲基橙含量是否存在系统误差。3、 废水中甲基橙的脱色研究(1) 活性炭物理脱色吸附平衡时间的测定 1取 200.00mL 废液于一烧杯中，在 e 下测定其吸光度，然后加入 0.2g 活性炭，搅拌并开始计时，每隔十分钟测定一次吸光度，用时约 1.5h。物理吸附与溶液 PH 的关系测定 2取 100.00mL 废液于一烧杯中，并加入 50.00mL 盐酸（0.1mol） ，摇匀，在e 下测定其吸光度，然后加入 0.1g 活性炭，搅拌并开始计时，每隔十分钟测定一次吸光度，用时约 70min，得到平衡吸附时间
