波谱分析实验2015.11

实验一 苯甲酸解离常数的测定

一、目的要求

通过测定苯甲酸在不同pH 条件下的吸光度，求出苯甲酸的离解常数，并掌握紫外光谱法测定弱酸解离常数的方法及光度法在研究离子平衡中的应用。

二、基本原理

利用分光光度法可以精确地测定弱酸或弱碱的离解常数。如果一个化合物其紫外吸收光谱随其溶液的pH 值，即溶液中氢离子浓度不同而不同，则可以利用紫外光谱测定其解离常数。

设弱酸HB 按下式解离：

-++?+B O H O H HB 32

它的解离常数

HB B O H a K ααα-

+?=3 (式1)

式中HB α、+O H 3

α、-B α分别表示平衡时HB ，H 3O +，B -的活度，在稀溶液中可以

用浓度C 代替活度，因此

HB B O H a C C C K -+?=3

(式2)

等式两边取负对数，则式（2）可写成

)log(-

+=B HB a C C pH pK (式3) 为了测定离解常数K a ，需要测出溶液的pH 值及C HB 与C B -的比值。pH 值可以用加入缓冲液的方法加以控制或用pH 计进行测量。平衡体系中C HB 和C B -可以用分光光度法测定，但是HB 和B -必须在紫外光区或可见光区有吸收，而且他们的吸收带应有明显的差别。

为了通过测量溶液的吸光度求出C HB 与C B -需要配制3个不同pH 的HB 溶液，即足够强的酸性溶液，足够强的碱性溶液和pH 接近HB 的pK a 值的溶液，在一定波长下分别测量3个溶液的吸光度。在酸性溶液中由于同离子效应的影响，HB 离解极少，测得的吸光度A 可以看成是HB 的吸光度A HB 。在碱性溶液中HB 几乎全部解离，因而测得的吸光度A 可以看成是B -的吸光度A B -，而当溶液的pH 在pK a 附近时，

HB 与B -共存，平衡时其吸光度为：（吸收液层厚度都为1cm ）

--+=B B H B H B C C A εε

(式4)

式中HB ε、-B ε分别为HB 、B -的摩尔吸光系数 HB C 、-B C 分别为平衡时HB 、B -的浓度

在酸性溶液中测得的吸光度为：0C A H B H B ε= (式5)

在碱性溶液中测得的吸光度为：0C A B B --=ε (式6)

式中C 0为HB 的起始浓度且

-+=B H B C C C 0

(式7)

将式7代入式4中可求得C HB 和C B -为 -

---=

B HB B HB

C A C εεε0 ----=B HB HB B A C C εεε0 两式相除得： A

C C A C C HB B B HB --=--00εε （式8） 式8中0C B -ε与0C HB ε分别用A B -与A HB 代替，得：

A

A A A C C H

B B B HB --=-- （式9） 将上式代入式3中，可得pKa 的计算公式：

)log(A A A A pH pK HB B a --+=-

（式10）

根据式（10），只需测定酸性溶液中HB 的吸光度，碱性溶液中B -的吸光度以及溶液的pH 值接近pK a 时平衡混合物的吸光度，就可以计算出HB 的离解常数pK a 。

三、仪器与试剂

1、仪器：紫外分光光度计；pH 计；分析天平；容量瓶25mL 、500mL ；5mL 移液管

2、试剂：苯甲酸、0.05moL·L -1H 2SO 4；0.1 moL·L -1NaOH ；pH=3.6缓冲液；pH=4.5缓冲液

四、实验步骤

1、配制苯甲酸溶液

准确称取0.120g苯甲酸，溶于蒸馏水中，然后移入500mL容量瓶中，将蒸馏水稀释至刻度。

各取5mL上述苯甲酸溶液于4个25mL容量瓶中，分别加入 2.5mL 0.05 moL·L-1H2SO4溶液，2.5mL0.1 moL·L-1NaOH 溶液，20mL pH=3.6缓冲液和20 mL pH=4.5缓冲液，然后用蒸馏水稀释至刻度。

2、测定苯甲酸溶液的pH值

用pH计分别测量4种苯甲酸溶液的pH值。

3、测定苯甲酸溶液的紫外吸收光谱

分别以0.05 moL·L-1H2SO4溶液，0.1 moL·L-1NaOH 溶液，pH=3.6缓冲液和pH=4.5缓冲液作参比，用1cm吸收池，测定上述4种苯甲酸溶液在波长250-400nm 范围内的吸收光谱。

五、数据处理

1、根据苯甲酸溶液的吸收光谱，选择一个测定波长，确定该波长下4种溶液的吸光度A HB，A H-，A(pH=3.6)和A(pH=4.5)

2、将溶液的pH值，吸光度值代入式中，分别计算pH=3.6和pH=4.5条件下苯甲酸的离解常数，并计算平均值。

六、问题讨论

1、将测得的苯甲酸离解常数与文献值对照，讨论产生误差的原因。

2、苯甲酸的离解常数是否与溶液的pH及溶液的温度有关？为什么？

3、若改变测定波长，对离解常数值有何影响？请另选一个测定波长计算离解常数验证之。

4、如果一弱酸在酸性和碱性介质中其吸收光谱无明显差别，是否仍可以用本实验方法测定其离解常数？

实验二、红外光谱法鉴定有机化合物结构

一、目的要求

1、联系红外光谱的理论知识，了解傅立叶红外光谱仪的工作原理与操作。

2、掌握红外光谱制样方法。

3、掌握根据红外光谱图进行结构分析的方法

二、基本原理

能量在400-4000cm-1的红外光不足以使样品产生分子电子能级的跃迁，而只是振动能级与转动能级的跃迁。由于每个振动能级的变化都伴随许多转动能级的变化，因此红外光谱也是带状光谱。分子在振动和转动过程中只有伴随净的偶极矩变化的键才有红外活性。因为分子振动伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。因此，除少数同核双原子分子如O2，N2，Cl2等无红外吸收外，大多数分子都有红外活性。

红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。通过与标准图谱比较，可以确定化合物的结构；对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测化合物结构。

基团的振动频率和吸收强度与组成基团的原子质量、化学键类型及分子的几何构型等有关。因此根据红外吸收光谱的峰位、峰强、峰形和峰的数目，可以判断物质中可能存在的某些官能团，进而判断未知物的结构。如果分子结构比较复杂，还需结合紫外光谱、核磁共振谱以及质谱等手段综合判断。最后可通过与未知样品相同测定条件下得到的标准样品的谱图或已发表的标准谱图（sadtler红外光谱图等）进行比较分析，得出未知样品的鉴定结果。

三、仪器与试剂

压片机、玛瑙研钵、盐池等

KBr AR级以上，经过处理并由IR测定合格

样品有机未知物（固体或液体）

四、实验步骤

1、固体样品（KBr压片法）：取约1-2mg固体试样加入100mg的KBr粉末于玛瑙研钵，充分研细混匀（粒度小于2微米）然后装入专用的锭剂成型器中进行压片，当压片机指示压力为7.5吨时停止加压，取下模具后将压好的半透明薄片小心转移至

放样品的片夹中，上机扫描测绘图谱。

2、液体样品（液膜法）：取两片氯化钠盐片，用洁净的棉球沾少许溶剂将表面擦干净，待溶剂挥发后，滴一小滴试样在盐片上，将另一盐片压在上面，使试样均匀铺散在盐片中间形成液膜，中间不能有气泡。然后将其装入可拆式液池架中，轻轻用螺丝固定好，插入仪器试样池中测绘图谱。

五、结果处理

根据特征吸收频率数据，找出其主要特征吸收峰的归属，写出其可能的结构及判断出是何化合物。

六、思考题

1、压片法是将试样分散在固体介质中，那么固体介质应具备哪些条件？

选用KBr制样是因为KBr对红外没有吸收，另外在压片时呈现的是透明色，不会影

响红外光的透过。选用KBr的优点就是KBr对红外没有吸收，压片时呈透明色不会阻碍红外光的透过，另外就是KBr价格比较便宜。缺点是KBr属于盐类物质，不能测定含有水分的物质。并且受空气中水分影响较大，在测定时需要烘干的操作。2、压片法中试样研磨的粒度要小于2微米，为什么？

因为一般测量红外光谱是用的中红外波段，中红外光的波长在2.5 ～25μm，如果固体试样颗粒粒度与波长相当，则红外光很容易产生衍射，影响信号。