Исследование поверхности дисперсного нерастворимого твердого вещества методом адсорбции кислотно-основных индикаторов

Цель работы

Получить распределение кислотно-основных центров на поверхности исследуемого вещества (в соответствии с заданием) спектрофотометрическим методом по адсорбции индикаторов из водной среды и рассчитать значение функции кислотности с помощью ПК.

Порядок выполнения работы

Приготовить для фотометрирования 3 серии растворов.

Серия 1 (рабочий раствор).

Приготовить навески исследуемого материала массой m₁~ 0,020-0,025 г (значения массы занести в таблицу), поместить их в сухие пробирки емкостью 5мл, залить заданные объемы индикаторов с определенным значением рКа (в соответствии с заданием), перемешать и оставить до установления адсорбционного равновесия на 30 мин. После этого разбавить до метки (5мл) водой, выдержать в течение 30 мин и измерить значение оптической плотности (D₁) при длине волны (l_max), соответствующей каждому индикатору (таблица 1). В этом опыте учитывается процесс адсорбции индикатора на поверхности образца и взаимодействие образца с растворителем.

Серия 2 («холостой опыт»)

Приготовить навески исследуемого материала массой m₂ ~ 0,020-0,025 г (значения массы занести в таблицу), поместить их в сухие пробирки емкостью 5мл, залить 3 мл воды и перемешать. Через 30 мин раствор декантировать в другую пробирку, добавить нужное количество индикатора, довести до метки водой, выдержать в течение 30 мин и измерить значение оптической плотности (D₂ ).

В этом опыте исключается процесс сорбции индикатора.

Серия 3 (раствор индикатора)

В пробирки емкостью 5 мл залить нужные объемы индикаторов, разбавить до метки водой, перемешать и через 30 мин измерить значение оптической плотности (D₀ ).

Приготовленные растворы фотометрируют в кюветах с l=1см относительно растворителя на спектрофотометре СФ-46 при длине волны, соответствующей максимальному поглощению каждого индикатора (l_max ).

Порядок измерения оптической плотности раствора индикатора на спектрофотометре СФ-46 (рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 – Спектрофотометр СФ-46

1. Установить рычаг переключения рабочих ламп 1 в соответствии с заданными рабочими длинами волн: дейтериевую лампу для работы в ультрафиолетовой области 190 – 340 нм (положение «Д») или лампу накаливания для измерений в видимой и ближней ИК-области 340 – 1100 нм (положение «Н»).

2. Убедиться в том, что переключатель 2 положения шторки, открывающей канал светового потока, находится в положении «Закр».

3. Включить спектрофотометр нажатием кнопки 3 и прогреть лампу в течение 30 мин.

4. Перевести прибор в рабочее положение нажатием кнопки «Пуск» (4).

5. Открыть крышку кюветного отсека 5 и поместить в канал сравнения (крайний левый, соответствующий положению переключателя каналов «1») кювету с дистиллированной водой, а в соседний канал (соответствующий положению переключателя каналов «2») поместить кювету с анализируемым раствором. Убедиться в том, что переключатель каналов 6 находится в положении «1». Закрыть крышку кюветного отсека.

6. Вращением рукоятки настойки длины волны 7 установить на указателе 8 длину волны, соответствующую максимуму поглощения используем ого индикатора (в соответствии с табл. Приложения А).

7. Измерить значение темнового тока нажатием кнопки «Ш(0)» (9). Повторить измерение 2-3 раза и убедиться в том, что измеряемое значение, отображаемое на дисплее 10 стабильно и составляет не менее 0.07.

8. Открыть шторку канала светового потока переводом ее переключателя 2 в положение «Откр».

9. Последовательным нажатием кнопок «К(1)» (11) и «D(5)» (12) измерить оптическую плотность канала сравнения (дистиллированной воды). Убедиться в том, что измеренное значение близко к нулю (не превышает 0.05).

10. Перевести переключатель каналов в положение «2» и повторным нажатием кнопки «D(5)» измерить оптическую плотность исследуемого раствора.

Результаты всех индивидуальных измерений обобщить в соответствии с групповым заданием, рассчитать содержание центров адсорбции с различными значениями pK_a на поверхности исследуемого материала по формуле (8.5) и ее интегральную кислотность по формуле (8.6). Построить распределение центров адсорбции по величине pK_a. Работу оформить в виде отчета с обсуждением результатов и выводами.

Контрольные вопросы

1. Что такое реальная поверхность твердого оксида?

2. Источники и характер неоднородности поверхности.

3. Факторы, влияющие на реакционную способность поверхности твердого вещества.

4. Что такое центры Льюиса и Бренстеда?

5. Поверхность твердого оксида с точки зрения теории кислот и оснований.

6. Сущность индикаторного метода.

7. Понятие о функции кислотности Гаммета.

Приложение 7А

(обязательное)

Характеристики некоторых кислотно-основных индикаторов

Название	Индекс	рКа	lmax, нм
1 Этиленгликоль	ЭГ	+ 14,2
2 Индиго-кармин	ИК	+12,8
3 Тропеолин 0	ТО	+12,0
4 Нильский голубой	НГ	+10,5
5 Тимоловый синий	ТС	+8,8
6 Бромтимоловый синий	БТС	+7,3
7 Бромкрезоловый пурпурный	БКП	+6,4
8 Метиловый красный	МК	+5,0
9 Бромфеноловый синий	БФС	+4,1
10 Метиловый оранжевый	МО	+3,5
11 Метанитроаналин	МНА	+2,50
12 Фуксин (основание)	ФН	+2,10
13 Бриллиантовый зеленый	БЗ	+1,3
14 Кристаллический фиолетовый	КФ	+0,8
15 О-нитроанилин	ОНА	-0,29
16 4-хлор-2нитроанилин	ПХНА	-0,91
17 Динитроанилин	ДНА	-4,4