甲基橙实验

二、仪器与试剂
分光光度计(UNICOM 2000)，酸度计，磁力搅拌器，吸量管(10mL)，容量瓶 (50mL，250mL)、玻璃棒、胶头滴管、烧杯，移液管，量杯。
甲基橙固体，未知浓度甲基橙废水，浓盐酸，氢氧化钠固体，活性炭，30%的双氧水，硫酸亚铁固体，蒸馏水，醋酸，醋酸钠固体。
三、实验步骤
1.pKa的测定
(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。在催化剂作用下，H2O2能产生两种活泼的氢氧自由基，从而引发和传播自由基链反应，加快还原性物质的氧化。Fenton试剂中，FeSO4只是催化H2O2产生羟基自由基，本身并不起作用。但是，FeSO4的加入方式会影响脱色效果。
λ
Aa
Ab
λ
Aa
Ab
400
0.031
b. 用吸量管准确移取上述⑤中的甲基橙溶液(1.406×10-6mol/L)1.00ml、5.00ml、10.00ml、25.00ml于50ml容量瓶中分别用0.1mol/L的盐酸溶液进行定容，并标号①~④。
c.用吸量管准确移取甲基橙标准溶液(1.406×10-4mol/L)1.00ml、2.50ml、5.00ml、10.00ml、25.00ml于50ml容量瓶中，分别用0.1mol/L的盐酸溶液进行定容，并标号⑦~⑨。
f.pH=5.6的醋酸-醋酸钠缓冲溶液
分别取c中的HAc溶液45.5ml和d中的NaAc溶液4.5ml混合于烧杯中，形成缓冲体系，该体系的pH≈5.6 。
g.0.01mol/L的NaOH溶液
取（1）中c中的5ml 0.1mol/L的NaOH溶液与45ml蒸馏水混合均匀，溶液PH≈12。
⒉取9个50mL容量瓶并以此进行标号，分别移取5.00ml(1)中b步骤配制的甲基橙标准溶液(1.406×10-4mol/L)，依次用0.1mol/L的盐酸、水和上述7种不同酸度溶液进行定容，得到不同酸度的甲基橙溶液。依据酸度降低，得出1-9号甲基橙样品。酸度计采用两点法进行校准后，进行1-9号甲基橙样品pH的测定。
(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：
则Ka = [H+][In-]/[HIn]
若甲基橙总浓度为c，则c = [HIn] + [In-]，所以就有：
(1)
(2)
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：
图1双线作图法计算pKa
(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(λa)。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(λb)，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-比尔定律服从郎伯-比尔定律，可以进行定量分析。
A =AHIn + A In-=εHInb[HIn] +εIn-b[In-](3)
将(1)(2)带入可得
(4)
其中b为光程，εHIn为酸式摩尔吸光系数，εIn-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 = εHIn [HIn] + εIn-[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存在，存在酸式最大吸收波长(λa)。此时c≌[HIn]，则
c.用量杯量取浓盐酸8.3ml于盛有蒸馏水的烧杯中，并用蒸馏水稀释至1L（0.1mol/L）；称取4.00g氢氧化钠固体溶于40ml蒸馏水中，并用蒸馏水稀释至1L（0.1mol/L）。
d.用吸量管准确移取甲基橙标准液5.00mL于100mL容量瓶中，并用0.1mol/L的盐酸定容，摇匀。此时，甲基橙全部以酸式存在。测定其A-λ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(λa)为510nm。
(3)催化氧化脱色
a. 称取0.0695g硫酸亚铁固体，用稀盐酸溶解，并转移至250mL容量瓶中定容。
b.分别取两份150ml碱性样品溶液于两个250ml烧杯中，分别加入0.20ml 30%的H2O2，进行磁力搅拌，分别标记为实验组和对照组。实验组前30min内每隔5min加入3滴a中制的硫酸亚铁溶液，分别在5min、10min、15min、5min、20min、25min、30min、35min、40min、50min、60min取样，以蒸馏水为参比分别测量两组溶液在470nm下的吸光度并记录数据。分别计算液的脱色率并进行催化性能的比较，并得出脱色动力学曲线(脱色率-时间曲线)。
称取4.1g NaAc固体溶解于30ml蒸馏水，然后稀释到250ml。
d. pH=4的醋酸-醋酸钠缓冲溶液
分别取c中的HAc溶液9ml和d中的NaAc溶液41ml混合于烧杯中，形成缓冲体系，该体系的pH≈4
e.pH=5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液
分别取c中的HAc溶液35ml和d中的NaAc溶液15ml混合于烧杯中，形成缓冲体系，该体系的pH≈5
分别选用以λa、λb、λe波长下的浓度和吸光度建立A-C曲线，分别选取线性区间计算六个未知样的浓度。
(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)模拟废水的配制
分别配制酸性、中性和碱性的模拟废水500ml，使其初试吸光度A０在1.0左右，然后测其pH值，并记录A０和pH值。
d．将上述配制的①~⑨号溶液按浓度从低到高排列，并以λa=510nm为波长，以蒸馏水为空白，分别测量其吸光度。然后，在同样的波长下，测定3个未知酸样的吸光度，并记录数据。
e.以0.1 mol/LNaOH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。重复2中（1）步骤中的a-c步骤，然后准确移取25.00ml甲基橙标准液于50ml容量瓶中，以0.1 mol/LNaOH溶液定容摇匀，标号⑩。然后在以λb=460nm下，测量①~⑩号溶液和3个碱性未知样的吸光度，并记录数据。
c.分别对酸性和中性模拟废水重复b步操作，并比较酸碱性对氧化脱色的影响。
(4)物理脱色与催化氧化脱色的对比
比较物理脱色法与催化氧化脱色法在脱色率、脱色效果效果上的差异。
四、结果与讨论
(1)甲基橙pKa的测定
①甲基橙的吸收曲线(A-λ曲线)，确定酸式最大吸收波长λa、碱式最大吸收波长λb、等吸收点波长λe。
(1)吸收曲线(A-λ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。
a.准确称取甲基橙固体0.1151g，将其进行溶解，用蒸馏水定容至250mL的容量瓶中，摇匀。
b.准确移取a中的甲基橙溶液25.00mL于250mL的容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀得到甲基橙标准液(1.406×10-4mol/L)。
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(λe)，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λa、λb、λe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。
(2)不同酸度甲基橙溶液的配制及pH测定
⒈配制一系列不同酸度的溶液：
a．0.05 mol/L盐酸溶液
取（1）中c步骤配置的盐酸溶液25ml与25ml蒸馏水混合于烧杯中，搅匀。
b.0.2mol/L的HAc溶液（pH≈3）
用量杯量取3ml冰醋酸于100ml蒸馏水中，然后稀释到250ml。
c.0.2mol/L的NaAc溶液(pH≈8)
AHIn=εHIn[HIn]=εHInc(5)
其中，AHIn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εHIn (εHIn = 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(λb)。此时c=[In-]，则AIn-=εIn-[In-]=εIn-c，其中AIn-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εIn- (εIn- = AIn-/c)。将εHIn、εIn-代入(4)可得出任一pH条件下，甲基橙溶液的吸光度为
(2)活性炭物理脱色
取150ml碱性样品溶液于250ml烧杯中，加入0.20g活性炭，进行磁力搅拌吸附。吸附开始后，分别在5min、10min、15min、20min、25min取样过滤并在470nm下测吸光度，并记录数据，得出脱色动力学曲线(脱色率-时间曲线)及吸附平衡时的脱色率。
分别取150ml酸性、中性样品溶液于250ml烧杯中，分别加入0.22g活性炭和0.19g活性炭，进行磁力搅拌吸附。吸附开始后，分别在3min、8min、13min、18min、23min取样过滤并在470nm下测吸光度，并记录数据。分别计算三种溶液的脱色率并进行比较，并得出脱色动力学曲线(脱色率-时间曲线)及吸附平衡时的脱色率。
(3)双线作图法计算pKa
分别以λa、λb为测量波长，测量1-9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、碱性甲基橙溶液的配置、已知样及未知样溶液吸光度测定
a.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。用吸量管准确移取1.00ml甲基橙标准液于100ml容量瓶中，用0.1 mol/L盐酸溶液稀释定容，摇匀，标号为⑤。
f.调整波长，在λe=470nm的波长下，以此测量e中溶液的吸光度，并记录数据。
g．分别取未知液125ml于250ml的容量瓶中，并分别用0.1mol/L的度，在λb和λe下分别测定碱性未知液的吸光度，记录数据。
(2)工作曲线绘制及样品含量的计算
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
一、实验背景
1、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（F、T检验法）；
(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；
2、实验原理
1、pKa的测定
(1) 甲基橙解离常数测定
甲基橙是一种典型的偶氮染料，存在下列解离平衡:
e.用吸量管准确移取甲基橙标准液5.00mL于100mL容量瓶中，并用0.1mol/L的氢氧化钠定容，摇匀。此时，甲基橙全部以碱式存在。测定其A-λ曲线（测定范围：400-600nm，间隔10nm读取一次吸光度A），确定碱式最大吸收波长(λa)为460nm。
f．绘制上述两条A-λ曲线，并得出两条曲线的交点对应的等吸收波长(λe)为470nm。
A = AHIn/c + AIn-/c
整理得：
(6)
当 时，即 ( )时pKa = pH。
利用(6)式可以利用双线作图法进行pKa的测定，从而得出甲基橙解离常数Ka。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1所示。