甲基橙实验报告.docx

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甲基橙实验报告

甲基橙解离常数的测定、印染废水中甲基橙含量测定及脱色试验

一、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估

3）掌握废水中甲基橙物理脱色及催化氧化的原理和过程

4）学会用单因素法确定最佳实验条件的方法。

二、实验原理

1.pKa的测定

甲基橙解离常数的测定

甲基橙存在以下解离平衡:

（碱型，偶氮式）黄色（酸型，锟式）红色

以Hln代表甲基橙的酸式结构，In代表甲基橙的碱式结构，则解离平衡为：

则Ka=[H+][In-]/[HIn]

若甲基橙的浓度为c，则c=[HIn]+[In-],

则[In-]=cKa/（ka+[H+]）;

[HIn]=c[H+]/（ka+[H+]）;

甲基橙在酸性和碱性条件下的吸收光谱不同，测定甲基橙在酸式和碱式条件下的吸光值，得出不同Ph下的吸光值：

A=AHIn+AIn-=εHInb[HIn]+εIn-b[In-]

即A=εHInbc[H+]/（ka+[H+]）+εIn-bcKa/（ka+[H+]）;

b为光程，εHIn为酸式摩尔吸光度，εIn-为碱式吸光度，A为甲基橙的吸光值，实验测定时的b=1cm，因此，A=εHIn[HIn]+εIn-[In-]。

当溶液为酸式时，溶液几乎全部以HIn形式存在，存在酸式最大吸收波长λa,在此吸收波长下有c≌[HIn],则有：

A=εHIn[HIn]≌εHInc

因此，在强酸条件下，可以求得酸式摩尔吸光度εHin。

εHin。

=A/c;

同理，在强碱条件下，甲基橙几乎都以In-形式存在，可以求得酸式摩尔吸光度εIn-

因此，A=（AHIn/c）c[H+]/（ka+[H+]）+（AIn-/c）cKa/（ka+[H+]）;

整理得：

Ka=（AHIn–A）/（A-AIn-）[H+]

pKa=pH+log[（AHIn–A）/（A-AIn-）];

当log[（AHin–A）/（A-AIn-）]=0时，即（AHin–A）/（A-AIn-）=1，pKa=pH。

利用作图法可以解得pKa。

单线作图法具体为：

选择酸式最大吸收波长（λa）或碱式最大吸收波长（λb），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=pKa。

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。

三、实验背景

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:

四、仪器与试剂

仪器：

分光光度计（UNICOM2000），pH计，磁力搅拌器，吸量管（1mL、2mL、10mL），容量瓶（50mL、200mL），分析天平。

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（30mg/L），盐酸（0.1mol/L），标准缓冲溶液（pH=4.00、9.18），氢氧化钠（0.1mol/L），醋酸（0.1mol/L），醋酸钠溶液（0.1mol/L）。

过氧化氢、硫酸亚铁。

五、实验步骤

1pKa的测定

（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

称取0.0704g甲基橙，用蒸馏水定容至200mL.配置成母液，备用。

移取0.50mL甲基橙标准母液，用0.1mol/L盐酸溶液定容至50mL。

此时，甲基橙全部以酸式存在，测定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）。

移取0.50mL甲基橙标准母液，用0.1mol/L氢氧化钠溶液定容至50mL。

此时，甲基橙全部以碱式存在，测定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（λb）。

上述酸性、碱性甲基橙溶液对应的两条A-λ曲线的交点对应等吸收点波长（λe）。

（2）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：

0.1mol/L盐酸溶液、0.05mol/L盐酸溶液、0.1mol/L醋酸溶液、pH=3.8、4.6、5.6的醋酸盐缓冲液、pH=7蒸馏水，0.2mol/L醋酸钠溶液，0.1mol/L氢氧化钠溶液。

取9个做好标记的50mL容量瓶，分别移取0.5mL甲基橙标准母液，依次用上述9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甲基橙样品。

酸度计采用两点法进行校准后，进行1-9甲基橙样品pH的测定。

（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、碱性甲基橙溶液及样品溶液的配置

以0.1mol/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。

移取甲基橙标准液（10的-4次方级别的）取不同体积的标准液，分别放入编号为1—9号的50mL容量瓶中，用0.1mol/L盐酸溶液定容，得到不同浓度的酸性甲基橙溶液。

同时进行样品溶液配置：

移取未知浓度甲基橙废水10.00mL放入50mL容量瓶中，用0.1mol/L盐酸溶液定容（平行三次）。

以0.1mol/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。

移取甲基橙标准液（10的-4次方级别的）取不同体积的标准液，分别放入编号为1—9号的50mL容量瓶中，用0.1mol/L氢氧化钠溶液定容，得到不同浓度的碱性甲基橙溶液。

同时进行样品溶液配置：

移取未知浓度甲基橙废水10.00mL放入50mL容量瓶中，用0.1mol/L氢氧化钠溶液定容（平行三次）。

（2）工作曲线绘制及样品含量测量

以λa为测量波长，以蒸馏水为空白，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3次），根据工作曲线，得出废水中甲基橙含量。

以λb为测量波长，以蒸馏水为空白，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。

测定废水样品吸光度值（平行3次），根据工作曲线，得出废水中甲基橙含量。

以λe为测量波长，以蒸馏水为空白，选择碱性甲基橙溶液溶液测定吸光值，得出等吸点波长（λe）下的工作曲线。

测定废水样品吸光度值（平行3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

脱色率（％）＝1—A/A0×100%

（1）活性炭物理脱色

脱色动力学曲线的绘制及脱色率计算

在pH分别为1.76、4.34、12.49的甲基橙的初始吸光度约为1的条件下进行实验。

将200mL含甲基橙的废水倒入烧杯中，加入活性炭，活性炭投加量为6g/L，磁力搅拌吸附。

吸附开始后，前15分钟每隔2min取样，后15分钟每隔5min取样，取样后立即过滤，使吸附停止，测定滤液在475nm的吸光度，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。

（2）催化氧化脱色

选择Fe2+-H2O2体系（Fenton试剂）对甲基橙废水进行催化氧化脱色。

脱色动力学曲线的绘制及脱色率计算

分别取200mL甲基橙pH为1.76的初始吸光度约为1的两份相同废水加入到250mL烧杯中，各加入2mLH2O2溶液后，一份加2mLFeSO4，（在30min内逐滴加入）一份不加（做空白），磁力搅拌。

前30分钟每隔5min取样，后30分钟每隔10min取样。

测定溶液在475nm的吸光度，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。

再在pH为3.42、11.65的条件下做两组相同的实验，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）物理脱色与催化氧化脱色对比

比较物理脱色法与催化氧化脱色法在脱色速率、脱色效果上的差异。

六、结果与讨论

1甲基橙pKa的测定

1、甲基橙的吸收曲线

波长nm

A吸光值

B吸光值

400

0.011

0.172

410

0.019

0.196

420

0.035

0.222

430

0.061

0.244

440

0.100

0.264

450

0.151

0.281

460

0.219

0.292

470

0.295

0.291

480

0.371

0.270

490

0.441

0.234

500

0.499

0.188

510

0.512

0.139

520

0.491

0.092

530

0.461

0.056

540

0.393

0.030

550

0.267

0.015

560

0.137

0.007

570

0.053

0.003

580

0.020

0.001

590

0.009

0.000

600

0.005

0.000

从吸收曲线中可以看到酸式的最大吸收波长为λa为510nm，λb为460nm，λe为465nm。

2、不同酸度甲基橙溶液的配置及pH的测定

不同酸度吸收曲线

编号

460

510

1.34

0.219

0.512

1.53

0.228

0.511

2.77

0.239

0.443

4.10

0.293

0.206

4.62

0.303

0.174

5.81

0.303

0.156

6.58

0.304

0.150

7.72

0.305

0.149

12.66

0.299

0.139

A—pH曲线

从A—pH曲线可以看到两个两条曲线交于pH=3.75，因此，pKa=pH=3.75。

2甲基橙含量测定及方法评估

（1）以λa测定波长，绘制工作曲线，绘制工作曲线并测定样品含量

浓度（*10^-5）

吸光度

0.0215

0.015

0.1075

0.054

0.2150

0.105

0.3250

0.157

0.4300

0.201

0.5300

0.254

0.6400

0.303

1.3000

0.578

1.6650

0.784

2.1500

0.979

（2）以λb测定波长，绘制工作曲线，绘制工作曲线并测定样品含量

浓度（*10^-5）

吸光度

4.6490

1.126

2.3240

0.616

1.1620

0.327

0.4650

0.128

0.2320

0.059

0.1860

0.050

0.1390

0.036

0.1160

0.032

0.0460

0.011

（4）对三个实验方法的评估

对样品2号进行三次平行试验。

实验结果如下:

平均

475

0.0000211

0.0000213

0.0000212

470

0.0000230

0.0000231

510

0.0000212

0.0000213

0.0000214

0.0000213

吸光度浓度

475

0.561

0.566

0.567

470

0.574

0.577

0.578

510

1.030

1.034

1.038

123

波长475nm波长470nm波长510nm

S2475=9.82*10^15S2470=4.81*10^15S2510=4.56*10^15

S475=9.9*10^8S470=6.94*10^8S510=6.75*10^8

n=3n=3n=3

F法检验：

1号和2号之间F=S2475/S2470=2.04,查表f大=2，f小=2，F表=19.00>F

1号和3号之间F=S2475/S2510=2.15,查表f大=2，f小=2，F表=19.00>F

2号和3号之间F=S2475/S2510=1.05,查表f大=2，f小=2，F表=19.00>F

所以三种方法不存在显著性差异。

T检验法

3废水中甲基橙的脱色研究

酸

碱

中性

1.76

12.49

4.34

0.982

0.960

0.990

0.003

0.036

0.007

0.003

0.041

0.000

0.002

0.023

0.000

0.002

0.020

0.002

0.001

0.017

0.003

0.018

0.001

0.000

0.019

0.000

-0.003

0.016

-0.003

0.000

0.014

0.000

0.002

0.011

-0.001

1、活性炭物理脱色

酸性脱色率

碱性脱色率

中性脱色率

0.99695

0.96250

0.99293

0.99695

0.95729

1.00000

0.99796

0.97604

1.00000

0.99796

0.97917

0.99798

0.99898

0.98229

0.99697

0.99695

0.98125

0.99899

1.00000

0.98021

1.00000

1.00305

0.98333

1.00303

1.00000

0.98542

1.00000

0.99796

0.98854

1.00101

由实验结果可以知道，物理活性炭的脱色效果总体都比较好，相比之下对酸性和中性的吸附效果尤佳。

2、催化氧化脱色

t/min

酸

碱

中性

0.993

0.947

0.964

0.956

0.987

0.916

0.922

0.992

0.877

0.888

1.008

0.774

0.851

1.022

0.579

0.809

1.049

0.339

0.706

1.070

0.163

0.699

1.069

0.082

0.641

1.068

0.074

0.579

1.064

0.067

空白试验

酸

碱

中性

0.993

0.947

0.964

0.971

0.920

0.932

0.978

0.913

0.932

0.962

0.920

0.922

0.948

0.907

0.929

0.954

0.899

0.961

0.900

0.957

0.961

0.908

0.971

0.968

0.917

0.931

0.968

0.933

0.966

除去空白实验之后的脱色率结果

时间

酸

碱

中性

0.059

-0.014

0.083

0.087

-0.012

0.123

0.137

-0.036

0.241

0.188

-0.037

0.436

0.225

-0.057

0.716

0.321

-0.080

0.838

0.328

-0.088

0.908

0.380

-0.096

0.957

0.442

-0.109

0.928

由实验结果可知：

催化氧化脱色效果对中性效果较好，酸性次之，碱性无脱色效果，反而会引起增色。

七、结果与讨论

结果

在脱色效果中，物理活性炭脱色比催化氧化脱色效果快而且脱色率低。

而且两者都对中性脱色效果好，酸性次之，对碱性脱色效果弱（催化氧化对碱性无脱色效果）。

但脱色结果而言，物理活性炭吸附并未分解甲基橙，而催化氧化脱色则将甲基橙进行分解。

分解结果需进一步讨论。

讨论

1.缓冲体系如何选择？

如何通过计算得出缓冲溶液粗略pH值？

根据所需pH值来选择缓冲体系。

根据[H+]=Ka*CHA/CA-[OH-]=Kb*CA-/CHA

2.废水实际样品时，可能存在哪些干扰？

可能存在含其他杂质也具有颜色，会干扰分光光度计的分光光度值。

或者因为甲基橙化学脱色过程中产生的新的物质存在颜色干扰。

八、参考文献

（1）金谷,江万权,周俊英,《定量分析化学实验》,中国科学技术大学出版社,2005:

115

（2）北京大学化学系分析化学教研组,《基础分析化学实验》第二版,北京大学出版社,2003：

322

（3）邹龙生,欧光川,张敏,印染废水处理技术及进展,山东化工,2005,34：

15-18.

（4）综合化学实验浙江理工大学化学系编

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