DETERMINAZIONE DEL pk a DI UN INDICATORE DA MISURE SPETTROFOTOMETRICHE

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1 DETERMINAZIONE DEL pk a DI UN INDICATORE DA MISURE SPETTROFOTOMETRICHE Con il nome di indicatori di ph vengono denominate delle sostanze in grado di assumere diverse colorazioni a seconda della concentrazione di ioni H + presenti nella soluzione in cui vengono a trovarsi. Di solito sono composti prevalentemente organici con carattere di acidi o di basi deboli e con forme coniugate di colori diversi. Questo genere di composti è comunemente utilizzato per analisi volumetriche e per misure di ph. Detta la forma generica di un indicatore a carattere acido e - la sua base coniugata, vale l equilibrio = H Nel caso dell indicatore rosso di metile si osserva che la forma acida è di colore rosso mentre quella basica è di colore giallo. Se con k a indichiamo la costante di dissociazione dell indicatore, allora possiamo scrivere: k a [ H ][ [ ] ] H Essendo H =1 e passando ai logaritmi decimali, abbiamo: log [ ] [ ] 1 ka log1[ H ] log1 log1 2 [ ] log1 ka log1[ H ] log1 log1 [ ] 2 pk a [ ] ph log1 log 1 [ ] 2 La k a di un indicatore può di conseguenza essere calcolata per via sperimentale introducendo l indicatore stesso in una soluzione a ph noto e misurando spettrofotometricamente il rapporto tra le concentrazioni delle 2 specie variamente colorate. Nel caso di una soluzione fortemente acida, in soluzione avremo solo la specie. icando con I l intensità della radiazione incidente e con I l intensità della radiazione uscente, secondo la legge di Lambert-Beer, si ha: A I I ( 1) log 1 1 Dove t è lo spessore della celletta in cm e A ( ) è l assorbanza misurata sul massimo della banda ( nm). c t

2 La seguente figura mostra lo spettro di assorbimento di una soluzione fortemente acida di rosso di metile. In maniera analoga, nel caso di una soluzione fortemente basica avremo solo la specie -, per cui A I 2) log 1 c t ( 2 nm). I ( Nel caso di una soluzione a ph intermedio, saranno presenti entrambi le specie e -, per cui nello spettro avremo la presenza di 2 bande leggermente sovrapposte, come mostra la seguente figura:

3 In questo caso abbiamo 2 specie che assorbono contemporaneamente, per cui ci si avvale dell additività dell assorbanza e a una data lunghezza d onda, (ad es. nm), vale la seguente relazione: A ) c (1) ( ) ( ) c ( in cui ( ) e - ( ) sono, rispettivamente, i coefficienti di estinzione molare della specie neutra e della specie anionica a. (Per semplicità, abbiamo posto lo spessore t uguale a 1 cm). Vediamo ora di correlare il rapporto []/[ - ] con l espressione appena scritta. Essendo c - = c -c (2) avremo: A( ) ( ) c c () ( ) ( ) Sostituendo la ) nella 2) avremo: c c ( ) A( ) ( ) ( ) per cui

4 [ ] A( ) ( ) c (4) [ ] c ( ) A( ) Per poter quindi ricavare il rapporto []/[ - ], oltre a misurare sperimentalmente la densità ottica della soluzione a una data (es. nm), bisogna conoscere il coefficiente di estinzione molare di e - a e la concentrazione iniziale, c, del rosso di metile. Tuttavia se misuriamo la densità ottica A 1 a di una soluzione a ph acido di rosso di metile in modo che quest ultimo sia completamente indissociato, allora avremo che A1 ( ) c ( ) A ( ) ( ) (5) c 1 Inoltre, se misuriamo la densità ottica A 8 a di una soluzione a ph basico tale che il rosso di metile possa essere considerato quasi completamente dissociato nella forma anionica (a dissociazione completa c - = c ), allora avremo A 8( ) c ( ) c ( ) 8 A ( ) ( ) (6) c Sostituendo la 5) e la 6) nella 4), avremo: [ ] [ ] A( ) A8 ( ) A ( ) A( ) 1 Sostituendo l espressione appena ricavata in quella del pka, avremo: pk a ph log A( ) A ( ) 8 1 log1 A1 ( ) A( ) 2 Per ricavare il pka possiamo, in prima approssimazione, porre il coefficiente di attività ionico medio uguale a 1 e misurare l assorbanza per diverse soluzioni di rosso di metile a diversi ph secondo quanto mostrato nella tabella riportata più avanti nella parte sperimentale. Le soluzioni 1 e 8 serviranno per misurare, rispettivamente, A 1 e A 8.

5 DESCRIZIONE DELLO SPETTROFOTOMETRO La seguente figura mostra lo spettrofotometro UV-VIS ad array di diodi utilizzato per le misure. Esso è costituito dai seguenti componenti: a) un sistema contenente due sorgenti luminose (deuterio, alogena) in grado di far funzionare lo strumento nel range 25-1 nm (contenitore di sinistra) b) un portacellette che permette di eseguire delle misure sia in assorbimento che in emissione

6 c) Un sistema costituito da : una parte ottica formata da un reticolo che disperde la luce proveniente dal campione sui 248 diodi, in modo che ciascuno di essi sia in grado di rilevare un range ristretto di lunghezze d onda (es..5 nm). una parte elettronica che permette di interfacciare lo spettrometro con un computer, utilizzando la porta USB. d) Due fibre ottiche che permettono, rispettivamente : di raccogliere la luce proveniente dalla sorgente luminosa e inviarla al portacampioni di raccogliere la luce proveniente dal portacampioni e di inviarla al sistema contenente l array di diodi.

7 PARTE SPERIMENTALE PRODOTTI CHIMICI soluzione madre di rosso di metile (.7 g di rosso di metile in 1 litro di alcool etilico al 5%). (c=2,599 x 1-4 M) N.B: La soluzione che usano gli studenti viene preparata diluendo quella madre nel seguente modo : 4 ml sol. madre + ml alcool etilico + ml acqua distillata (c=1,97 x 1-4 M) HCl,1 N CH COOH,2 N CH COONa,4 N Alcool etilico APPARECCHIATURA 1 spettrofotometro ad array di diodi 2 cellette di quarzo 1 phmetro Burette da 1 ml e da 25 ml 1 pipetta da 25 ml 8 matracci tarati da 5 ml Pipette Pasteur 1 matraccio da 1 ml per preparare la sol.madre diluita 1 cilindro da 1 ml

8 PROCEDURA 1) Preparare in palloncini tarati da 5 ml le seguenti soluzioni (i valori riportati sono in ml) portando a volume con acqua distillata. Il volume dell indicatore deve essere misurato con la massima accuratezza. Soluzione (sol. madre) HCl (,1N) CH COOH (,2N) CH COONa (,4N) (buretta da 1 ml) (pipette da 25 ml) (buretta da 25 ml) (buretta da 25 ml) 1 5, 12, , - 25, 12,5 5, - 15, 12,5 4 5, - 1, 12,5 5 5, - 6, 12,5 6 5, - 4, 12,5 7 5, - 2,5 12,5 8 5, ,5 2) Misurare l assorbanza di ciascun campione a 515 nm, utilizzando una celletta contenente acqua distillata come riferimento. Per la misura degli spettri di assorbimento si usa uno spettrofotometro ad array di diodi a singolo raggio e il programma KINSPECTRA la cui interfaccia grafica è mostrata nella

9 seguente figura. Il programma permette di operare nelle seguenti due modalità: a)registrazione dello spettro UV-VIS b)registrazione degli spettri in funzione del tempo per misure di cinetica In questa esperienza si usa solo la prima modalità che viene attivata premendo il pulsante SCAN SPECTRA. Al centro è presente una finestra grafica, in cui viene visualizzato lo spettro acquisito in tempo reale. La scala dell asse delle Y può essere impostata in automatico (pulsante AUTOSCALE visibile in basso sotto la finestra) oppure in manuale (disattivando il pulsante AUTOSCALE ed immettendo il range tramite i parametri YMIN e YMAX). Tramite il menù a discesa MODE, è possibile definire se il segnale acquisito viene riportato come intensità (MODE=SCOPE), oppure come assorbanza (MODE=ABSORBANCE) o come trasmittanza (MODE=TRANSMITTANCE). La prima opzione viene utilizzata quando vogliamo visualizzare l intensità del segnale di buio oppure di quella del riferimento (quando la celletta contiene solo il solvente). Tali segnali, una volta memorizzati in memoria tramite i pulsanti SAVE DARK e SAVE RIF (visibili in alto sopra il grafico), vengono utilizzati dal programma per visualizzare lo spettro del campione come assorbanza (seconda opzione ABSORBANCE) o come trasmittanza (terza opzione TRANSMITTANCE). Inoltre sotto il pulsante SCAN SPECTRA sono stati previsti i seguenti parametri: - INTEGRATION TIME (ovvero l intervallo di tempo con cui il CCD viene illuminato. Maggiore è il tempo e più elevata è l intensità del segnale). - SMOOTHING ovvero la riduzione del rumore tramite il metodo di Savitzky-Golay (=smoothing disattivato; 1 smoothing attivato) - AVERAGING ovvero la riduzione del rumore mediante la media di un certo numero di acquisizioni (= nessun averaging ; > = n. di medie)

10 Infine, in alto a destra è disponibile il pulsante SAVE SAMPLE, che permette di memorizzare lo spettro correntemente visualizzato su disco. Pertanto, per iniziare le misure, una volta accese le lampade viene lanciato il programma KINSPECTRA tramite l icona RUN. Dopodichè è necessario eseguire i seguenti passaggi: Mettere l apparecchio in modalità SCAN SPECTRA, Mode SCOPE. Impostare i seguenti parametri: INTEGRATION TIME = 9 ms Smoothig=2 Averaging=1 Premere il pulsante shutter che si trova sul sistema contenente le lampade in modo da acquisire lo spettro in assenza di luce e memorizzarlo come segnale di BUIO (DARK) premendo il pulsante SAVE DARK. Inserire nel portacampioni una cella contenente acqua distillata(oppure riempire per circa 2/ una celletta con acqua) e memorizzare lo spettro come segnale di RIFERIMENTO premendo il pulsante SAVE RIF. Mettere l apparecchio in modalità ABSORBANCE. Si deve vedere una linea di base pressoché orizzontale (con rumore) e di assorbanza circa nulla (dato che il riferimento e il campione sono la stessa cosa) Riempire con la soluzione N.1 di rosso di metile un altra celletta vuota per circa 2/, utilizzando un contagocce e metterla nel porta campioni al posto della celletta contenente l acqua. Registrare lo spettro e memorizzarlo premendo il pulsante SAVE SAMPLE. Registrare gli spettri dopo aver riempito la celletta con le altre soluzioni riportate nella tabella sopra.