MA + H + MAH + Materiale: 500 cc di soluzione di NaOH 0.01 M 500 cc di soluzione di HCl 0.01 M fresca Metil-arancio (MA) Etanolo Acqua distillata
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- Erico Papi
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1 Cambiamenti nell aspetto degli spettri di assorbimento elettronico del metilarancio in funzione del ph a seguito della reazione di protonazione del metilarancio. Scopo dell esperimento è osservare la variazione dello spettro di assorbimento del metil-arancio () passando da una soluzione a ph basico ad una soluzione a ph acido. + H + H + Il metil-arancio è un acido debole. Gli spettri di assorbimento della forma e della forma protonata H + sono diversi. Formula di struttura del Metil-arancio Materiale: 500 cc di soluzione di NaOH 0.01 M 500 cc di soluzione di HCl 0.01 M fresca Metil-arancio () Etanolo Acqua distillata Strumentazione: Bilancia Pipetta o cilindro graduato, per misurare 10 ml Buretta graduata da 25 ml Becker da ml 2 cuvette in vetro o quarzo con cammino ottico di 1 cm Spettrofotometro UV-Visibile. Piptette Pasteur ph-metro (facoltativo) Svolgimento dell esperienza Si preparano 20 ml di soluzione di in etanolo o acqua con concentrazione M. In un becker si versano 10 ml di soluzione di NaOH 0.01 M. e si aggiungono una o due gocce di con una pipetta pasteur in modo da ottenere una soluzione che presenti un assorbanza compresa tra 0.5 e 0.8. Si misura lo spettro di assorbimento della soluzione così ottenuta. Nella buretta si pongono 20 ml di soluzione di HCl 0.01 M e si sospende la buretta sul becker con la soluzione. Si aggiungono 4 ml di soluzione di HCl 0.01 M alla soluzione nel becker, si mescola, e si misura lo spettro di assorbimento della nuova soluzione. Dopo aver fatto lo spettro di aspira la soluzione dalla cuvetta con una pipetta Pasteur e la si rimette nel becker con la soluzione rimasta. Si ripete le procedura aggiungendo le seguenti quote di soluzione di HCl ed effettuando, dopo ogni aggiunta, lo spettro di assorbimento. 4 ml di soluzione di HCl 2 volte 1 ml di soluzione di HCl 7 volte 0.5 ml di soluzione di HCl 1.5 ml di soluzione di HCl 3 volte 2 ml di soluzione di HCl
2 Misura degli spettri di assorbimento Se si usano cuvette di vetro si misurano gli spettri di assorbimento da 800 nm a 350 nm con risoluzione di 1 nm. Se si usano cuvette di quarzo si può allargare l intervallo spettrale fino a 200 nm. Prima di procedere a registrare gli spettri di assorbimento delle soluzioni si effettua lo spettro del bianco, ovvero si misura la linea di base per lo spettrofotometro. Si inseriscono sia nel reparto campione che nel reparto riferimento due cuvette di ugual cammino ottico di 1 cm contenenti solo la soluzione di NaOH 0.01 M e si procede a registrare la linea di base. Dopo aver misurato la linea di base si effettuano tutti gli spettri di assorbimento utilizzando la cuvetta del reparto campione, avendo cura di inserirla nel reparto porta campione sempre con la stessa orientazione. Si può lavare con acetone e asciugare la cuvetta porta campione dopo ogni spettro. Questo richiede però molto tempo e può portare a errori se non viene effettuato in maniera corretta (se si lasciano tracce di acetone). E possibile, invece procedere ad avvinare la cuvetta prima di effettuare lo spettro di assorbimento con la solzione stessa con cui si fa lo spettro. Avvinare significa lavare la cuvetta per due volte con la soluzione di cui si vuole fare lo spettro. Importante è rimettere nel becker che contiene la soluzione la soluzione prelevata e utilizzata per fare i lavaggi della cuvetta, in modo da non aletrare il volume totale della soluzione. Analisi dei dati: Gli spettri di assorbimento ottenuti dovrebbero avere la seguente forma: In figura sono riportati gli spettri di assorbimento della soluzione del metilarancio in NaOH 0.01 M dopo varie aggiunte di HCl. Nella legenda è riportato il volume totale di soluzione HCl 0.01 M aggiunto per ogni spettro (ovvero quello ottenuto sommando tutte le aggiunte di soluzione di HCl fatte alla soluzione in NaOH iniziale contenuta nel becker). Dalla figura si nota che: (i) c è stato uno spostamento della linea di base durante alcune delle misure (alcuni spettri non presentano una linea di base con A0 a lunghezze d onda superiori a 650 nm dove l assorbanza è
3 piatta e dovrebbe essere uguale a 0. In teoria queste misure dovrebbero essere scartate, in pratica, se si ha una buona linea di base tra 600 e 800 nm si può correggere gli spettri sottraendo ai valori di assorbanza sperimentale il valore letto a 700 nm, in modo che le linee di base per tutti gli spettri, dove non c è assorbimento coincidano e cadano a A0; (ii) la soluzione di, via via che si aggiunge la soluzione di HCl, risulta progressivamente diluita. E necessario perciò correggere gli spettri di assorbimento rispetto a tali diluizioni, dopo che è stata effettuata la correzione per la linea di base descritta al punto (i). Per correggere le assorbanze in modo che si riferiscano sempre alla stessa concentrazione di si utilizza la formula: Vinziale + Vaggiunto A Vinziale L assorbanza A corrisponde all assorbanza che ha la soluzione il cui ph è cambiato per effetto della aggiunta di HCl, ma in cui la concentrazione iniziale di non cambia. V iniziale e V aggiutot sono rispettiavemnet il volume della soluzione iniziale della soluzione di in NaOH 0.01 M (10 ml) e il volume di soluzione di HCl aggiunto complessibìvamente fino a quello spettro di assorbimento, come mostrato nella legenda della figura Applicando queste correzioni si ottiene il seguente grafico per gli spettri del : Commenti finali: Se si considera la figura è possibile notare: (i) I primi spettri fino a 9 ml di soluzione di HCl aggiunta sono identici. In questa soluzione la specie protonata H è trascurabile e questi spettri rappresentano gli spettri di assorbimento del. Da essi, tramite la legge di Lambert e Beer, si può ricavare il coefficiente di estinzione di alle varie lunghezze d onda di assorbimento, se si conosce la concentrazione C 0 della soluzione iniziale in NaOH 0.01 M (ovvero se si misura la quantità di soluzione di inizialmente sciolta in NaOH 0.01 M). La legge di Lambert e Beer per una soluzione in cui è
4 presente un unica specie mette in relazione l assorbanza A con la concentrazione della soluzione [], il cammino ottico della cuvetta d (spessore della cuvetta rispetto alla luce che la attraversa) e il coefficiente di estinzione ε della sostanza ( in questo caso) che quantifica l assrbimento di una singola molecola di sostanza ad una cera lunghezza d onda): [ ] d [ ] C0 ( λ ) ε ( λ) (ii) (iii) Gli ultimi due spettri con aggiunta di 17 e 18 ml di soluzione di HCl non cambiano in quanto in soluzione la specie dominante è H. Da questi spettri, nota la concentrazione iniziale di, che ora è uguale alla concentrazione di H, è possibile ricavare il coefficiente di estinzione di H a tutte le lunghezze d onda dello spettro di assorbimento, sempre tramite la legge di Lambert e Beer: ( λ ) ε H ( λ H d H C )[ ] [ ] 0 Tutti gli altri spettri di assorbimento sono dati da una miscela di e H, la loro assorbanza è uguale alla somma delle assorbanze delle due specie presenti: [ ] d + ε H ( )[ H ] d [ ] + [ H ] C0 ( λ ) ε ( λ) λ (iv) La presenza di un punto isosbestico a circa 474 nm: ovvero un punto la cui assorbanza A non cambia al variare della concentrazione di forma protonata e non protonata del. In questo punto i coefficienti di estinzione di H e N sono uguali. (v) Se è disponibile un ph-metro, si misura il ph di tutte le soluzioni di cui si fa lo spettro di assorbimento via via che si aggiunge HCl. Si leggono i valori di assorbanza si può ottenere la costante di dissociazione K a dell acido debole : log [ ][ H ] K a da cui: [H ] K a + ph log [ ] [ ] H Si sceglie una lunghezza d onda a cui gli spettri presentano grandi variazioni di assorbanza A per effetto della titolazione (ad esempio tra nm dove cade il max di assorbimento per la forma H). Dal grafico degli assorbimenti si generano coppie di valori di A 505nm per le diverse aggiunte di HCl con i rispettivi valori di ph delle soluzioni. Usando le equazioni del punto (iii) si dimostra che: Inoltre, per i punti (i) e (ii) [ ] Hd [ H ] C ε d d (0ml) Hd (18ml) Dove 0 ml e 18 ml indicano le soluzioni inziale senza aggiunta di HCl e finale con 18 ml totali di soluzione di HCl. Effettuando queste sostituzioni la formula precedente diventa: 0 [ ] (18ml) [ H ] (0ml) Sostituendo nell espressione logaritmica della K a si ha:
5 (18ml) log log K A(0ml) a + ph Se si riporta in grafico il log del rapporto delle assorbanze su scritto calcolato per ogni soluzione in funzione dei ph delle soluzioni si ottiene una retta la cui pendenza è 1 e la cui intercetta è il logaritmo della K a.
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