比尔定律

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

1. 比尔定律实验装置展开

   在本实验中，您将混合 FeCl₃ 和 KSCN 的水溶液₃ 和 NaSCN 反应生成橙红色的 [Fe(NCS)]²⁺²⁺ 络合物。当 FeCl₃ 溶于水后，铁中心被六个水分子包围。该酸性配合物的水分子容易失去质子，可能导致氢氧化铁从溶液中析出。

   为防止此情况发生，您的溶液中将含有足量的 HNO₃₃ 为使铁保持在溶液中，主要以近无色的 [Fe(H₂O)₆]³⁺ 和黄色的 [Fe(H₂O₅(OH)]²⁺在本实验中，我们将起始的铁配合物统称为 Fe³⁺.

   [Fe(NCS)]²⁺ 当[SCN]⁻与铁上的另一基团发生交换，且氮与铁相互作用时，会形成配合物。该交换反应是可逆的，因此[Fe(NCS)]²⁺的生成与解离之间存在总体平衡。²⁺.

   硫氰酸根-铁相互作用使[Fe(NCS)]²⁺ 溶液呈现出深色。最终，您将紫外-可见光吸收强度与[Fe(NCS)]的浓度相关联²⁺ 利用比尔定律测定配合物的平衡浓度。这使您能够通过实验测量[Fe(NCS)]²⁺的平衡浓度²⁺ 配合物，由此可估算整个过程的平衡常数。

   • 穿上实验服、防溅护目镜和丁腈手套。您将使用的溶液具有强腐蚀性，因此操作时需小心谨慎。
   • 将三个 150-mL 烧杯标记为 0.5 M HNO₃₃1 M FeCl₃ 在 0.5 M HNO₃ 中₃，以及含 0.5 mM NaSCN 的 0.5 M HNO₃₃'.
   • 将一个400 mL烧杯标记为“废液”。将一个滴定管标记为“[SCN]−”，另一个标记为“HNO”₃'.
   • 将滴定管夹持到足够高的位置，以便400 mL废液烧杯能够置于其下方。
   • 使用50 mL量筒量取100 mL的0.5 M HNO₃₃ 将溶液倒入配药罩内相应标记的烧杯中。用表面皿盖住烧杯，并将其带回你的通风橱内。
   • 量取 20 mL 的 1 M FeCl₃ 倒入相应标记的烧杯中。在将溶液的一部分带回通风橱之前，务必盖紧原试剂瓶的瓶盖。
   • 量取40 mL的0.5 mM NaSCN溶液，倒入相应标记的烧杯中。
   • 用去离子水清洗并标记一个100 mL烧杯，然后加入去离子水。
   • 确保两支滴定管的活塞均处于关闭状态。在每支滴定管中放入一个漏斗，并向其中倒入去离子水。
   • 将废液烧杯置于一个滴定管下方，打开活塞。待水排尽后，关闭活塞，再用另一支滴定管重复此过程。
   • 加入约 5 mL 0.5 M HNO₃₃ 将溶液注入相应的滴定管中，并将废液烧杯置于出口下方。打开活塞，用 HNO₃ 充满滴定管尖端。₃ 排出几毫升溶液后关闭活塞。
   • 加入约 40 mL HNO₃₃ 向滴定管中加液。请注意，刻度是从上往下读取的，因此应将其加液至约10 mL刻度处。 注意： 滴定管所释放的液体体积通过初始读数与最终读数之差来确定。
   • 将废液烧杯置于 [SCN]⁻ 滴定管下方，并以与 HNO₃ 相同的方式用 NaSCN 溶液润洗滴定管尖端₃.
   • 将剩余的 [SCN]- 溶液倒入滴定管中。轻轻敲击滴定管，以去除可能存在的气泡。若滴定管尖端有气泡，可短暂打开活塞，将气泡排出。
   • 获取四块塑料石蜡膜和两张铝箔，以完成实验装置的设置。
2. 标准曲线测定展开

   需要知道精确的 [Fe(NCS)]²⁺ 标准溶液中的浓度来绘制准确的校准曲线。然而，该配合物与 Fe 处于平衡状态³⁺ 以及 [SCN]⁻，因此只有 [Fe(NCS)]²⁺ 该配合物本身即用于此目的。因此，您的标准溶液将使用 0.2 M FeCl₃ 使铁过量500至2,000倍。

   任何离开一个铁离子的[SCN]⁻会极快地与另一个铁离子结合，因此在这些溶液中实际上不存在游离的[SCN]⁻。因此，你可以假设[Fe(NCS)]²⁺的浓度²⁺ 浓度等于标准溶液中 NaSCN 的初始浓度。

   • 将50 mL容量瓶标记为“0.2 M FeCl”₃'.
   • 移取 10 mL FeCl₃ 加入容量瓶中。将漏斗置于瓶口，倒入约 30 mL 去离子水。
   • 用一块塑料石蜡膜密封烧瓶，并反复倒置数次，以充分混匀溶液。
   • 使用一次性移液管加去离子水至刻度线，保留移液管以备后续使用。重新盖紧瓶塞，反复倒置数次以混匀溶液。
   • 打开手持式分光光度计，并确保其设置为测量吸光度。
   • 在光源预热的同时，用铝箔包裹五个 50 mL 烧杯，以保护对光敏感的 FeCl₃ 实验过程中溶液的变化。
   • 标记五个烧杯和五支干净的一次性移液管，编号为 1 - 5。铺下纸巾作为可重复使用玻璃器皿的清洁放置表面。
   • 按照以下步骤配制溶液 1–5。对于溶液 1，加入 5 mL 的 0.2 M FeCl₃ 向 1 号烧杯中加入，然后将其置于 HNO₃ 滴定管下方₃.

     表1：[Fe(NCS)]2+ 的标准溶液²⁺ 标准曲线

     λ最大值

     溶液 #	0.2 M Fe3+ （mL）	0.5 mM [SCN]- ( mL )	0.5 M HNO₃3 （mL）	吸光度在 λ最大值	总体积（mL）	[Fe(NCS)]2+]
     1	5	0	5	溶剂空白
     2	5	1	4
     3	5	2	3
     4	5	3	2
     5	5	4	1

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   • 记录滴定管中的当前体积，然后准确放出 5 mL 的 HNO₃ 倒入烧杯中，用玻璃搅拌棒搅拌溶液。
   • 使用移液管1将溶液1加入比色皿中，至比色皿约75%满，然后盖上盖子。
   • 用实验室擦拭纸清洁比色皿的透明面，然后将其放入分光光度计中。
   • 获取背景测量值——溶剂空白。
   • 取出比色皿，将其中溶液倒入废液杯中，并用去离子水冲洗三次。所有测量均使用同一个比色皿，以尽量减少因比色皿本身缺陷带来的误差。
   • 配制中等浓度溶液，样品 3。加入 5 mL 0.2 M FeCl₃ 加入烧杯3中。
   • 移取 2 mL NaSCN 和 3 mL HNO₃ 从滴定管中加入烧杯。
   • 用玻璃搅拌棒混合溶液3，然后使用移液管3将溶液3加入洁净干燥的比色皿中，液面高度约为比色皿高度的75%。
   • 清洁比色皿的透明面，并将其放入分光光度计中。
   • 测量溶液的吸光度约 5 秒，确定吸光度最大的波长。将该波长记录在实验记录本中作为 λ_最大值 用于[Fe(NCS)]²⁺浓度未知溶液的比尔定律校准曲线测量的实验装置 结果²⁺ 络合物。
   • 将分光光度计设置为对10 s内的读数取平均值，并调节波长至 λ_最大值保存溶液3的完整吸光度测量结果。记录在 λ_最大值 在实验记录本中。
   • 对溶液 2、4 和 5 采用相同的步骤。每次制备一种溶液，或在使用前将已制备的溶液用铝箔包裹保存。
   • 向比色皿中加入适量溶液并测定其吸光度值。
   • 记录完所有溶液在 λ_最大值绘制 [SCN]⁻ 体积与吸光度值的关系图，该图应呈线性。若发现任何异常值，需重新配制溶液并再次尝试。
3. 未知浓度[Fe(NCS)]²⁺溶液的测定²⁺ 浓度展开

   在实验的最后部分，你将配制四种 [Fe(NCS)]²⁺ 浓度未知的溶液²⁺ 浓度为 0.02 M 的 FeCl 溶液₃ 使铁过量40至100倍。在此浓度下，离开铁中心的[SCN]-不一定立即与另一个铁中心结合。因此，[Fe(NCS)]²⁺ 将与 Fe 处于平衡状态³⁺ 以及 [SCN]⁻，其浓度将不等于起始的 [SCN]⁻ 浓度。

   • 将50 mL烧杯中的溶液倒入废液杯中，取下标签，并用去离子水冲洗烧杯。
   • 将烧杯干燥后重新标记为6–10号。同时将五支一次性移液管标记为6–10号。
   • 将 0.2 M FeCl 溶液从容量瓶中倒空₃ 将溶液倒入废液烧杯中，并用去离子水冲洗烧杯。将冲洗后的烧杯重新标记为 0.02 M FeCl₃.
   • 使用1 mL容量移液管转移1 mL的1 M FeCl₃₃ 加入容量瓶中。向瓶中加入约 40 mL 去离子水。
   • 用塑料薄膜密封烧瓶，倒置数次以混匀溶液。打开烧瓶，加去离子水至刻度线。重新密封烧瓶，充分混匀溶液。
   • 配制溶液6，即新的溶剂空白。加入5 mL 0.02 M FeCl₃₃ 和 5 mL HNO₃₃，然后用玻璃棒搅拌混合。
   • 将溶液移液至比色皿中，并按之前方法获取背景测量值。
   • 按照步骤制备溶液7至10，获取其光谱，并记录其在指定波长处的吸光度值 λ_最大值 与之前操作相同。每次更换溶液时，务必用去离子水彻底冲洗搅拌棒和比色皿。

     表2. 未知[Fe(NCS)]2+浓度的溶液²⁺ 浓度

     [FeCl3初始浓度（M）

     0.01

     溶液编号	0.2 M Fe3+ （mL）	0.5 mM [SCN]- （mL）	0.5 M HNO₃3 （mL）	在……处的吸光度 λ最大值	[Fe(NCS)]2+]方程	[Fe3+]方程	[SCN]-]方程	K方程 （M-1)
     6	5	0	5	溶剂空白
     7	5	1	4
     8	5	2	3
     9	5	3	2
     10	5	4	1

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   • 实验结束后，将比色皿、容量瓶和烧杯中的溶液倒入废液杯中，并用去离子水冲洗。
   • 收集过量的 HNO₃₃ 以及在各自的烧杯中的 NaSCN。使用小苏打中和废液和过量试剂溶液，并处理废液和过量的 FeCl₃ 将溶液倒入指定的废液容器中。
   • 冲洗中和后的 HNO₃₃ 将 NaSCN 溶液与自来水混合后倒入下水道。
   • 按照实验室标准程序清洗玻璃器皿和设备。
   • 从通风橱中收集纸巾和其他垃圾，并将其放入实验室垃圾桶中。
4. 结果展开
   • 计算 [Fe(NCS)]²⁺ 的浓度²⁺ 在标准溶液中，由于铁离子浓度非常高，因此可以假设起始的 [SCN]⁻ 浓度完全转化为 [Fe(NCS)]²⁺。^- 浓度与[Fe(NCS)]2+相同²⁺ 浓度
   • 每次试验中，将 [SCN] 乘以^- 通过加入的 NaSCN 体积乘以储备液浓度，再除以溶液总体积（10 mL），计算各标准溶液的浓度。对所有标准溶液重复此操作。
   • 通过绘制在 λ_最大值 针对标准溶液的 [Fe(NCS)]²⁺ 浓度²⁺ 浓度。拟合数据并确定线性函数，必要时将 y 轴截距设为 0。 注意： 比尔定律由一个线性函数表示，该函数将吸光度与浓度相关联。因此，你的校准曲线的斜率等于摩尔衰减系数乘以比色皿的宽度，即光程长度，在本实验中为 1 cm。
   • 将线性方程重排以求解浓度。请记住，摩尔衰减系数和光程长度在每次实验中均保持不变。填入各未知样品实验的吸光度值，并求解[Fe(NCS)]²⁺的平衡浓度。²⁺ 对于该溶液。
   • 估算 [Fe(NCS)] 的平衡常数²⁺ 在溶液中。为简便起见，我们将该常数表示为 1/M 单位。
   • 计算 Fe 的初始浓度³⁺ 和 [SCN]^- 每次实验。通过从[Fe(NCS)]的平衡浓度中减去各次实验中该物质的平衡浓度，确定其平衡浓度。²⁺ 根据该次试验的起始试剂浓度。
   • 填写产物与反应物的平衡浓度。然后，求解平衡方程式以估算本组实验的平衡常数。最后，比较各组实验的平衡常数。