胭脂红褪色动力学实验教学设计

2018-10-11林郑忠欧光南陈素艳

实验技术与管理 2018年9期

林郑忠, 欧光南, 王力, 陈素艳

(集美大学食品与生物工程学院, 福建厦门 361021)

但该实验也存在一些不足：反应物质混合后溶液浑浊,可能是K2S2O8和Ag+或Cr3+形成不溶物沉淀所致；吸光度变化范围小,只有0.1～0.2；由于溶解有限,K2S2O8的浓度不是很高,只是Cr3+和Ag+浓度的5～10倍,而如果降低Cr3+的浓度又使吸光度降低,所以K2S2O8难以达到真正意义上的大大过量。这些不足降低了测量数据的准确性，而且Cr3+及其反应产物具有很强的毒性,Ag+价格昂贵，另外该实验的化学特色过于明显,与其他专业的相关性不大,难以调动学生的学习积极性。

1 实验部分

(1) 仪器和试剂。紫外可见分光光度计(UV 5500),1 cm比色皿,25 mL比色管,移液管(2 m,10 mL)、烧杯、计时器、滴管。胭脂红,K2S2O8,FeSO4·7H2O,均为分析纯,来自国药集团化学试剂有限公司,所有用水均为普通蒸馏水。

(2) 溶液的配制。配制胭脂红水溶液(1.118 mg·mL-1, 1.86×10-3mol·L-1),K2S2O8溶液(13.67 mg·mL-1, 0.051 mol·L-1),FeSO4溶液(3.269 mg·mL-1, 0.021 5 mol·L-1),为了保持Fe2+稳定性,配制时加入少量H2SO4。

(3) 色素吸收曲线的测定及工作波长的确定。在比色管中移入0.50 mL 胭脂红溶液,加入蒸馏水定容至25 mL,充分摇匀混合,润洗比色皿(厚度的选择应尽量使所有吸光度读数在0.1～0.7范围内)3次,测定胭脂红溶液在460—550 nm范围内的吸收曲线,确定胭脂红工作波长。

(4) 胭脂红标准曲线和摩尔吸光系数的测定。在比色管中分别加入0.00,0.10,0.20,0.40,0.60,0.80 mL 胭脂红溶液,定容到25 mL,在胭脂红工作波长下测吸光度,绘制标准曲线,求出摩尔吸光系数。

(5) 动力学测试方法。往比色管中按顺序加入一定量的K2S2O8溶液、FeSO4溶液和胭脂红水溶液,用水定容到25 mL,快速摇匀,并立刻计时。在胭脂红工作波长下,每隔一段时间测试吸光度,计算动力学参数。

2 结果和讨论

2.1 胭脂红的吸收曲线和标准曲线

胭脂红的吸收曲线如图1左所示。可知胭脂红溶液的最大吸收波长为510 nm。后续实验都固定在此波长下进行。摩尔消光系数为26.93 L·g-1·cm-1或1.63×104L·mol-1·cm-1。胭脂红水溶液标准曲线如图1右所示,拟合结果线性很好(r2=0.999 2)。

图1 胭脂红水溶液的吸收光谱(0.5 mL储备液定容到25 mL)和线性关系

2.2 实验原理

Fe2+在常温常压可活化过硫酸盐,产生硫酸根自由基氧化分解有机物,在常温下即可进行,不需外加光源[7-11]。反应如下：

综合可得二价铁离子活化过硫酸盐反应式为

Fe3+离子经过一系列反应,又转化成Fe2+离子。

胭脂红的耐光性和耐氧化性较好,在自然条件下降解缓慢,因此可以排除这两者的干扰,即胭脂红都是在FeSO4催化作用下被K2S2O8降解的。催化降解反应符合以下动力学方程：

v=k[K2S2O8]n1[FeSO4]n2[L]n3

(1)

其中v为反应速率(mol·L-1·min-1)；k为速率常数(单位根据级数变化,若是1级则为min-1)；n1,n2, n3为各物质的级数(一般情况下为整数,无单位)；L表示胭脂红。

2.3 反应速率的测定

根据物理化学实验教材[1-4],v=-d[L]/dt(本来还应除以L的反应计量数,但为了便于计算和讨论,这里将其并入速率常数k中)。L的浓度可由Lambert-Beer定律计算,即A=εcl。A为吸光度(无单位),ε为摩尔消光系数(L·mol-1·cm-1),c为L的浓度(mol·L-1),l为比色池厚度(本实验中l=1 cm)。代入定律则v=-d[L]/dt=-dA/dt(εl)-1。每隔一段时间测量A,根据A-t曲线的在t时刻的斜率(d[L]/dt)就能计算反应速率。

2.4 反应级数的确定

此反应体系中,K2S2O8相对胭脂红大大过量,FeSO4是催化剂,所以它们的浓度在反应时不变,即

v=k[K2S2O8]n1[FeSO4]n2[L]n3=

k[K2S2O8]0n1[FeSO4]0n2[L]n3

(2)

下标0表示初始浓度,因此反应速率v只与胭脂红的浓度和级数有关。根据这个性质,设计了如表1所示的4份溶液进行反应。根据表1配制溶液,绘制每份溶液的A-t曲线,如图2所示。4份溶液的A-t曲线并非直线,说明反应过程不是以恒定速率进行,即反应的级数非零级。

表1 反应溶液的配制 mL

注：每份溶液都用水定容到25 mL。

采取尝试法求级数。假设反应的级数为1级,那么吸光度曲线满足A=A0e-kt。将测得的A-t数据按照此曲线非线性拟合。其中A0为初始吸光度,应该等于等量胭脂红定容到25 mL时的吸光度,因此拟合时固定溶液1,2,4的A0为1.20,溶液3的A0为0.60。拟合的结果如表2所示。4份溶液的A-t曲线与1级动力学方程的匹配程度很高(见图2),r2都在0.99以上,说明反应的级数为1级。也尝试了2级,2级反应的吸光度曲线满足A=(kt+1/A0)-1。拟合时同样按照以上方式固定A0,但拟合可信度很差,r2都在0.8以下。

表2 反应溶液动力学数据的拟合结果

注:v0=-dA/dt(εl)-1=kA0(εl)-1

图2 4份溶液的动力学散点图和相应的1级速率方程拟合线

为了进一步测定每种反应物的级数,采用和传统方案一样的对消法,以测定K2S2O8的级数为例,保持2次实验中FeSO4和胭脂红的初始浓度相同,只改变K2S2O8的初始浓度,即表1中的溶液2和4,由式(2)可得:

v4/v2=(d[L]4/dt)/(d[L]2/dt)=

(3)

下标4和2表示第4和第2份溶液,将式(3)两边取对数并移项整理后得到：

(4)

每份溶液的反应速率都是变化的,所以v4和v2在每个时刻都有不同的数值,为了便于计算,采用初速率法,即用t=0时的反应速率进行计算。对速率方程A=A0e-kt进行微分,得到dA/dt=-kA0e-kt。在t=0时,dA/dt=kA0。根据拟合结果计算kA0,并列于表2中。因此

v4/v2=(d[L]4/dt)/(d[L]2/dt)=

(dA4/dt)/(dA2/dt)=(kA0)4/(kA0)2

(5)

据此算出n1=0.030,即K2S2O8的级数为0级。

同理由溶液4和1可求出FeSO4级数,为-0.08,可看成0,由溶液4和3可求出胭脂红级数,为0.91,可看成1。3个级数相加结果近似为1,再次印证了反应级数为1级,也说明了采用初速率法处理数据是可行的。

3 实验方案设计和实际实施效果

根据以上结果,设计了实验教学方案和数据处理方法：

(1) 在460—550 nm范围内扫描胭脂红溶液的吸收曲线,确定最大吸收波长。

(2) 分别加入0～0.8 mL的胭脂红溶液,并定容到25 mL,测试标准曲线。

(3) 按照表1配制4份反应溶液,每隔一段时间,比如2 min,分别测试4份溶液的吸光度,测试时间约30 min。

(4) 用A=A0e-kt函数分别对4条A-t曲线拟合。由于每组学生用的比色皿和仪器不同,测得的结果不同,所以在拟合前应按照自己的标准曲线(1 mL时的吸光度)计算A0,拟合时固定A0求出k。并计算kA0和v0。

(5) 根据公式(4)计算n1,n2,n3。

制定了衡量学生实验结果的标准：

(1) 最大吸收波长应在510 nm附近,正负不超过10 nm。

(2) 标准曲线r2应该在0.99以上。

(3)A-t曲线拟合后,r2应该在0.90以上。

(4)n1范围在-0.3～0.3之间；n2范围在-0.3～0.3之间；n3范围在0.7～1.3之间。

(5)k和v0值不作为评判标准,因为k值影响因素较多,如温度、比色皿不同等。

表3 学生完成两种实验的结果对比

2种实验方案的特性如表4所示。本方案中每份溶液最多只需要测量30 min,溶液即基本褪色完全,而传统方案需要40 min或更长时间才能使前后吸光度变动0.2以上,耗时长；本方案试剂和反应产物毒性很低,试剂的价格低,传统方案用到高毒性的Cr3+和昂贵的AgNO3试剂,因此本方案更加环保经济；2种方案都可以实现可视化,本方案在反应过程中溶液是澄清透明的,而传统方案在反应时呈现浑浊,如图3所示；本方案吸光度变化可达到0.6以上,测量结果较准确,传统方案由于Cr3+的摩尔消光系数低,吸光度变化只能达到0.2左右；传统方案反应速率近似恒定,所以数据处理过程比较简单,而本方案反应速率非恒定,数据处理和分析过程比较复杂,需要学生掌握专业软件如Origin的非线性拟合操作方法,这有利于扩宽学生的知识面、提高学生数据处理和分析的能力；该实验与食品与生物工程环境专业有很强关联性,容易激发学生的学习积极性和主动性；从传统方案转到本方案只需要更换2种试剂,不需要额外添加器材,容易转型。综上所述,本方案具有诸多优点,可以在教学中进一步推广和普及。