фотоколориметрические методы анализа

Апробация
Министерство образования и науки Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
Балаковский институт техники, технологии и управления
ПРОВЕРКА ПОДЧИНЕНИЯ РАСТВОРОВ ЗАКОНУ
БУГЕРА-ЛАМБЕРТА-БЕРА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Аналитическая химия» для студентов направления ХМТН
всех форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Балаковского института техники,
технологии и управления
Балаково 2013
Цель работы: изучение зависимости оптической плотности растворов аммиаката меди, от толщины поглощающего слоя и концентрации меди в растворе.
Введение
Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами, представляют обширную группу абсорбционных оптических методов. При поглощении света атомы и молекулу поглощающих веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от
вида поглощаемых частиц и способа трансформирования поглощенной энергии
различают:
1. Атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении энергии анализируемых веществ.
2.
Молекулярный абсорбционный анализ, т.е. анализ по поглощения света
молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК–спектроскопипя).
3.
Анализ по поглощения и рассеянию световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометоия).
4.
Люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на измерении излучения, возникаюшего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.
Все эти методы иногда объединяют в одну группу спектроскопических
методов, хотя они и иречт существенные различия. Фотоколориметрию и спектрсфотометрию обычно обьединяют в одну группу фотометрических методов
анализа.
ОСНОВНИЕ ПОНЯТИЯ
В фотометрических методах используют избирательное поглощение света
молекулами анализируемого вещества. В результате поглощения
излучения
молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией Е1, в более высокое энергетическое состояние Е2. Поглоще-
ние света происходит в том случае, когда энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ∆ Е между энергетическими уровнями в конечном
(Е2) и начальном (Е1) состояниях поглощающей молекулы:
hν = ∆ Е= Е2 – Е1
(1)
где: h – постоянная Планка,
v – частота поглощаемого излучения, с-1.
При поглощении квантов света происходит увеличение внутренней энергии
частицы, которая складывается из энергии вращения частиц какцелого, энергии
колебания атомов и движения электронов:
Е = Евр – Екол – Еэл
(2)
где: Евр – вращательная;
Екол – колебательная;
Еэл –электронная энергия.
В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе
различают спектрофотометрический метод – по поглощению монохроматического света (излучение в котором все волны имеют одинаковую длину λ ) и
фотоколориметрический анализ по поглощении полихроматичесного света в
видимой области спектра. Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.
При прохождении света с интенсивностью Io через слой окрашенного вещества часть его отражается Iот, часть поглощается Iп и часть света проходит через
слой вещества I:
Io = Iот + Iп + I
(3)
При сравнительных измерениях поглощения света растворами пользуются
одинаковыми кюветами, для которых интенсивность отраженной части светового потока постоянна и мала; потеря света за счет рассеяния при работе с истинными растворами так же мала. Ослабление интенсивности света происходит
главным образом за счет поглощения (абсорбции) световой энергии окрашенным раствором. Интенсивность падающего светового потока Io и светового потока, прошедшего через раствор I можно определить экспериментально.
Связь между интенсивностями световых потоков Io и I устанавливается законом Бугера-Ламберта, согласно которому однородные слои одного и того же
вещества одинаковой толщины поглощает одну и ту же долю падающей на них
световой энергии (при постоянной концентрации растворенного вещества).
Математически этот закон выражается уравнением:
I = Io ·e-al
( 4)
где: е - основание натуральных логарифмов;
А - коэффициент поглощения;
l- толщина поглошающего слоя.
Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется
коэффициентом пропускания или пропусканием Т:
I
Т= I
o
(5)
Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью (D) :
I
Io
D = - lgТ = - lg I = lg I
(6)
o
Связь между концентрацией поглощающего раствора и его оптической
плотностью выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества
при постоянной толщине слоя
Io
lg I = k1·c
(7)
где k1 – коэффициент пропорциональности;
c – концентрация растворенного вещества.
Зависимость интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего через слоя окрашенного раствора, от интенсивности падающего потока
света, концентрации окрашенного вещества и толщины слоя раствора определяется объединенным законом Бугера-Ламберта-Бера, который является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства колориметрических методов анализа:
I = Io ·10-kcl
(8)
где k- коэффициент светопоглощения, зависящий от природы растворенного
вещества, температуры, растворителя и длины волны. Если концентрация
С
выражена в моль/л, а l – в сантиметрах, то k – представляет собой молярный
коэффициент светопоглощения и обозначается ε λ . Уравнение ( ) в этом случае
имеет вид
I = Io · 10 − ε
λ
(9)
cl
При соблюдении основного закона светопоглощения оптическая плотность раствора прямо пропорциональна молярному коэффициенту светологлощения, концентрации поглощающего вещества и толщине слоя раствора:
D = ε λ ·c· l
(10)
Зная величину оптической плотности исследуемого окрашенного
раствора и величину молярного коэффициента поглощения, находят неизвестную концентрацию исследуемого окрашенного раствора С х (моль/л) и общее
количество определяемого вещества
Dx
Cx = ε ⋅ l
λ
gx (в мг) :
V
x
gx = c x ⋅ V ⋅ Vобщ ⋅ М
1
(11)
Где Vx – объем окрашенного исследуемого раствора, мл;
V1 – объем аликвотной части исследуемого раствора, мл;
Vобщ – общий объем исследуемого раствора, мл;
М - мольная масса определяемого вещества (ионы).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Правила работы на приборе КФК- 2
Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2 предназначен
для измерения в отдельных участках диапазона длины волн 315- 980 нм. выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности
жидкостных растворов и твердых тел, а также определения концентрации веществ в растворах методом градуировочных графиков. Колориметр позволяет
производить измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей,
эмульсий и коллоидных растворов в видимом свете.
Подготовка к работе
1. Включите прибор в сеть за 15 минут до начала изменений, Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто( при этом шторка перед фотоприемниками перекрывает световой пучок),
2. Введите необходимый цветной светофильтр.
3.Установите минимальную чувствительность колориметра. Для этого ручку
"чувствительность" установите и положение "1", ручку "установка 100 грубо"
– в крайнее левое положение.
4. Перед измерениями и при переключении фотоприемников проверяйте установку стрелки колориметра на "о" по шкале коэффициентов пропускания при
открытом кюветном отделении. При смещении стрелки от нулевого положения
ее подводят к нулю с помощью потенциометра "нуль", выведенного под шлиц.
Измерение коэффициента пропускания
1.
В световой пучок поместите кювету с растворителем или контрольный
раствор, по отношению к которому производятся измерения.
2. Закройте крышку кюветного отделения.
3. Ручками "чувствительность" и "установка 100 грубo" и "точно" установите
отсчет 100 по шкале колориметра. Ручка "чувствительность" может находиться в одном из трех положение: "1", "2" или "3".
4. Затем кювету с растворителем или контрольным раствором замените кювету
с исследуемым раствором.
5. Снимите отчет по шкале пропускания в процентах или по шкале оптической плотности исследуемого раствора.
6. Измерения проведите 3- 4 раз и окончательное значение измеренной величины определите как среднее арифметическое из полученных значений.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
1.Перед началом работы ознакомиться с устройством прибора, помня, что
недостаточное знакомство с прибором может привести к несчастному случаю.
2. Реактивы следует расходовать бережно, беря для работы лишь указанные ко-
личества.
3. Посуда и реактивы должны быть чистыми. Особенно тщательно нужно следить за чистотой реактивов в склянках и никогда не опускать использованную
пипетку в склянку с другими реактивами.
4. После выполнения работы следует отключить прибор и убрать свое рабочее
место.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Приборы и реактивы: фотоэлектроколориметор КФК-2, стандартный рacтвор сульфата меди СиSО4 ·5Н2О,
0,5мг/мл; аммиак NH4OH водный раствор
(1:1); дистиллированная вода; мерные колбы емкостью 50мл; пипетки емкостью 10мл; мерные цилиндры на 25 мл.
Задание 1. Проверка закона Бугера-Ламберта
1. В мерную колбу емкостью 50 мл наливают 5,0 мл раствора сульфата меди,
нейтрализуют раствором аммиака по каплям до появления слабой мути, после
чего прибавляют 15 мл раствора аммиака, разбавляют водой до 50 мл и перемешивают. Одновременно готовят раствор сравнения, для чего в мерную колбу
емкостью 50 мл вводят 15 мл аммиака и водой разбавляют до метки.
2. Измеряют оптическую плотность раствора с толщиной поглощающего слоя
1, 2, 3 и 5 см. По полученным данным строят графини зависимости оптической
плотности D от толщины поглощающего слоя l .
Задание 2. Проверка закона Бера
1. В ряд мерных колоб емкостью 50 мл наливают 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 мл стандартного раствора сульфата меди. Растворы в каждой колбе нейтрализуют
раствором аммиака до появления мути и прибавляют по 15 мл избытка аммиака, доливают воду до 50 мл и перемешивают.
2. Измеряют оптическую плотность полученных растворов в кюветах с толщиной слоя З см. По результатам измерения строят график зависимости оптической плотности D от концентрации меди С.
ОФОРМЛЕНИЕ! ЛАБОРАТОРНОГО ЖУРНАЛА
Результаты работы записываются в лабораторный журнал, КОТОРЫЙ оформляется следующим образом:
1.
Название и цель работы.
2.
Основные понятия.
3.
Записываются полученные данные и строятся графики зависимости оп-
тической плотности от толщины слоя раствора, зависимости оптической плотности от концентрации меди.
4.
Выводы по работе.
5. Вопросы для самопроверки.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.
Как изменится оптическая
плотность раствора при увеличении погло-
щающего слоя?
2.
Как изменится оптическая
плотность раствора при увеличении концен-
трации меди в 2 раза?
3.
Определите оптимальную толщину поглощаюшего слоя для фотомерирования окрашенного раствора соли железа с молярным коэффициентом
поглощения ε λ = 4000 при концентрации 2мг в 50 мл. Оптимальное значение оптической плотности равно 0,42.
4.
Оптическая плотность сульфасалицилата железа, измеренная при λ = 433
нм в кювете с толщиной слоя 2см, равна 0,15. Для реакции взято 4мл
5,82·10-4 моль/л раствора железа и доведено до 50,0 мл. Определите значение молярного коэффициента поглощения полученного раствора.
Время, отведенное на лабораторную работу
Подготовка к работе
Выполнение работы
Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета
1 ак. час
2 ак. часа
1ак. час
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Тикунова И.В. Практикум по аналитической химии и физико-химическим. методам анализа. М.: Пресбург, 2006.
2.
Основы аналитической химии. В 2-х кн. Кн. 2. Методы химического анализа. Учеб. для вузов/Ю.А. Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И.Фадеева и др.
Под ред. Ю.А.Золотова.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высшая школа,
2002.
3. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2-х кн., ч.1. Титриметрические и
гравиметрический методы анализа: учеб. для студ. вузов, обучающихся
по химико-технолог. спец.- 3-е изд., стереотип.- М.: Дрофа, 2003.
4.
Васильев В.П. Аналитическая химия в 2-х кн., ч.2. Физико-химические
методы анализа: учеб. для химико-технолог. спец. вузов.- М.: Дрофа,
2003
ПРОВЕРКА ПОДЧИНЕНИЯ РАСТВОРОВ ЗАКОНУ
БУГЕРА-ЛАМБЕРТА-БЕРА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Аналитическая химия» для студентов направления ХМТН
всех форм обучения
Составила: СИНИЦЫНА Ирина Николаевна
Рецензент Н.г. Зубова
Редактор Л.В. Максимова
Подписано в печать
Формат 60х84
Бумага тип.
Усл. печ.л.
Тираж экз.
Заказ
Уч.-изд.л.
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Копипринтер БИТТиУ, 413840, г.Балаково, ул.Чапаева, 140