2020-05-11
244
Концентрационная колориметрия – это фотометрический метод определения концентрации вещества в окрашенных растворах, который связан с изменением интенсивности света.
Интенсивностью света называется отношение энергии W, переносимой светом через поверхность, перпендикулярную световому лучу, ко времени переноса t и к площади s этой поверхности:
Прохождение света через вещество ведет к возбуждению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля световой волны. Этот процесс сопровождается потерей энергии света, которая превращается в различные формы внутренней энергии вещества или в энергию вторичного излучения, и называется поглощением света. Поглощение света, например, может приводить к нагреванию вещества, ионизации или возбуждению атомов и молекул, фотохимическим процессам и т. п.
Поглощение света веществом обычно носит избирательный (селективный) характер: свет разных длин волн поглощается по-разному. Поэтому большинство окружающих нас тел имеет «собственный» цвет. Из потока белого света тело поглощает лучи только определенных длин волн, остальные отражаются, пропускаются или рассеиваются. Так, например, листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме 520 нм < λ < 600 нм (зеленая часть) и λ > 700 нм (темно-красная часть).
|
|
|
Избирательным поглощением стекла или полиамидной пленки обусловлен парниковый эффект: значительная часть инфракрасного излучения, испускаемого нагретой землей, поглощается стеклом (или пленкой) и, таким образом, задерживается внутри парника. Слой озона в верхних слоях атмосферы интенсивно поглощает ультрафиолет и тем самым защищает живую природу на Земле от губительного действия коротковолнового излучения. Биологические ткани, клеточные структуры, отдельные органические молекулы также сильно поглощают ультрафиолетовое излучение.
Закон поглощения света однородной средой выводится на основании экспериментальных наблюдений Бугера и Ламберта: уменьшение интенсивности при поглощении света на малом пути пропорционально длине этого пути и самой интенсивности. Если выбрать небольшой слой вещества толщиной dx (рис. 1а), то ослабление интенсивности dI опишется (на основе опытных данных) следующей формулой:
dI = – kIdx, (2)
где k – коэффициент поглощения зависит от рода вещества и длины волны света. Знак «–» означает, что интенсивность I света уменьшается за счет его поглощения.
|
| Рис. 1 |
Чтобы определить полное изменение интенсивности света после его прохождения сквозь слой толщиной l, проинтегрируем уравнение (29), предварительно разделив переменные:
|
|
|
После потенцирования:
Соотношение (3) называется законом Бугера – Ламберта. При распространении света в веществе его интенсивность убывает по экспоненте (рис. 1б). В слое толщиной l = 
интенсивность света падает в e = 2,72 раза.
Для удобства практической оценки ослабления света при его прохождении сквозь образец пользуются понятиями:
коэффициента пропускания
и оптической плотности
Очевидно, что
Коэффициент поглощения определяется по формуле:
Большое практическое значение имеет поглощение света растворами. Опытным путем установлено, что для веществ, растворенных в прозрачных растворителях, коэффициент поглощения (k) пропорционален их концентрации (С) в растворе (закон Бера):
k = A · C (8)
где А – коэффициент пропорциональности, постоянный в случае слабых растворов и зависящий от рода молекул растворенного вещества (при больших С этот коэффициент начинает зависеть от С и пропорциональная зависимость k(С) нарушается).
Поглощение света растворами описывается законом Бугера – Ламберта – Бера:
где – 0,43А = 
(молярный коэффициент поглощения, характеризует поглощение света молярным раствором исследуемого вещества в слое единичной толщины) является важной физической характеристикой растворов.
Из соотношений (5) и (10) оптическая плотность раствора определяется следующей формулой:
D = 
C 
(11)
Закон Бугера – Ламберта – Бера (формулы 9 и 11) лежит в основе концентрационной колориметрии и дает возможность:
1) определить концентрацию (С) вещества в растворе (при известных D и ε);
2) идентифицировать вещества (т. е. определить ε по известным D и С при облучении монохроматическим светом).
Для определения оптической плотности D растворов используют специальные приборы – колориметры. При этом фотометрирование проводят визуально или с помощью чувствительных фотоэлементов.
Цель работы: изучение фотометрического метода определения концентрации вещества в окрашенных растворах с помощью фотоэлектрического калориметра (ФЭК).
Описание установки
Приборы и принадлежности: фотоэлектрический калориметр (типа ФЭК – 56М), три одинаковых кюветы (расстояние между рабочими гранями 10 нм), растворы исследуемого вещества различной концентрации, сосуд с дистиллированной водой (для ополаскивания кювет при смене в них исследуемых растворов), фильтровальная бумага.
Упрощённая оптическая схема ФЭКа, позволяющая понять принцип работы прибора, изображена на рис.2.
|
Рис. 2
Свет от источника «ИС», пройдя через светофильтр «8», попадает на призму «7», которая делит его на два пучка: левый и правый. Световые пучки отразившись от зеркал «6», проникают в кюветы «4» с исследуемыми жидкостями. В правый световой пучок могут включаться последовательно две кюветы (с раствором и растворителем). В левый световой пучок помещают кювету с растворителем (дистиллированной водой) на всё время работы. Световые пучки, вышедшие из кювет, отражаются от зеркал «3» и падают на одинаковые фотоэлементы «2», где световой сигнал преобразуется в электрический, который регистрируется гальванометром «1». Чтобы достигнуть равенства интенсивностей Iлев и правого Iпр световых потоков
(Iпр = Iлев, при этом гальванометр покажет отсутствие тока, т. е. 0) интенсивности световых потоков меняют путём сужения и расширения диафрагм «5» и «11». Эти диафрагмы связаны с отсчётными барабанами, на которых нанесены две шкалы: чёрная – называется шкалой светопропускания (по ней отсчитывается коэффициент пропускания τ в процентах); красной – соответствует оптической плотности D. Обе шкалы связаны между собой соотношением (6).
|
|
|
Электрическое обеспечение ФЭКа осуществляется через блок питания, после включения которого измерения можно начинать спустя 20 – 30 минут.
Производство работы
Задание №1. Подготовить ФЭК к работе (рис. 3).
|
Рис. 3
1. Включить блок питания «БП»: вилку включить в городскую электросеть, тумблер поставить в положение «ВКЛ». Выбрать один из двух источников света: РН 8 – 35 или СВД – 120 А. Измерения проводить только через 30 минут после включения прибора.
2. Приготовить для работы 3 одинаковых кюветы, рабочие поверхности которых протереть чистой фильтровальной бумагой. Две (2) кюветы наполнить дистиллированной водой не ниже метки на боковой стенке кювет; после чего установить одну кювету в левый кюветодержатель «10» (на всё время работы), а вторую – в одно из «гнёзд» правого кюветодержателя (на всё время работы). Нельзя касаться пальцами рабочих граней кювет (ниже уровня жидкости).
3. Рукоятка «14» - «чувствительность» - должна находиться в одном и том же положении в течении всего производства работы!
4. Установить электричкский «нуль» прибора. Для этого с помощью рукоятки «13» световые пучки перекрывают шторкой (крайнее правое положение рукоятки) Рукояткой «15» установить стрелку микроамперметра «1» на 0. Вращать рукоятку «15» в процессе измерений нельзя!
5. Установить в рабочее положение светофильтр с маркировкой 0 (это соответствует излучению с длиной волны красного света λ = 630 нм), включение которого достигается поворотом диска «16» так, чтобы цифра «8» стояла у метки (белая точка).
Задание №2. Исследовать зависимость оптической плотности от концентрации раствора.
1. Свободную кювету наполнить до метки 10%- мм раствором и поместить её во второе «гнездо» правого кюветодержателя.
2. Поворотом диска «4» в правый пучок света ввести исследуемый раствор, закрыть крышку «12» прибора.
3. Измерить оптическую плотность исследуемого раствора:
|
|
|
– индекс правого барабана «5» установить на отсчёт 0 на красной шкале оптической плотности (или 100 на чёрной шкале светопропускания),
– открыть шторку светового окна рукояткой «13» (положение «открыто»),
– вращением левого барабана «11» поставить стрелку микроамперметра «1» на 0,
– вращением диска «4» заменить в правом пучке кювету с раствором кюветой с растворителем – дистиллированной водой,
– вращением правого барабана «5» вернуть стрелку микроамперметра «1» на 0,
– прочитать значение оптической плотности (D) раствора на красной шкале «17»
4. Измерение оптической плотности (D) раствора повторить три раза, вычислить среднее арифметическое значение Di и записать все данные в таблицу.
5. Шторку закрыть – рукоятку «13» поставить в крайнее правое положение. Открыв крышку «12» измерительной камеры, вынуть кювету с исследуемым раствором и перелить её в колбу. Кювету сполоснуть дистиллированной водой.
6. В правый пучок света поочерёдно помещать растворы различной концентрации (20%, 30%. 40%. 50%. 60%) и измерить оптическую плотность этих растворов согласно п.п. 2 – 5.
7. Построить график зависимости Di = f (c)
8. Сделать вывод о выполнении закона Бугера – Ламберта – Бера (формула 11).
Задание №3. Определить неизвестную концентрацию раствора.
1. В правый световой пучок поочерёдно помещать кювету с исследуемыми растворами неизвестной концентрации СI и СII.
2. Измерить оптическую плотность данных растворов согласно п.п. 2 – 5 задания «2»
3. По построенному в задании №2 графику определить концентрацию СI и СII.
Задание №4. Определить мопярный коэффициент поглощения для водного раствора.
1. Из закона Бугера – Ламберта - Бера записать расчётную формулу для молярного коэффициента поглощения:
2. По формуле (12) рассчитать коэффициент 
i для каждого раствора, где
ℓ = 10 нм; D – среднее значение оптической плотности 
для соответствующей концентрации C (данные для расчётов взять в таблице измерений).
3. Определить молярный коэффициент поглощения:
где i – номер раствора, n = 8 (см. таблицу),
2) абсолютная погрешность отдельных измерений
3) средняя арифметическая погрешность результата
4) ответ 
.
4. Расчёты записать в таблицу.
Таблица
| Номер р-ра | c, % | Показания ФЭКа |
|
|
| ||
| D1 | D2 | D3 | |||||
| 1 | 10 | ||||||
| 2 | 20 | ||||||
| 3 | 30 | ||||||
| 4 | 40 | ||||||
| 5 | 50 | ||||||
| 6 | 60 | ||||||
| 7 | СI | ||||||
| 8 | СII | ||||||
Контрольные вопросы
1. Интенсивность света. Природа поглощения света.
2. Спектры поглощения света светочувствительными пигментами растительной клетки: хлрофиллами, фикобилинами, каротиноидами. Назовите группы соединений для каждого типа пигментов, а также их максимумы поглощения.
3. Парниковый эффект. Коэффициент пропускания, оптическая плотность, коэффициент поглощения, молярный коэффициент поглощения (экстинкции) – формулы по определению.
4. Закон Бугера-Ламберта. Характер поглощения света в зависимости от интенсивности света и слоя вещества толщиной х, привести формулу и график.
5. Закон Бугера-Ламберта-Бера.
6. Решить задачу.
