физика

Star InactiveStar InactiveStar InactiveStar InactiveStar Inactive

 

Практическая работа №

 

«Фотоколориметрический анализ»

 

Приборы и принадлежности: цифровой фотоэлектроколориметр AP-101, кюветы, растворы исследуемого вещества различной концентрации.
Цель работы: изучение законов поглощения света в растворах с помощью фотоэлектроколориметра AP-101.

 

Теория работы:

 

При распространении электромагнитных волн и, в частности, световых в любой среде наблюдается более или менее значительное уменьшение их интенсивности (под интенсивностью подразумевается среднее значение плотности потока световой энергии).
Это связано с различными  процессами, происходящими при взаимодействии электрического и магнитного полей волны с атомами и молекулами среды. Такими процессами могут быть, например, рассеяние, люминесценция, фотохимическое разложение вещества и др.
Если прохождение света через некоторую среду не вызывает необратимых изменений, то есть не происходят фотохимические реакции, и вещество достаточно однородно, так что можно пренебречь рассеянием, то изменение интенсивности  света обусловлено превращением энергии электромагнитного поля волны в другие виды энергии (чаще всего в энергию хаотического теплового движения атомов и молекул вещества) и называется поглощением света.
Пьер Бугер установил, что интенсивность I плоской монохроматической волны, распространяющейся в однородной поглощающей среде, убывает с расстоянием по экспоненциальному закону: (закон Бугера)
Здесь I0 – интенсивность света в сечении x=0;  k – коэффициент затухания (коэффициент абсорбции), не зависящий от интенсивности.
Дальнейшее развитие представлений о закономерностях поглощения света связано с работами А. Бера.
Исследуя поглощение света в жидких растворах, Бер установил ,что коэффициент затухания k в законе Бугера пропорционален концентрации молекул растворенного поглощающего вещества, то есть их числу n в единице объема раствора, k=αn.
Здесь α – коэффициент пропорциональности.
Коэффициент α характерезует поглощательную (абсорбционную) способность отдельной молекулы. Из анализа размерностей следует, что величина α имеет размерность площади. Поэтому величине α можно приписать физический смысл эффективного сечения оптического поглощения молекул.
Пусть С – концентрация раствора, выраженная числом молей растворенного вещества в единице объема раствора (молярная концентрация). Тогда концентрация поглощающих молекул n=CNA , где NA – число Авогадро.
Закон поглощения света принимает вид: – закон Бугера-Бера
На практике измеряют и находят две физические величины: оптическую плотность D и коэффициент пропускания T.
Отношение интенсивности прошедшего через тело светового потока к интенсивности потока, падающего на него, называется коэффициентом пропускания:
Значения T могут меняться от 0 (весь свет поглощается) до 1 (весь свет проходит), обычно их выражают в процентах.
Логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания, называется оптической плотностью:
Когда коэффициент пропускания T падает от 100% до 0%, оптическая плотность D соответственно растет от 0 до ∞.
Свойство атомов и молекул поглощать свет определенных длин волн, характерных для данного вещества, широко используется в медицине и фармации для качественных и количественных исследований. Измерение спектров поглощения позволяет судить о концентрации различных химических веществ. Для измерения концентрации веществ по спектрам поглощения их растворов используется прибор фотоэлектроколориметр.

 

Описание установки

 

Принципиальная схема большинства современных фотоэлектроколориметров включает в себя последовательно следующие блоки (Рис. 1.):

 

Безымянный

  • Рис. 1. Основные функциональные блоки фотоэлектроколориметра

 

  • В качестве источника света используют обычно лампу накаливания, излучающую свет в видимом диапазоне длин волн. Светофильтр нужен для выделения области спектра с определенными длинами волн. Фотоэлемент (чаще всего используется селеновый фотоэлемент) преобразует энергию светового потока в электрическую энергию. Регистрирующее устройство – высокочувствительный микроамперметр или цифровой вольтметр; в современных ФЭК – вычислительный блок с микропроцессорной системой.
  • Принцип действия колориметра основан на измерении светопропускания или оптической плотности исследуемого образца относительно контрольного раствора. При этом оптическую плотность контроля принимают равной нулю. Контроль, а затем опытный образец поочередно устанавливают на пути светового потока. Световые потоки фотоприемниками преобразуются в электрические сигналы.
  • Панель управления, дисплей и индикаторы фотоэлектроколориметра AP-101:

     

  • коробка

     

      • Рисунок № 2 Передняя панел
      • 1. Дисплей
      1. 2. Индикаторы выбранных функций
      2. 3. Держатель фильтров
      3. 4. Измерительная камера
      4. 5. Переключатель выбора режимов
      5. 6. Ручка T-100%
      6. 7. Ручка ABS-0
      7. 8. Ручка CONC
      8. 9. Адаптер для крукгых кювет
      9. Порядок выполнения работы

      10. Приготовление растворов известных концентраций. Пусть имеется раствор с высокой исходной концентрацией C (моль/м3). Объем кюветы до риски V0. Если налить в кювету чистый растворитель в объеме V0 и добавить к нему объем V раствора с концентрацией C0, то концентрация раствора в кювете ,  .формула 1гдеформула2
        Добавляя раствор в кювету, можно постепенно увеличивать его концентрацию C, которая, очевидно, всегда будет меньше концентрации добавляемого раствора, C < C0.
      11. 1)Фотометрирование эталонных растворов
      12. Ход работы:
    1. 1. Подключите сетевой кабель в сетевую розетку.
      2. Включите прибор (выключатель находится на задней панели с левой стороны) и удостоверьтесь, что дисплей загорелся. Для стабилизации интенсивности свечения лампы прибор необходимо прогреть около 15 минут.
      3. Из коробки достаньте фильтр с длиной волны λ=420 нм.
      4. Вставьте выбранный фильтр в держатель фильтра.
      5. Поместите кювету (пробирку) с дистиллированной водой в держатель кюветы.
      6. Поверните переключатель режимов (5) в позицию «Т» (Коэффициент светопропускания).
      7. Поверните и установите ручку «Т-100%», так чтобы на дисплее появилось значение «100.0».
      8. Поверните переключатель режимов (5) в позицию «А» (Абсорбция).
      9. Поверните и установите ручку «ABC-0», так чтобы на дисплее появился индикатор «00.0».
      10. Возьмите вторую чистую кювету, залейте в нее дистиллированную воду до риски (объем до риски V0 указан на кювете) и капните одну или две капли раствора дихромата калия (K2Cr2O7) концентрации С0 (объём капли V и концентрация C0 указаны на сосуде с раствором) и перемешайте полученный раствор в кювете.
      11. Затем необходимо заменить кювету с дистиллированной водой в держателе кюветы на кювету с пробой.
      12. Поверните переключатель режимов в позиции «Т». Коэффициент  светопропускания пробы будет измерен и появится на дисплее.
      13. Поверните переключатель режимов (5) в позицию «А». Значение абсорбции пробы (k) будет на дисплее.
      14. Результаты измерений оформить в виде таблицы 1.

       

        • K2Cr2O7, V0=… мл, С0=2.5 моль/м3                                                                                                        таблица 1
      1. Число капель V,мл λ=420 нм λ=460 нм  ah C=ПС0 моль/м3
        T,% D k T,% D k
        1                  
                         
        20                  

 

Задание 1

 

1.Профотометрировать растворы дихромата калия с двумя фильтрами 420 и 460 нм, добавляя по одной (две) капли до 20 раствора концентрации С0.
2.По той же методике профотометрировать раствор медного купороса CuSO4 с тремя фильтрами 510, 540, 600 нм.
3.Для каждой соли заполнить таблицу 1. и построить график D=f(C).

 

Задание 2

 

1.Для каждой соли по данным таблицы 1. построить график зависимости коэффициента абсорбции (k) от концентрации раствора (C).
2.Вычислить по прямолинейным участкам эффективное сечение поглощения молекул α для каждой соли при всех фильтрах.
3.Для каждой соли заполнить таблицу 2.

                                                                                                                  

  • Таблица 2.
Соль Дихромат калия Медный купорос
λ, нм 420 460 510 540 600
α, м2          

 

1) Измерение неизвестных концентраций C0x

 

Ход работы:

 

1. Поместите чистую кювету (не менее 1 мл) с дистиллированной водой в держатель кюветы.
2. Поверните переключатель режимов в позиции от 1 до 3 в соответствии с нужным количеством десятичных знаков (C1: 0 – 19,99; C2: 0 – 199,9; C3: 0 – 1999).
3.  Поверните и установите ручку «ABC-0» так, чтобы на дисплее появилось значение «000».
4. Выньте кювету с бланком, и вставьте в держатель кюветы кювету со стандартом (дихромата калия) с известной концентрацией С0, содержащей не менее 1,0 мл.
5. Установите ручкой «CONC» на дисплее концентрацию стандарта.
6. Замените в держателе кюветы кювету (пробирку) со стандартом кюветой с пробой (не менее 1 мл) дихромата калия с неизвестной концентрацией С0x.
7. Значение концентрации пробы появится на дисплее.
8. Установите переключатель режимов в позицию «F», не меняя положения ручки «CONC».
Вы увидите на дисплее значение фактора «F» (коэффициента) для данного стандарта. Запишите значение этого коэффициента для дальнейшего использования с этим методом.
9. Повторить измерение пробы, используя фактор «F».

 

Примечание: Если вы работаете с квадратной кюветой, все измерения (стандарт, проба) необходимо выполнять при закрытой крышке измерительной камеры, для предотвращения влияния окружающего света на результаты измерения.

 

Как использовать фактор «F»:

 

Позиция «F» переключателя режимов используется при подсчете концентрации. Когда ручка «CONC» установлена, как обозначено выше в шаге 5, ее положение задает фактор (коэффициент), который рассчитывается как отношение концентрации стандарта к его оптической плотности. Этот фактор «F» отображается на дисплее при переводе переключателя режимов в позицию «F». Однажды записанный фактор «F» может использоваться для замены измерения стандарта при определении значения концентрации проб. Для этого поверните переключатель режимов в позицию «F» и установите ручкой «CONC» значение записанного фактора. Затем переведите переключатель режимов в одну из трех позиций от C1 до C3 в соответствии с количеством десятичных знаков, концентрация пробы появится на дисплее.

 

Задание 3

 

1. Определить неизвестную концентрацию C0x одного раствора и одного раствора для каждой соли, используя концентрацию стандарта и фактор «F».

2. Заполнить таблицу 3.

 

Номер измерения Дихромат калия Медный купорос
C0 моль/м3 F C0x моль/м3 C0 моль/м3 F C0x моль/м3
1            

2

   

 

Пример отчёта

 

1) Фотометрирование эталонных растворов                              K2Cr2O7, V0=3 мл, С0=2,5 моль/м3

 

Число капель V,мл λ=420 нм λ=460 нм   C=ПС0 моль/м3
T,% D k T,% D k
1 0,05 92 0,04 0,011 97 0,01 0,006 0,016 0,041
2 0,1 87 0,06 0,021 95 0,02 0,013 0,032 0,081
3 0,15 82 0,09 0,031 93 0,03 0,018 0,048 0,119
4 0,2 79 0,1 0,041 90 0,05 0,024 0,063 0,156
5 0,25 75 0,12 0,05 89 0,05 0,03 0,077 0,192
6 0,3 72 0,14 0,059 87 0,06 0,035 0,091 0,227
7 0,35 70 0,15 0,068 86 0,07 0,041 0,104 0,261
8 0,4 68 0,17 0,077 84 0,08 0,046 0,118 0,294
9 0,45 66 0,18 0,085 83 0,08 0,051 0,13 0,326
10 0,5 64 0,19 0,093 81 0,09 0,055 0,143 0,357
11 0,55 62 0,21 0,101 79 0,1 0,06 0,155 0,387
12 0,6 60 0,22 0,109 77 0,11 0,065 0,167 0,417
13 0,65 58 0,24 0,116 75 0,12 0,069 0,178 0,445
14 0,7 56 0,25 0,124 74 0,13 0,074 0,189 0,473
15 0,75 54 0,27 0,131 73 0,14 0,078 0,2 0,5
16 0,8 53 0,28 0,138 71 0,15 0,082 0,211 0,526
17 0,85 51 0,29 0,145 69 0,16 0,086 0,221 0,552
18 0,9 50 0,3 0,151 68 0,17 0,09 0,231 0,577
19 0,95 49 0,31 0,157 66 0,18 0,093 0,241 0,601

20

1 48 0,32 0,164 64 0,19 0,097 0,25 0,625

 

график

 

  • CuSO4, V0=3 мл, C0=25 моль/м3

 

Число капель V, мл λ=510 нм λ=540 нм λ=600 нм   C=ПC0
T,% D k T,% D k T,% D k моль/м3
1 0,05 97 0,01 0,018 96 0,02 0,016 94 0,03 0,013 0,016 0,41
2 0,1 92 0,04 0,036 93 0,03 0,032 92 0,04 0,026 0,032 0,806
3 0,15 88 0,06 0,053 89 0,05 0,047 90 0,05 0,039 0,048 1,19
4 0,2 84 0,08 0,069 86 0,07 0,061 86 0,07 0,051 0,063 1,563
5 0,25 79 0,1 0,085 81 0,09 0,076 82 0,09 0,063 0,077 1,923
6 0,3 74 0,13 0,1 77 0,11 0,089 79 0,1 0,074 0,091 2,273
7 0,35 70 0,15 0,115 73 0,14 0,103 77 0,11 0,085 0,104 2,612
8 0,4 65 0,19 0,13 69 0,16 0,115 73 0,14 0,096 0,118 2,941
9 0,45 60 0,22 0,144 65 0,19 0,128 70 0,15 0,107 0,13 3,261
10 0,5 56 0,25 0,158 60 0,22 0,14 66 0,18 0,117 0,143 3,571
11 0,55 51 0,29 0,171 57 0,24 0,152 63 0,2 0,127 0,155 3,873
12 0,6 48 0,32 0,184 54 0,27 0,164 59 0,23 0,136 0,167 4,167
13 0,65 45 0,35 0,197 50 0,3 0,175 56 0,25 0,146 0,178 4,452
14 0,7 42 0,38 0,209 47 0,33 0,186 53 0,28 0,155 0,189 4,73
15 0,75 40 0,4 0,221 45 0,35 0,196 50 0,3 0,164 0,2 5
16 0,8 37 0,43 0,232 42 0,38 0,207 48 0,32 0,172 0,211 5,263
17 0,85 35 0,46 0,244 40 0,4 0,217 46 0,34 0,181 0,221 5,519
18 0,9 33 0,48 0,255 37 0,43 0,227 44 0,36 0,189 0,231 5,769
19 0,95 31 0,51 0,266 35 0,46 0,236 42 0,38 0,197 0,241 6,013
20 1 29 0,54 0,276 33 0,48 0,245 40 0,4 0,205 0,25 6,25

 

график2

 

    • Вычисление эффективного сечения поглощения молеку
        • ГРМ1

           

        • ГРМ2
        • Соль Дихромат калия Медный купорос
          λ, нм 420 460 510 540 600
          α, м2 4,3*10-22 2,6*10-22 7,3*10-23 6,5*10-23 5,4*10-23
        • Измерение неизвестных концентраций
        • Номер измерения Дихромат калия Медный купорос
          C0 моль/м3 F C0x моль/м3 C0 моль/м3 F C0x моль/м3
          1 2,5 9,8 1,56 25 52,1 7,29
          2 1,57 7,33