Фотометрия

Принцип работы Фотоэлектроколориметра

Прибор предназначен для измерения оптической плотности (светопропускания) растворов. В основе работы прибора лежит принцип уравновешивания интенсивности двух световых потоков. Прибор снабжен 9 светофильтрами со следующими эффективными длинами волн:

Измерение оптической плотности с помощью ФЭК

1. Вилку электрошнура включают в электросеть. Проверяют заземление.

2. Устанавливают требуемый номер светофильтра.

3. Закрывают шторкой световые окошки.

4. Прибору дают войти в стабильный режим работы 20 – 30 минут. Половину этого времени при закрытой шторке и половину при открытой, на этом светофильтре, с которым будут проводиться измерения.

5. Оба измерительных барабана устанавливают на “ноль” по красной шкале оптической плотности.

6. В левый пучок вводят кювету с дистиллированной водой.

7. В правый пучок света ставят кювету с дистиллированной водой и кювету с исследуемым раствором.

8. Открывают шторку.

9. Левым барабаном устанавливают стрелку гальванометра на “ноль”.

10. В правый пучок света вводят кювету с водой.

11. Вращением правого барабана устанавливают стрелку гальванометра на “ноль”.

12. По красной шкале правого барабана отсчитывают оптическую плотность исследуемого раствора.

Принцип работы с кюветами

При установлении кювет нельзя касаться пальцами рабочей поверхности. Жидкость для анализа доливают до метки на кювете с боковой стороны. Нельзя наклонять кювету при установке ее в кюветодержатель.

Фотометрический метод основан на способности определяемого вещества поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона. Концентрацию поглощаемого вещества определяют, измеряя поглощения. Поглощение при определенной длине волны является, материальным воплощением информации о качестве и количестве определяемого вещества и составляет аналитический сигнал.

В фотометрическом анализе используют поглощение электромагнитного излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Наибольшее распространение получили фотометрические методы анализа, основанные на поглощении в видимой области спектра, т.е. в интервале длин волн 400 – 780 нм.

Химические реакции, используемые в фотометрическом анализе, несмотря на различие в их химизме, должны обязательно сопровождаться возникновением, изменением или ослаблением светопоглощения раствора. Как и каждая реакция, используемая в количественном анализе, цветная реакция должна протекать избирательно, быстро, полностью и воспроизводимо.

Окраска аналитической формы вещества должна быть устойчивой во времени и к действию света.

Поглощение раствора, несущее информацию о концентрации поглощаемого вещества, должно подчиняться физическим законам, связывающим поглощение и концентрацию, конкретно – закону Бугера – Ламберта – Бера. В неорганическом фотометрическом анализе наиболее часто используют реакцию комплексообразования ионов с неорганическими и органическими лигандами, реже реакции окисления, восстановления, синтеза и других типов. В органическом фотометрическом анализе чаще применяют реакции синтеза органических соединений, которыми могут быть азосоединения, пальметиновые и хинониминовые красители и др.

Общая схема выполнения фотометрического определения едина и включает следующие стадии:

1. Подготовка пробы и переведение определяемого вещества в раствор.

2. Получение окрашенной аналитической формы определяемого вещества в результате проведения цветной реакции.

3. Измерение светопоглощения раствора аналитической формы.

4. Проверка результатов анализа, оценка его воспроизводимости и выдача окончательного результата анализа, с метрологической оценкой.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ И СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ

Поглощение квантов электромагнитного излучения оптического диапазона молекулой или ионом обусловлено переходами электронов между электронными уровнями из основного в возбужденное состояние. Через 10^-9с, частица, поглотившая квант, переходит обратно в основное состояние. Энергия, выделяющаяся при этом переходе, рассеивается в окружающую среду в виде тепла.

Каждому электронному состоянию соответствует набор колебательных подуровней, поэтому в спектре поглощения наблюдается система полос поглощения, соответствующих электронным переходам между подуровнями основного и возбужденного состояния.

Для каждого поглощаемого вещества имеется определенное распределение интенсивности поглощения по длинам волн. При этом на кривой поглощения, называемой спектром, имеется один или несколько максимумов. Цветность как способность к поглощению определенных квантов электромагнитного излучения оптического диапазона определенных квантов определяется электронным строением молекулы. Обычно её связывают с наличием в молекуле хромофорных групп, к которым относятся группировки атомов, обуславливающие поглощение электромагнитного излучения веществом в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

ОСНОВНОЙ ЗАКОН ПОГЛОЩЕНИЯ

При прохождении потока излучения через частично поглощающую среду интенсивность прошедшего потока согласно закона Бугера-Ламберта-Бера равна: у = у₀ · 10^-ЕλIс

где у₀ – интенсивность падающего потока; Е – молярный коэффициент поглощения при данной длине волны; I – толщина поглощающего слоя; с – концентрация поглощающего вещества, моль/л.

В логарифмической форме: IgУ = IgУ₀ – ЕλIс

Ig(У₀/У) = А = ЕλIс

Величину Ig(У₀/У) называют оптической плотностью и обозначают буквой А.

В аналитической практике эту величину называют светопоглощением. Для раствора поглощающего вещества при постоянной концентрации и толщине поглощающего слоя А зависит от длины волны. Значение А может быть считано непосредственно со шкалы прибора.

На практике зависимость А = f (с) при постоянной толщине поглощающего слоя и условиях аналитического определения изображают в виде градуировочного графика. При этом молярный коэффициент поглощения равен тангенсу угла наклона градуированной прямой к оси абсцисс, если концентрация выражена в моль/л. Если концентрация выражена в массовых единицах, тогда угловой коэффициент составит коэффициент поглощения “к”. Чем больше наклон градуированного графика к оси концентрации, тем более чувствительным является данный фотометрический метод.

Закон Бугера-Ламберта-Бера строго справедлив лишь для разбавленных растворов. Если раствор не подчиняется этому закону, то это приводит к появлению систематических погрешностей при определении концентрации вещества в растворе по прямолинейному градуированному графику.

ПРИНЦИП РАБОТЫ КОЛОРИМЕТРА-НЕФЕЛОМЕТРА

В принципе измерение поглощения состоит в том, что на фотоэлементы направляются поочерёдно световые потоки полный и пропущенный через исследуемую среду и определяется отношение этих потоков.

Обозначив полный световой поток через Ф₀, а пропущенный через среду Ф, получим: _{τ =} Ф · 100

Ф₀

Где τ (%) – коэффициент пропускания, связанный с оптической плотностью раствора А отношением: А = -Ig τ

Измерения на приборе можно начинать спустя 30 минут после включения блока питания и лампы РН-35. РТУТНУЮ лампу ДРК включают за 10-15 минут до начала измерений при этом же условии 30-ти минутного предварительного прогрева электросхемы с лампой РН-8 35.

НЕЛЬЗЯ ОСТАВЛЯТЬ БЕЗ НЕОБХОДИМОСТИ ВКЛЮЧЕННУЮ РТУТНУЮ ЛАМПУ ПРИБОРА, ТАК КАК ЭТО СОКРАЩАЕТ СРОК ЕЕ СЛУЖБЫ! ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЕРЕРЫВА В РАБОТЕ БОЛЕЕ 20 МИНУТ ЛАМПА ДОЛЖНА ВЫКЛЮЧАТЬСЯ.

Если в процессе работы светофильтр, с которым производилось измерение, МЕНЯЕТСЯ НА ДРУГОЙ, то измерения рекомендуется производить НЕ РАНЕЕ, ЧЕМ ЧЕРЕЗ 5 МИНУТ после смены светофильтра.

Рабочие поверхности кювет должны перед каждым измерением ТЩАТЕЛЬНО ПРОТИРАТЬСЯ. При установке кювет в кюветодержатели нельзя касаться пальцами рабочих участков поверхностей (ниже уровня жидкости в кювете).

Жидкость в кюветы наливается до метки на боковой стенке кюветы. При установке в кюветодержатель кювету с жидкостью не наклонять.

Наполнить 2 кюветы растворителем (обычно водой), а одну – раствором с определенной концентрацией измеряемой аналитической формы в растворе. Рабочие поверхности кювет должны перед каждым измерением тщательно протираться. При установке в кюветодержатель рабочих участков поверхностей (ниже уровня жидкости в кюветах). Жидкость в кювете наливается до метки на боковой стенке кюветы.

В левом световом пучке на все время измерения устанавливается кювета с растворителем (дистиллированной водой). В правый пучок света помещается кювета с исследуемым раствором и кювета с растворителем.

Переключение кювет в правом пучке производится рукояткой № 4. Устанавливается “электрический ноль” прибора. Для этого с помощью рукоятки 3 световые пучки перекрывают шторкой. Рукояткой 15 устанавливают стрелку амперметра на “0”, после чего шторку открывают. Правый барабан устанавливается на отсчет 100 по шкале коэффициента пропускания (черная шкала). Вращением левого измерительного барабана добиваются установки стрелки колориметра на “0”. Затем поворотом рукоятки 4 в правом пучке кювета с раствором заменяется кюветой с растворителем при этом происходит смещение стрелки амперметра, необходимо установить ноль. Вращением правого измерительного барабана добиваются первоначального нулевого положения стрелки и отсчитывают по шкале правого барабана величину оптической плотности А (красная шкала). Для исключения случайных ошибок рекомендуется измерения повторить 2-3 раза.

В прибор вмонтированы 9 стеклянных светофильтров, которые поочерёдно могут включаться в световой пучок рукояткой 16. Цифры по шкале показывают, какие светофильтры включены. Для работы пригоден светофильтр, обеспечивающий максимальную величину поглощения А. Нужный светофильтр выбирается экспериментально. Полученное значение оптической плотности должно составлять 0,3 – 0,5.

Определение концентрации вещества в растворе при помощи градуированной кривой, которая строится следующим образом: приготавливается ряд растворов данного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможных измерений концентрации этого вещества в исследуемом растворе. Измеряют оптическую плотность всех растворов и строят градуировочную кривую, откладывая по горизонтальной оси известные концентрации, а по вертикальной – соответствующие им значения оптической плотности.

По градуировочной кривой определяют неизвестную концентрацию веществ в исследуемых растворах. Для этого раствор наливают в ту же кювету, для которой построена градуировочная кривая, и, включив тот же светофильтр определяют оптическую плотность раствора. Затем по градуировочной кривой находят концентрацию, соответствующую измеренному значению оптической плотности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕДИ В ВИДЕ АММИАКАТА ФОТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Метод основан на образовании комплексного соединения ионов меди с аммиаком, обладающим интенсивной сине-фиолетовой окраской. Процесс взаимодействия ионов меди с аммиаком носит ступенчатый характер:

Сu²⁺ +NH₃ ↔ [СuNH₃]²⁺

Cu²⁺ + 2NH₃ ↔ [Сu(NH₃)₂]²⁺; Cu²⁺ + 3NH₃ ↔ [Сu(NH₃)₃]²⁺;

Cu²⁺ + 4NH₃ ↔ [Сu(NH₃)₄]²⁺.

Так как устойчивость образующихся комплексов различается мало, то в растворе будет находиться смесь нескольких аммиакатов меди, количественное соотношение которых зависит от концентрации аммиака, присутствующего в растворе.

Окраска аммиаката меди обусловлена d → d* переходами вследствие расщепления основного электронного состояния ионов меди в поле лигандов.

МОЛЯРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ тетрааммиаката меди при λ = 640 нм равен 1х10². Низкое значение Е_λ позволяет определить достаточно высокие концентрации ионов меди.

ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ

1. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М

2. Рабочий раствор соли меди, содержащий 1 мг меди в 1 мл. Для приготовления этого раствора навеску 3,931 г сульфата меди СuSO₄ּ 5 Н₂О растворяют в 25 мл 2М растворе серной кислоты, доводят объем раствора до 1 л дистиллированной водой (раствор готовит лаборант).

3. 5%-ный раствор аммиака (раствор готовит лаборант).

ПРИГОТОВЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ РАСТВОРОВ

Готовят 6 стандартных растворов, содержащих 5,0; 7,5; 10,0; 12,5; 15,0; 17,5 мг меди в 50 мл. Для этого в мерные колбы на 50 мл переносят соответственно 5,0; 7,5; 10,0; 12,5; 15,0; 17,5 исходного раствора, добавляют в каждую колбу 10 мл 5%-го раствора аммиака мерным цилиндром и доводят объем до 50 мл (до метки) дистиллированной водой. Через 10 минут приступают к измерениям.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Работу проводят со светофильтром №8. Используют кюветы размером 20 мм. С данным светофильтром поочерёдно фотометрируют стандартные растворы. Каждое измерение обязательно повторяют 3 раза. По средним значениям в координатах поглощения строят градуировочный график. Затем получают раствор сульфата меди (II), прибавляют 10 мл 5%-го раствора аммиака и доводят объем до 50 мл дист. водой. Приготовленный раствор через 10 мин фотометрируют. Измерения повторяют 5 раз. Пользуясь графиком находят содержание меди в анализируемом растворе.

ЗАВИСИМОСТЬ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ РАСТВОРОВ ОТ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ МЕДИ

ФОРМА ОТЧЕТА

1. Указать цель работы.

2. Изложить теоретические основы фотометрического метода количественного анализа вещества.

3. Привести аналитическое выражение закона Бугера-Ламберта-Бера и охарактеризовать все величины, входящие в выражение этого закона.

4. Объяснить принцип работы фотоэлектроколориметра.

5. Записать уравнения реакций, протекающих в аммиачном растворе сульфата меди. Какими электронными переходами обусловлена окраска аммиакатов? От чего зависит интенсивность окраски аммиакатов?

6. Заполнить таблицу

7. По данным таблицы построить градуировочный график.

8. Измерив оптическую плотность исследуемого раствора, определить по калибровочной кривой его концентрацию (задача).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА С СУЛЬФОСАЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТОЙ

Метод основан на образовании окрашенного комплекса ионов железа с сульфосалициловой кислотой. В зависимости от рН раствора возможно образование трёх комплексов различного состава, имеющих различную устойчивость и окраску: моно-фиолетовый, ди-красный, три-жёлтый. Комплексообразование протекает за счет о-гидрокси, о-карбокси функционально-аналитической группы, сульфо-группа является аналитико-активной группой. Соответствующие реакции комплексообразования можно представить следующими схемами:

Устойчивость этих комплексов достаточна для их использования в анализе lg β₁ = 14,4; lg β₂ = 25,2; lg β₃ = 32,3. Однако выход комплексов зависит от рН раствора. Железо (III) как d-элемент с не полностью заполненным d-уровнем обладает хромофорным действием, поэтому для его определения можно использовать неокрашенные реагенты; к числу которых относится сульфосалициловая кислота. Окраска сульфосалицилата железа обусловлена переходом электронов с орбиталей локализованных на лиганде, на орбитали локализованные на атоме металла. Максимум поглощения моносульфосалицилата железа (III) находится при 510 нм, а молярный коэффициент поглощения равен 1,8 · 10³.

ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ

1. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М.

2. Рабочий раствор соли железа · 12Н₂О, с концентрацией железа (III) 0,1 мг/мл. Навеску 0,4838 г соли х.ч. растворяют в 25 мл 2М серной кислоты и доводят объём раствора до 1л дистиллированной водой. (Раствор готовит лаборант).

3. Сульфосалициловая кислота х.ч. 0,01М раствор (Раствор готовит лаборант).

4. Ацетатный буферный раствор рН=4,01 (Раствор готовит лаборант).

ПРИГОТОВЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ РАСТВОРОВ

Готовят 6 стандартных растворов, содержащих 1мл; 2мл; 4мл; 8мл; 10мл; 12мл железа в 50мл. Для этого в мерные колбы на 50мл наливают химической пипеткой растворы солей заданной концентрации, добавляют по 30мл мерным цилиндром 0,01М раствора сульфосалициловой кислоты и по 5мл химической пипеткой ацетатного буфера. Объём каждого раствора доводят до 50мл дистиллированной водой и через 10мин приступают к измерениям.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Определение проводить со светофильтром №5. Размер кювет 30 мм. С данным светофильтром поочерёдно фотометрируют относительно растворителя (воды). Каждое измерение повторяют 3 раза. По средним значениям строят градуировочный график. Затем получают раствор соли железа (III), прибавляют 30мл сульфосалициловой кислоты и 5мл ацетатного буфера. Приготовленный раствор фотометрируют через 10 минут. Измерения повторяют по 5 раз. Пользуясь градуировочным графиком, находят содержание железа в анализируемом растворе.

ЗАВИСИМОСТЬ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ РАСТВОРОВ ОТ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (III)

ФОРМА ОТЧЕТА

1. Указать цель работы.

2. Изложить теоретические основы фотометрического метода количественного анализа вещества.

3. Привести аналитическое выражение закона Бугера-Ламберта-Бера и охарактеризовать все величины, входящие в выражение этого закона.

4. Объяснить принцип работы фотоэлектроколориметра.

5. Записать уравнения реакций, протекающих в аммиачном растворе сульфата меди. Какими электронными переходами обусловлена окраска аммиакатов? От чего зависит интенсивность окраски аммиакатов?

6. Заполнить таблицу

7. По данным таблицы построить градуировочный график.

8. Измерив оптическую плотность исследуемого раствора, определить по калибровочной кривой его концентрацию (задача).