фотоколориметрия. Абсорбционный фотометрический анализ
 Скачать 0.5 Mb.
|
|
АБСОРБЦИОННЫЙ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Оптические методы анализа основаны на использовании явлений испускания электромагнитного излучения атомами или молекулами исследуемого вещества или взаимодействия этого излучения с веществом. Так как природа излучения зависит от качественного и количественного состава вещества, то это позволяет проводить его анализ. По характеру взаимодействия излучения с исследуемым веществом (по поглощению излучения) и способу его измерения различают: абсорбционную спектроскопию; нефелометрию; турбидиметрию; люминесцентный анализ. В фотометрическом анализе используют поглощение электромагнитного излучения в УФ, видимой и ИК -областях спектра. Наибольшее распространение получили фотометрические методы анализа, основанные на поглощении в видимой области спектра, Т.е. в интервале длин волн 400 - 780 нм. Это объясняется возможностью получения множества интенсивно окрашенных органических и неорганических соединений, . при годных для их фотометрического определения в видимой области спектра с помощью достаточно несложных и относительно недорогих приборов. Химические реакции, используемые в фотометрическом анализе, несмотря на различия в их химизме, должны обязательно сопровождаться возникновением или ослаблением светопоглощения раствора. Как и каждая реакция, используемая в количественном анализе, цветная реакция должна протекать избирательно, быстро, полностью и воспроизводимо. Кроме того, окраска образующейся аналитической формы должна быть устойчивой во времени и к действию света, а поглощение раствора, несущее информацию о концентрации поглощающего вещества, должно подчиняться физическим законам, связывающим поглощение и концентрацию, конкретно закону Бугера - Ламберта - Бера. При прохождении потока излучения через частично поглощающую среду интенсивность прошедшего потока I согласно закону Бугера - Ламберта - Бера равна  где I0 - интенсивность падающего потока; ε - молярный коэффициент поглощения при данной длине волны; I - толщина поглощающего слоя; с - концентрация поглощающего вещества, моль/дмЗ. Или в логарифмической форме: lgI = lgI0 - εlc Lg(I/I0) = A = εlc Величину lg(I/I0), характеризующую поглощающую способность вещества в растворе, называют оптической плотностью. В аналитической практике, стремясь подчеркнуть сущность процесса, лежащего в основе фотометрического определения, а именно поглощение квантов электромагнитного излучения оптического диапазона аналитической формой, эту величину называют поглощением или светопоглощением и обозначают буквой А. Для раствора поглощающего вещества при постоянных концентрациях и толщине поглощающего слоя А зависит от длины волны. Серию аналитических определений выполняют при постоянной толщине поглощающего слоя. На основе закона Бугера - Ламберта - Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе. Работа 1. Определение содержания меди (11) в растворе методом градуировочногографика Цель работы: изучение явления поглощения света веществом, устройства и принципа действия двухлучевого фотоколориметра и определение с его помощью концентрации растворов. Задача: Определить массу меди в растворе сульфата меди методом градуировочного графика. Приборы и реактивы: Фотоэлектроколориметр ФЭК-56, мерная колба на 1000 мл, 7 мерных колб на 50 мл, пипетка, фильтровальная бумага; сульфат меди CUS 04-5 Н2О, концентрированная серная кислота, раствор аммиака, дистиллированная вода. Определение меди Си2+ В растворах представляет большой практический интерес: оно про водится на предприятиях текстильной промышленности, цветной металлургии, при анализе промышленных сточных вод и др. Соли меди СП) широко применяют в сельском хозяйстве как ядохимикаты. Кроме того, ион Си2+ входит В состав медных микроудобрений. Фотометрические определения меди выполняют аммиачным, ферроцианидным и другими методами. Аммиачный метод основан на образовании ионом Си2+ с аммиаком комплекса [Сu(NНЗ)4]2+, окрашенного в интенсивно-синий цвет. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56 работает по двухлучевой схеме, предназначен для определения концентрации вещества в окрашенных или коллоидных растворах путем сравнения их оптической плотности с оптической плотностью стандартных растворов в диапазоне длин волн 315-670 нм. Оптическая схема двухлучевого фотоэлекrpoколориметра ФЭК - 56 5' Q. 1- ИСТОЧlШК излучения; 2 - светофильтр; 3 - делитель светового потока; 4 и 4 '- конденсорные линзы; 5 и 5' - зеркала; 6 и 6 '- кюветы; 7 и 7 '- диафрагмы; 8 и 8 ' - линзы; 9 и 9' - фотоприемники световой энергии; 10- микроамперметр От источника излучения 1 свет проходит через светофильтр 2 и разделяется призмой 3 на два равных пучка, которые, пройдя конденсорные линзы 4 и 4' направляются зеркалами 5 и 5' на кюветы 6 и 6'. Затем световые пучки проходят щели диафрагм 7 и 7', линзы 8 и 8'и попадают на фотоприемники световой энергии 9 и 9', которые соединены с микроамперметром 1 О по компенсационной схеме. В качестве приемников световой энергии используются сурьмяноцезиевые фотоэлементы Ф-4. В правый световой пучок могут включаться последовательно одна или другая кюветы (с раствором или растворителем). Правый световой пучок является измерительным, левый - компенсационным. Внешний вид фотоэлектроколориметра ФЭК-56  5 8  5 6 1- микроамперметр, 2- переключатель шторки, 3- рукоятка чувствительности, 4- рукоятка переключения кювет, 5- барабаны, 6- рукоятка чувствительности, 7 - рукоятка «ноль» микроамперметра, 8- рукоятка светофильтра. Кюветодержатели. В левом кюветодержателе устанавливается кювета с растворителем. В правом кюветодержателе устанавливаются две кюветы - с растворителем и испытуемым раствором. Переключение кювет в правом световом пучке про водится поворотом рукоятки 4 до упора. Раствор в кюветы наливается до метки. Измерительные диафрагмы с отсчетными барабанами. Диафрагма состоит из двух металлических пластинок с прямоугольными вырезами. При вращении барабана обе пластинки двигаются в противоположные стороны, меняя величину светового потока. На барабане нанесены две шкалы. Одна шкала - черная - называется шкалой коэффициента светопропускания. Другая шкала - красная - соответствует оптической плотности А. Общие правила эксплуатации прибора 1. Измерения на приборе можно начинать спустя 10-15 минут после включения питающего устройства, так как это время необходимо для установления стабильного режима работы электросхемы прибора. 2. 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). Наличие загрязнений или капель раствора на рабочих поверхностях кюветы приводит к получению неверных результатов измерений. 3. Если в процессе работы светофильтр меняется на другой, то измерения следует производить не ранее, чем через 1 минуту после смены светофильтра. 4. После выполнения работы выключить прибор и вымыть кюветы проточной водой. Техника безопасности
3. Работать только с заземленным прибором. При поражении током обесточить цепь: вынуть вилку из розетки либо выключить рубильник. Порядок выполнения работы Перед определением концентраций меди в растворе необходимо построить градуировочный график, пользуясь растворителем и стандартным раствором соли меди. 1. Приготовление стандартного раствора соли меди. 3,927 г химически чистого сульфата меди CuS04'5H20 переносят в мерную колбу вместимостью 1000 МЛ, растворяют, приливают 5 мл концентрированной серной кислоты (пл. 1 ,84 г/cм3) и доводят водой до метки. В 1 мл этого раствора содержится 1 мг иона Си2+. 2. Построение градyuровочного графика. В шесть мерных колб вместимостью по 50 мл отмерьте пипеткой соответственно 25, 20,15,10,5 и 2,5 мл стандартного раствора соли меди. В каждую из колб прибавьте по 1 О мл разбавленного (1 :3) раствора аммиака и доведите объемы дистиллированной водой до метки. Измерение оптической плотности стандартных растворов.
Затем правый барабан больше не трогать!
Таблица. Оптическая плотность растворов Измерив оптическую плотность А всех растворов, постройте градуировочный график. При этом по горизонтали оси откладывайте известные концентрации ионов Си2+ (т.е. 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,06 мг меди в 1 мл), а по вертикальной - соответствующие им оптические плотности растворов. Градуировочный граqик А  о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 С, мг/мrr 3. Определение меди в исследуемом растворе. В колбу с исследуемым раствором (получить у лаборанта) прилейте разбавленный раствор (1:3) аммиака в объеме 10 мл и доведите объем в колбе водой до метки. Раствор тщательно перемешайте, наполните им кювету с рабочей шириной 1 см и измерьте его оптическую плотность при тех же условиях, при каких был получен градуировочный график. Зная величину оптической плотности, найдите по градуировочному графику концентрацию иона Cu2+ в миллиграммах на 1 мл раствора. Умножив ее на объем всего анализируемого раствора (50 мл), вычислите общую массу меди. Работа 2. Определение железа (111) в растворе методом добавок Цель работы: определить массу железа (III) в выданном растворе методом добавок на фотоэлектроколориметре. Приборы и реактивы: фотоэлектроколориметр, 2 мерные колбы объемом 100 мл, содержащие анализируемый раствор соли железа (III), раствор азотной кислоты, раствор серной кислоты, раствор сульфосалициловой кислоты. Железо (ПI) образует с сульфосалициловой кислотой ряд комплексных соединений в зависимости от кислотности раствора. 1. При рН 1,8-2,5 образуется комплексное соединение фиолетового цвета, имеющее состав 1: 1. Моносульфосалицилат железа имеет λ = 510 нм и молярный коэффициент поглощения ε510= 1,8* 103 ,
, При рН больше 12 происходит разложение комплексного соединения с выделением в осадок гидроксида железа (III) . Железо (III) не дает с сульфосалициловой кислотой интенсивной окраски, но вследствие легкой окисляем ости железа (II) в железо (III) в щелочной среде можно определять сумму железа (II) и железа (III). Комплексные соединения железа с сульфосалициловой кислотой более устойчивы, чем роданидные комплексы железа, что позволяет применять рассматриваемый метод для определения железа в присутствии фосфатов, ацетатов и боратов. В присутствии магния, алюминия, марганца и некоторых других элементов более применим способ определения железа в кислой среде. он Сульфосалициловая кислота. *2 Н20   М=254 г/моль В(FеL3 6)=3,98*1032, где B(FeL)=l,05*1015 Для определения концентрации железа (III) измеряют оптические плотности испытуемого раствора и испытуемого раствора с добавкой стандартного раствора. В качестве раствора сравнения используют растворитель. Расчет концентрации испытуемого раствора про водят по формуле. Измерение оптической плотности про водят на фотоэлектроколориметре. Фотоэлектрический колориметр работает по двулучевой (дифференциальной) схеме. Световой поток делится на два параллельных одинаковой интенсивности, каждый из них проходит через светофильтр, диафрагму, кювету с исследуемым раствором или растворителем (раствором сравнения) и попадает на фотоэлементы. Электрический ток фотоэлементов поступает на микроамперметр, где фиксируется разность электрических токов. Вращая барабан диафрагмы, уравнивают интенсивности световых потоков. В момент фотометрического равновесия микроамперметр устанавливается на нуле, и по шкале отсчетного барабана отсчитывают поглощение раствора. 1 - гальванометр; 2 - держатель кювет; 3 - гнездо держателя; 4 - рукоятка для закрывания шторок (не прозрачных); 5 - приборные гнезда для включения гальванометра; 6 - рукоятка чувствительности; 7 - барабан; 8 - отсчетный барабан; 9 - рукоятка для грубой настройки; 1 О - рукоятка для точной настройки; 11 - рукоятка для установки цветных светофильтров. Порядок выполнения работы
3. Проверить нулевую точку гальванометра (при закрытых шторках) и если стрелка гальванометра отклоняется от нулевого положения, установить ее с помощью нижнего винта на гальванометре. 4. В две большие кюветы (с толщиной слоя 50 мм) налить дистиллированную воду до метки и поставить их держатели (2) на пути прохождения световых пучков. Кюветы брать только за боковые ребра, не касаясь рабочих поверхностей. 5. Открыть шторки (4) и закрыть рабочую часть прибора крышкой. Положение на рукоятке (11) должно быть на «2» (зеленый фильтр) 6. Настройка прибора.  Для переключения прибора на большую или меньшую чувствительность служит рукоятка (6). А) Грубая настройка Установить рукоятку чувствительности (6) в положение «1» и, вращая рукоятку (9), привести стрелку гальванометра в нулевое положение. Б) Точная настройка Установить рукоятку чувствительности в положение «2» и, вращая рукоятку (1 О), привести стрелку гальванометра также в нулевое положение. 7. В мерную колбу объемом 100 мл, содержащую анализируемый раствор, добавить раствор азотной кислоты объемом 2 мл, раствор серной кислоты объемом 2 мл, раствор сульфосалициловой кислоты объемом 10,00 мл (последнюю отобрать пипеткой). Содержимое колбы довести до метки дистиллированной водой. В другую мерную колбу (Сx+a) объемом 100 мл, содержащую также анализируемый раствор, добавить те же реактивы и в тех же объемах, что и в первую, и стандартный раствор соли железа (Ш) определенного объема. Содержимое второй колбы довести до метки дистиллированной водой (получен анализируемый раствор с добавкой стандартного). 8. В третью кювету (с толщиной слоя 50 мл) налить до метки приготовленный по пункту 7 анализируемый раствор и установить правый держатель на пути прохождения световых потоков. 9. Вращая барабан (7), установить стрелку гальванометра на «О» и записать показания с отсчетного барабана (8) справа по красной шкале. 10. По окончании работы вынуть кюветы из держателей, а растворы вылить. Промыть кюветы сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой и досуха протереть мягкой марлей, после чего сдать лаборанту или преподавателю. Выключить прибор: рукоятку чувствительности поставить в положение «О». Выключить питающее устройство, выключить прибор из сети. Закрыть шторки. Обработка результатов Применяя основной закон светопоглощения, к сравниваемым растворам имеем: Ax = εCxlx ; Ax+a = εCx+alx+a где Ах - оптическая плотность анализируемого раствора; Ах+а - оптическая плотность анализируемого раствора с добавкой стандартного раствора ε- молярный коэффициент поглощения; СХ - концентрация исследуемого раствора; Сх+а - концентрация раствора с добавкой стандартного; lх,lх+а - толщина поглощающего слоя. Решая эти уравнения относительно неизвестной концентрации, получают расчетную формулу: СХ = Ах Са/ (Ах+а - Ах), Са - концентрация добавки. По этой формуле вычисляют концентрацию вещества, а потом массу вещества. Вывод В выданном растворе определено железо (III) с массой, равной .... Работа 3. Определение хрома (VI) в растворе методом сравнения Цель работы: определить концентрацию хрома в выданном растворе методом сравнения на фотоэлектроколориметре. Приборы и реактивы: фотоэлектроколориметр, стандартный и исследуемый растворы дихромата калия. Для колориметрирования используется светопоглощение ионами, образованными шестивалентным хромом. Измеряют оптические плотности стандартного раствора известной концентрации и исследуемого раствора. Максимальное поглощение света растворами дихромата наблюдается при 400-450 нм. Оптические плотности исследуемого и стандартного растворов измеряют по отношению к нулевому раствору (дистиллированной воде) на фотоколориметре или фотометре. Измерение проводят несколько раз и по средним значениям Ах и Аствычисляют Сх. Приготовление стандартного раствора дuхромата калия Растворяют 0,2818 г K2Cr207 в дистиллированной воде и объем раствора доводят водой до литра. Стандартный раствор содержит 0,1 мг Cr в 1 мл. Устройство прибора (см. работу 2) Порядок выполнения работы
шкале должны быть на «О». . 3. Проверить нулевую точку гальванометра (при закрытых шторках) и, если стрелка гальванометра отклоняется от нулевого положения, установить ее с помощью нижнего винта на гальванометре. 4. В две большие кюветы (емкостью 50 мл) налить дистиллированную воду до метки и поставить в держатели (2) на пути прохождения световых пучков. Кюветы брать только за боковые ребра, не касаясь рабочих поверхностей! 5. Открыть шторки (4) и закрыть рабочую часть прибора крышкой. Положение на рукоятке (11) должно быть на «3» (синий фильтр).
Для переключения гальванометра на большую или меньшую чувствительность служит рукоятка (6). А) Грубая настойка: Устанавливаем рукоятку чувствительности в положение « 1 » и, вращая рукоятку (9), приводим стрелку гальванометра в нулевое положение. Б) Точная настройка: Устанавливаем рукоятку чувствительности в положение «2» и, вращая рукоятку (1 О), приводим стрелку гальванометра также в нулевое положение. 7. Заполнить бюретку стандартным раствором и отобрать из нее 1О мл В мерную колбу на 50 мл. Довести объем до метки дистиллированной водой и тщательно перемешать. Рассчитать концентрацию стандартного раствора. 8. В третью кювету наливается до метки приготовленный по п.7 стандартный раствор и устанавливается в держатель на пути прохождения световых пучков (емкость кюветы также 50 мл). 9. Вращая правый барабан, устанавливают стрелку гальванометра на нуль и записывают показания с отсчетного барабана (8) справа по красной шкале. 10. Получить исследуемый раствор. Довести до метки дистиллированной водой, перемешать. 11. В четвертую кювету того же объема налить до метки исследуемый раствор, приготовленный по П.1 О. 12. Поставить кювету с исследуемым раствором на место кюветы со стандартным раствором. 13. Вращая правый барабан, устанавливаем стрелку гальванометра на нуль и записываем показания с отсчетного барабана (8) справа по красной шкале. 14. По окончании работы вынуть кюветы из держателей, а растворы вылить. Промыть кюветы сначала водопроводной водой, а затем дистиллированной и досуха протереть мягкой тряпкой, после чего сдать лаборанту или преподавателю. 15. Выключить прибор: рукоятку чувствительности (6) поставить в положение «О». Выключить питающее устройство. Выключить прибор из сети. Закрыть шторки. Обработка результатов Применяя основной закон светопоглощения к сравниваемым растворам, имеем:  Аст= ε сст lст, где Ах- оптическая плотность исследуемого раствора; Аст- оптическая плотность стандартного раствора; ε- молярный коэффициент поглощения; СХ- концентрация исследуемого раствора, мг/мл; Сст- концентрация стандартного раствора, мг/мл; Lx = l cт - толщина поглощаемого слоя. Решая эти уравнения относительно неизвестной концентрации, получают расчетную формулу: Сх= АхСст/ Аст(мг/мл] По этой формуле вычисляют концентрацию элемента в исследуемом растворе, учитывая разбавление стандартного раствора. Контрольные вопросы
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
