Назначение. Технические данные. Колориметры фотоэлектрические типа КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56 предназначены для измерения пропускания или оптической плотности растворов в диапазоне 315--630 нм и определения концентрации веществ в растворе фотометрическими методами. Приборы позволяют также производить относительные измерения интенсивности рассеяния взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете. Приборы ФЭК-56М, ФЭК-56 могут комплектоваться дополнительным титровальным приспособлением ТПР, которое позволяет проводить фотометрическое титрование.

Все рассматриваемые приборы обеспечивают измерение пропускания от 100 до 5 % (А = 0-1.3). Участок шкалы пропускания от 5 до 0,1 % (А = 1.3-3) служит для ориентировочных измерений. Абсолютная погрешность прибора при измерении пропускания не превышает Т = 1%. Среднее квадратичное отклонение определения пропускания по результатам 10 измерений не превышает S Т = 0,3% * (0,003).

Таблица 1. Характеристики светофильтров приборов КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56

В качестве источника света в приборе КФК используют лампу накаливания КГМ 6.3-15 (6.3В, 15 Вт), с которой возможна работа в диапазоне длин волн 315--630 нм. В приборах ФЭК-56, ФЭК-56М применяют лампу накаливания РН-35 (8В, 35 Вт) и ртутно-кварцевую лампу ДРК 120 сверхвысокого давления мощностью 120 Вт, обеспечивающие возможность работы в диапазоне 315--630 нм. Все приборы снабжены набором узкополосных светофильтров, спектральные характеристики которых представлены в табл. 1.

Оптическая схема и общий вид фотоколориметров. Фотоколориметры КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56 имеют общую оптическую схему, представленную на рис. 10.

Рис. 10.

Световой поток от источника света 1, пройдя через светофильтр 2, попадает на призму 3, которая делит поток на два: левый и правый. Далее параллельные потоки идут через кюветы 4--4 или 4--4", диафрагмы 5,6 и попадают на фотоэлементы 7, включенные по дифференциальной схеме через усилитель постоянного тока на микроамперметр. В правый световой поток можно последовательно вводить кювету 4 с растворителем (или раствором сравнения) или кювету 4" с исследуемым раствором. Раздвижная диафрагма 5, расположенная в правом потоке света, при вращении связанного с ней барабана изменяет значение светового потока, падающего на правый фотоэлемент Правый барабан является измерительным, левый -- компенсационным.

Внешний вид фотоколориметра КФК представлен на рис. 11.

Рис. 11.

В отличие от этого прибора предшествующая модель -- ФЭК-56М снабжена одной рукояткой регулировки чувствительности 9, а более ранняя модель -- ФЭК-56 -- индикаторной лампой вместо микроамперметра 1. Однако в последнем случае для регистрации уравнивания интенсивности левого и правого световых потоков возможно применение выносного микроамперметр вместо индикаторной лампы

Порядок работы. Общие указания. Методика определения концентрации вещества как в окрашенных, так и в мутных растворах одна и та же. Поэтому дальнейшее описание техники измерений (Т или А) является общим как для фотоколориметрических, так и турбидиметрических определений.

Измерения на приборе можно проводить спустя 15--20 мин после включения блока питания и лампы накаливания, когда наступает стабильный режим ее работы Ртутную лампу включают за 10--15 мин до начала измерения при условии 15--20-минутчого прогрева блока питания и лампы накаливания.

Нельзя оставлять без надобности включенной ртутную лампу прибора, так как это сокращает срок ее службы и, кроме того, лампа разогревает светофильтры прибора, что нежелательно. При возникновении перерыва в работе на время больше 20 мин ртутная лампа должна выключаться.

Иногда при работе с некоторыми светофильтрами (приборы ФЭК-36М, ФЭК-56) поступающий на фотоэлементы световой поток оказывается чрезмерно высоким, что приводит к нестабильности работы прибора. Это проявляется в колебании стрелки микроамперметра. В таких случаях необходимо уменьшить чувствительность схемы фотоколориметра, повернув рукоятку чувствительности по часовой стрелке; либо, если нестабильность остается высокой, установить в поток лучей поглотители, прикладываемые к прибору. Поглотители устанавливают в световые окна в кюветном отделении.

Измерение пропускания или оптической плотности раствора. Измерения производят при закрытой крышке кюветного отделения. Прежде всего устанавливают «электрический нуль» прибора. Для этого с помощью ручки 3 (см. рис. 11) перекрывают световые потоки шторкой. Рукояткой 10 устанавливают стрелку микроамперметра на «С», поело чего открывают шторку, С помощью рукоятки 11 вводят в световой поток выбранный светофильтр. Все измерения производят при чувствительности электросхемы 1--3 деления микроамперметра при раскрытии измерительной диафрагмы рукояткой 6 на 1% пропускания. Указанную чувствительность прибора устанавливают вращением рукояток 4 и 9 -- на приборе КФК и рукоятки 9 -- на приборе ФЭК-56М.

В левом световом потоке на все время измерений устанавливают кювету с растворителем (или раствором сравнения, «холостым» раствором). Если растворитель не окрашен, рекомендуется в левый поток ставить кювету с дистиллированной водой для того, чтобы исключить возможность разогревания левого фотоэлемента теплом светового потока. В правый поток света помещают кювету с исследуемым раствором. Правый барабан 7 вращением рукоятки 6 устанавливают на отсчет 100 по шкале пропускания. Вращением левого барабана (рукоятки 8) добиваются установки стрелки микроамперметра на «0». Если левым барабаном установить «0» не удаемся, то в правый световой поток (в световое окно) следует установить ослабитель «1» или «2» из комплекта прибора. Затем поворотом рукоятки 5 в правом потоке кювету с раствором заменяют кюветой с растворителем (или раствором сравнения). При этом происходит смещение стрелки микроамперметра, установленной на «О». Вращением правого измерительного барабана добиваются первоначального нулевого положения стрелки и производят отсчет пропускания (оптической плотности) исследуемого раствора по шкале правого барабана 7.

В некоторых случаях, особенно при изучении кинетических зависимостей, используют и другую методику измерений. Сначала в оба потока света помещают кюветы с чистым растворителем (или «холостым» раствором), вращением рукоятки 6 правый барабан 7 устанавливают на отсчет 100 по шкале пропускания и вращением левого компенсационного барабана (рукоятка 8) устанавливают стрелку амперметра на «0». Затем в левый кювето-держатель помещают кювету с анализируемым раствором и вращением правого измерительного барабана стрелку микроамперметра вновь устанавливают на «0». Отсчет показаний оптической плотности берут по шкале правого барабана

Для исключения случайных промахов, которые могут возникнуть в процессе измерения, рекомендуется не ограничиваться одним измерением. При измерениях барабан измерительной диафрагмы следует подводить к индексу Т (А) с одной стороны для исключения влияния люфта в механизме.

При определении концентрации вещества в растворе рекомендуется соблюдать следующую последовательность в работе:

Выбор светофильтра -- если спектр поглощения анализируемого раствора не известен, то его приближенный вид определяют следующим образом. Заполняют кювету исследуемым раствором и измеряют его оптическую плотность, последовательно используя все светофильтры. По полученным данным строят кривую А = f (?); выбирают область спектра, где оптическая плотность, во-первых, имеет максимальное значение и, во-вторых, мало изменяется с изменением длины волны. Выбирают такой светофильтр, у которого области максимального пропускания соответствует отмеченному выше участку спектра поглощения исследуемого раствора. Если эти условия выполняются для нескольких светофильтров, то выбирают тот из них, для которого чувствительность фотоэлемента выше. Светофильтр можно выбирать также по наибольшему значению измеренной оптической плотности раствора.

Выбор кюветы -- определяется оптимальным диапазоном измеряемых оптических плотностей. Приборы ФЭК-56М, КФК комплектуются наборами кювет (табл. 2):

Таблица 2. Характеристика кювет

Помимо этого, по дополнительному требованию заказчиков прибор КФК может комплектоваться для микроанализа держателем и комплектом микрокювет (табл. 3):

Таблица 3. Характеристика микрокювет

Потенциал в точке эквивалентности (E т. э .) и соответствующий объем титранта, находят в точке перегиба кривой титрования (в середине скачка).

Лабораторная работа № 6

Потенциометрическое титрование. Определение хлороводородной кислоты с помощью комбинированного

стеклянного электрода

Определение основано на потенциометрическом титровании сильной кислоты по кислотно-основному методу.

Необходимые аппаратура, посуда и реактивы

1. рН-метр.

2. Стеклянный электрод, комбинированный с хлорсеребряным электродом сравнения.

3. Магнитная мешалка.

4. Бюретка на 25 мл.

5. Пипетка на 10 мл.

6. Мерная колба емкостью 50 мл.

7. Стакан для титрования.

8. Раствор NaOH, 0,1 M.

9. Буферные растворы с рН=4,02; рН=9,18.

10. Дистиллированная вода.

1. Подготовить pH-метр к работе.

2. Полученную в мерной колбе (V мк ) задачу доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают.

3. Заполняют бюретку 0,1 М раствором NaOH.

4. В стакан для титрования помещают якорь магнитной мешалки, вносят аликвоту анализируемой задачи (V ал ) и разбавляют небольшим количеством дистиллированной воды с учетом правил погружения комбинированного электрода.

5. Стакан с титруемым раствором устанавливают на мешалку и погружают в него стеклянный электрод.

6. Устанавливают бюретку в положение, удобное для титрования;

7. Включают мешалку.

8. Проводят ориентировочное титрование, добавляя титрант равномерными порциями по 0,5 мл, и измеряя pH после каждой порции титранта. Результаты заносят в таблицу 4.

Таблица 4

Результаты первого (ориентировочного) титрования

9. По максимальному значению ΔpH приблизительно определяют точку эквивалентности;

10. Выполняют точное титрование новой аликвотной порции задачи при тех же условиях, прибавляя вблизи точки эквивалентности по 0,1 мл титранта;

11. Результаты записывают в таблицу 5.

12. Объем 0,1 М NaOH в точке эквивалентности (VNaOH) находят из дифференциальной кривой титрования, построенной в координатах ∆ pH /∆ V – V (рис.3).

Таблица 5

Результаты второго (точного) титрования

14. Количество кислоты в задаче рассчитывают по формуле:

, Э(HCl ) = Mr (HCl ).

2.2.Фотометрический анализ

Фотометрический анализ включает спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуальную фотометрию, которую обычно называют колориметрией.

Каждое вещество поглощает определенные (характерные только для него) длины волн, т. е. длина волны поглощаемого из­лучения индивидуальна для каждого вещества, и на этом осно­ван качественный анализ по светопоглощению.

Основой количественного фотометрического анализа является закон Бугера - Ламберта -Бера:

(1)

где I 0 , I – интенсивности потоков света, направленного на по­глощающий раствор и прошедшего через него; с - концентрация вещества, моль/л; l - толщина светопоглощающего слоя, см; ε - молярный коэффициент светопоглощения.

Из уравнения (13.1) следует (I / I 0 ) = 10 – ε lc , откуда

lg(I/I0) = – ε lc, или –lg(I/I0) = А = εlc,

где А - оптическая плотность раствора.

Часто используют также величину, называемую пропуска­нием, Т:

Пропускание связано с оптической плотностью раствора со­отношением

– lgT = – lg (I / I 0 ) = A . (2)

Из уравнений (13.1) и (13.2) получается еще одно выражение для закона Бугера-Ламберта-Бера:

А = ε 1с. (3)

Графически зависимость оптической плотности от концент­рации окрашенного вещества, если выполняется закон Бугера- Ламберта-Бера, выражается прямой, проходящей через начало координат. Эта зависимость соблюдается при выполнении опре­деленных условий (работа с разбавленными растворами, моно­хроматичность падающего света и т. д.).

Возможности современных измерительных приборов тако­вы, что позволяют измерять величину А от 0,02 до 3,0. Однако для получения удовлетворительных по точности результатов зна­чения измеряемой оптической плотности должны находиться в пределах 0,05 < А < 1,0.

Для определения концентрации анализируемого вещества наиболее часто используют следующие методы: 1) метод моляр­ного коэффициента светопоглощения; 2) метод градуировочного графика; 3) метод добавок; 4) метод дифференциальной фотомет­рии; 5) метод фотометрического титрования.

Фотометрическим методом можно определять также компо­ненты смеси двух и более веществ. Эти определения основаны на свойстве аддитивности оптической плотности:

Асм=А1+А2+…+ An

Асм= l (ε1 с1+ ε2 с2+… ε n с n ).

где Асм - оптическая плотность смеси; A 1 , ε 1; с1 - соответствен­но оптическая плотность, молярный коэффициент светопоглоще­ния и концентрация первого компонента смеси; А2, ε 2, с2 - те же величины для второго компонента смеси и т. д.

Расчет концентрации веществ, находящихся в смеси, мо­жет быть выполнен либо графическим, либо аналитическим ме­тодом.

При выполнении настоящего практикума, необходимо:

cтрого следовать методике приготовления растворов (соблюдайте порядок сливания реагентов, поддерживайте нужную кислотность);

выполнять правила приготовления растворов, отбора аликвот, измерения объемов и пр.;

соблюдать чистоту кювет для измерения светопоглощения. Перед заполнением кювету ополаскивают небольшой порцией исследуемого раствора во избежание его разбавления остатками воды после промывания кюветы;

кювету заполнять до такого уровня, чтобы весь световой поток проходил через слой раствора. Кюветы устанавливать в строго определенное положение во избежание «кюветной» ошибки;

ознакомиться с описанием прибора и порядком измерений;

по окончании работы выключить прибор, вымыть посуду и кюветы и сдать их лаборанту. Привести в порядок рабочее место.

Порядок работы на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М

Прибор предназна­чен для измерения оптиче­ской плотности растворов пределах от 0 до 1,3; большие оптические плотности измеряются менее точно.

Принцип работы фотоэлектроколориметров состоит в сравне­нии интенсивности потоков света, прошедшего через раствори­тель (I0) и через исследуемый раствор (I). Внешний вид и оптическая схема ФЭК-56М представлена на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Внешний вид фотоэлектроколориметра ФЭК-56М: 1 – (лампа накаливания); 2 – шторка; 3 – кюветное отделение; 4 – барабан светофильтров; 5, 6 – левый и правый барабаны; 7 – микроамперметр; 8 , 9 – шкалы для считывания показаний.

Для измерения светопоглощения выбирают спектральную область, в которой чувствительность анализа наиболее высокая. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М снабжен кассетой с девятью светофильтрами (табл.6). При выборе светофильтра необходимо знать области поглощения света веществом (его спектр).

Таблица 6

Характеристики светофильтров

Как известно, ощущение цвета возникает в результате воздействия на зрительный нерв электромагнитного излучения с длинами волн 380-760 нм (т. н. видимая часть спектра). Суммарное действие электромагнитных излучений во всем указанном интервале вызывает ощущение белого цвета. При отсутствии в видимой части спектра определенного интервала длин волн возникнет ощущение цветности. Если вещество поглощает луч какого-либо цвета (назовем его спектральным), оно окрашивается в так называемый дополнительный цвет. Именно он возникает в зрительном аппарате, если из белого луча изымается спектральный цвет. Например, если вещество поглощает свет с длиной волны 590 нм (желтый), то оно окрашено в синий цвет (425 нм).

В соответствии с вышесказанным, цвет светофильтра должен являться дополнительным по отношению к окраске раствора (табл.7).

Таблица 7

Соотношение окраски растворов и характеристики светофильтров

Рис. 5. Оптическая схема ФЭК-56М. 1 – источник света; 2 – сменный светофильтр; 3 – призма; 4 – зеркала; 5 – кюветы с растворами; 6 – раздвижные диафрагмы с измерительными барабанами; 7 – фотоэлементы; 8 – усилитель; 9 – микроамперметр.

Порядок работы на приборе ФЭК-56М:

2. Световые пучки перекрыть шторкой.

3. Рукояткой «нуль» установить стрелку микроамперметра на «0».

4. С помощью рукоятки с цифрамилевая панель) устанавливают нужный светофильтр.

5. Правый и левый барабаны устанавливают на «0» по шкале светопропускания (черного цвета).

6. Открывают шторку. Положение стрелки микроамперметра не должно измениться. Закрывают шторку.

7. На пути левого светового пучка устанавливают кювету с растворителем на все время измерений. На пути правого пучка кювету с исследуемым раствором и рядом еще одну кювету с растворителем. Все кюветы должны быть одинаковыми.

8. Правый барабан устанавливают на 100 делений по шкале светопропускания (черная).

9. Открывают шторку и вращением левого барабана устанавливают стрелку микроамперметра на «0».

10. Поворотом рукоятки заменяют кювету с исследуемым раствором на кювету с растворителем на пути правого пучка света. Стрелка микроамперметра смещается. Вращением правого барабана вновь выводят стрелку на «0» (левый барабан остается в прежнем положении). По красной шкале правого барабана отсчитывают величину оптической плотности исследуемого раствора за вычетом оптической плотности растворителя при данном светофильтре. Измерения проводят три раза, данные записывают в журнал.

Описанный порядок измерений (растворитель → раствор → растворитель) позволяет исключить ошибку, связанную с нелинейностью характеристик фотоэлементов, т. к. потоки света, поступающие на фотоэлемент, остаются неизменными как в начале, так и в конце измерения.

Во время измерений барабаны следует подводить к нужному положению каждый раз с одной и той же стороны, чтобы исключить люфт в механизме.

По окончанию работы закрывают шторку, выключают электропитание, вынимают кюветы, промывают их дистиллированной водой, сушат и убирают в футляр.

Лабораторная работа № 7

Фотометрическое определение железа

в виде тиоцианатных комплексов

Метод основан на образовании интенсивно окрашенных комплексов железа (III) с тиоцианат-ионами. В зависимости от рН и концентрации реагента образуются комплексные соединения с разным количеством лигандов: от 2+ до 3–, причем их спектральные характеристики различны. Поэтому для получения воспроизводимых и точных результатов следует обеспечить постоянство концентрации (желательно большой) тиоцианат-ионов во всех растворах. При соблюдении этого условия растворы тиоцианатных комплексов железа подчиняются закону Бугера-Ламберта - Бера в широком диапазоне концентраций железа. Выбрав светофильтр и фотометрируя анализируемый раствор, можно точно определить концентрацию ионов железа по предварительно построенному калибровочному графику.

Знания, полученные по данной теме, необходимы для понимания принципа действия фотоэлектроколориметра, широко применяемого в клинической лаборатории оптического прибора для колориметрических методов биохимических исследований.

ЦЕЛЬ: Изучить способ измерения концентрации раствора методом концентрационной колориметрии.

Для реализации цели необходимо:

а) Изучить литературу по теме работы, раздел «Поглощение и рассеяние света».

б) Ответить на вопросы.

1. Как формулируется закон Бугера?

2. Как записывается дифференциальное уравнение закона Бугера, какой физический смысл имеют входящие в него величины?

3. В каком виде записывается интегральное уравнение закона Бугера, смысл входящих в него величин?

4. Что называется молярным коэффициентом поглощения, как он зависит от длины волны света?

5. что называется коэффициентом пропускания раствора, как он выражается аналитически и от чего зависит?

6. Что называется оптической плотностью раствора, как она выражается аналитически и от чего зависит?

7. В чем заключается метод относительной колориметрии?

8. Какие основные элементы входят в состав оптической схемы колориметрии?

9. Как определяется неизвестная концентрация по известной концентрации раствора одного и того же вещества с помощью колориметра?

10. В каких медико-биологических исследованиях применяют фотоколориметр?

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

При пропускании света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Уменьшение интенсивности является следствием взаимодействия световой волны с частицами (атомами и молекулами) вещества, в результате которого часть световой энергии передается веществу. Это явление получило название поглощения света.

Установим закон поглощения света веществом.

Пусть через однородное вещество проходит пучок параллельных монохроматических лучей длиной волны . Выделим элементарный слой вещества толщиной (рис. 1). При прохождении света через такой слой его интенсивность I уменьшается. Изменение интенсивности пропорционально интенсивности падающего света и толщине слоя

где  монохроматический натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств среды. Знак "-" означает, что интенсивность света уменьшается.

Найдем интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной , если интенсивность входящего в слой света . Для этого проинтегрируем выражение (1), предварительно разделив переменные

Это закон Бугера. Он показывает, что интенсивность света уменьшается в геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии.

Натуральный монохроматический показатель поглощения является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз.

Иногда закон Бугера записывается в виде

,

где  десятичный монохроматический показатель поглощения.

Свет различных длин волн поглощается веществом различно, поэтому показатели поглощения и зависят от длины волны.

Монохроматический натуральный показатель поглощения раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе пропорционален концентрации С раствора (закон Бера):

где и  натуральный и десятичный монохроматические показатели поглощения, отнесенные к концентрации вещества.

Закон Бера выполняется только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах он нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества. Подставляя выражения (3) в (2), получим закон Бугера Ламберта Бера:

Отношение называется коэффициентом пропускания. Оптическая плотность вещества равна

Из выражений (4) и (5) получаем

Закон Бугера Ламберта Бера лежит в основе концентрационной колориметрии: фотометрических методов определения концентрации вещества в поглощающих окрашенных растворах. В концентрационной колориметрии используются методы, связанные с той или иной формой фотометрии, то есть изменением интенсивности света.

На практике молярные коэффициенты разных веществ, как правило неизвестны, поэтому определение концентрации вещества в растворе производят относительным методом. В относительном методе используют двухлучевую схему измерений, которая реализована в фотоэлектроколориметре.

ЗАДАНИЕ, ВЫПОЛНЯЕМОЕ В ЛАБОРАТОРИИ.

Найти зависимость поглощения света в заданном растворе от длины волн, определить длину волны максимума поглощения. Построить калибровочный график, используя свет с длиной волны, равной для нескольких растворов, и по этому графику найти неизвестную концентрацию.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Для проведения исследований используется фотоэлектроколориметр КФК-2-YXL 4.2 (рис. 3) и набор растворов одного и того же вещества с разными концентрациями, концентрации растворов указаны на колбах.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Упражнение 1. Определение максимума поглощения вещества

1. Включите прибор в сеть.

2. Установите светофильтр №1, соответствующий длине волны 315 нм.

3. В одну кювету колориметра налейте растворитель, в другую раствор известной концентрации.

4. Рукояткой «1» (рис.3) настройте прибор таким образом, чтобы свет проходил через кювету с растворителем.

5. Рукоятками «чувствительность», «точно», «грубо» (рис. 6) установите прибор на «нуль» по шкале оптической плотности.

6. Переведите рукоятку «1» в положение, когда свет проходит через кювету с раствором.

7. По нижней шкале прибора снимите значение оптической плотности (рис. 5) и запишите в таблицу 1.

гальванометра к нулю.

8. Повторите п.п. 2-7 остальных светофильтров. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

9. п. 1-8 повторите 4 раза. Найдите среднее значение оптической плотности. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

10. Постройте графики зависимости оптической плотности раствора от длины волны света.

11. По графику выберите светофильтр, соответствующий наибольшей оптической плотности.

Таблица 1

Упражнение 2. Определение неизвестной концентрации раствора

1. Установить выбранный в п.11 упражнения 1 светофильтр.

2. Помещая в кювету растворы с различной концентрацией, измерьте их оптическую плотность.

3. Измерение проведите 4 раза для каждой концентрации. Найдите среднее значение оптической плотности для каждой концентрации раствора. Найдите ошибку эксперимента.

3. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

4. По данным таблицы постройте график зависимости оптической плотности от известной концентрации раствора (калибровочный график), откладывая на графике ошибку измерения.

5. Поместите в кювету раствор с неизвестной концентрацией и измерьте его оптическую плотность.

5. По калибровочному графику определите неизвестную концентрацию и ошибку эксперимента.

Таблица 2

Сделайте выводы по работе, оформите отчет и сдайте его преподавателю.

Включают фотоэлектроколориметр и «прогревают» его в течение ~ 30 мин. Устанавливают электрический нуль прибора, для чего рукояткой на верхней панели прибора световые лучи перекрывают шторкой (рукоятка в правом положении) и рукоятками «нуль» на левой панели устанавливают стрелку микроамперметра на «О». Правый луч? измерительный, а левый? компенсационный.

На пути левого светового луча устанавливают кювету, заполненную дисперсионной средой (водой). В правый кюветодержатель помещают две кюветы: одну с растворителем (Н2О), другую? с исследуемым раствором. Вращая рукоятку на правой панели прибора на пути правого светового луча устанавливают кювету с раствором. Индексы правого и левого барабанов устанавливают на «О» по шкале оптической плотности (нанесена красными цифрами). Затем шторку, перекрывающую световые лучи, переводят в положение «открыто». Вследствие поглощения или рассеяния света исследуемой системой стрелка микроамперметра будет отклоняться от нулевого положения. Вращая барабан левой раздвижной диафрагмы, стрелку микроамперметра возвращают на «О» (уравнивают интенсивности обоих световых потоков). Затем поворотом рукоятки на правой панели прибора по ходу правого луча устанавливают кювету с дисперсионной средой. При этом стрелка микроамперметра, установленная на «О», смещается, так как фотометрическое равновесие снова нарушается. Вращением правого барабана добиваются первоначального нулевого положения стрелки и отсчитывают по шкале правого барабана значение оптической плотности исследуемой системы.

Определение полной обменной емкости (ПОЕ) катионита

КУ-2 в Н+ форме в динамике

Для проведения работы необходимы:

Хроматографическая колонка, заполненная 5 г смолы КУ-2,

РН - метр марки рН-340,

Градуированные пробирки,

Мерный цилиндр емкостью 250 мл,

Стакан емкостью 50 мл,

Бюретка,

3 М раствор HCl,

1,5 M раствор NaCl,

0,2 M раствор KOH,

Фенолфталеин.

Еще по теме Порядок работы на приборе ФЭК-56М:

1. 22. И. Пригожин и И. Стенгерс о новом взгляде на время в работе «Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой»
2. 19. Мировоззренческие ориентиры современного естествознания (по работе И. Пригожина и И. Стенгерс «Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой»)
3. Глава 4. ПРИБОРЫ РАДИАЦИОННОЙ, ХИМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ И ДОЗИМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
4. 4.1. ПРИБОРЫ РАДИАЦИОННОЙ РАЗВЕДКИ И ДОЗИМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
5. 4.3. ПРИБОРЫ РАДИАЦИОННОЙ, ХИМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ И ДОЗИМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Фотометрический анализ включает спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуальную фотометрию, которую обычно называют колориметрией.

Каждое вещество поглощает определенные (характерные только для него) длины волн, т. е. длина волны поглощаемого из­лучения индивидуальна для каждого вещества, и на этом осно­ван качественный анализ по светопоглощению.

Основой количественного фотометрического анализа является закон Бугера - Ламберта -Бера:

где I 0 , I – интенсивности потоков света, направленного на по­глощающий раствор и прошедшего через него; с - концентрация вещества, моль/л; l - толщина светопоглощающего слоя, см; ε - молярный коэффициент светопоглощения.

Из уравнения (13.1) следует (I / I 0 ) = 10 – ε lc , откуда

lg(I/I 0 ) = – ε lc, или –lg(I/I 0 ) = А = εlc,

где А - оптическая плотность раствора.

Часто используют также величину, называемую пропуска­нием, Т:

.

Пропускание связано с оптической плотностью раствора со­отношением

–lgT = – lg (I / I 0 ) = A . (2)

Из уравнений (13.1) и (13.2) получается еще одно выражение для закона Бугера-Ламберта-Бера:

А = ε 1с. (3)

Графически зависимость оптической плотности от концент­рации окрашенного вещества, если выполняется закон Бугера- Ламберта-Бера, выражается прямой, проходящей через начало координат. Эта зависимость соблюдается при выполнении опре­деленных условий (работа с разбавленными растворами, моно­хроматичность падающего света и т. д.).

Возможности современных измерительных приборов тако­вы, что позволяют измерять величину А от 0,02 до 3,0. Однако для получения удовлетворительных по точности результатов зна­чения измеряемой оптической плотности должны находиться в пределах 0,05 А

Для определения концентрации анализируемого вещества наиболее часто используют следующие методы: 1) метод моляр­ного коэффициента светопоглощения; 2) метод градуировочного графика; 3) метод добавок; 4) метод дифференциальной фотомет­рии; 5) метод фотометрического титрования.

Фотометрическим методом можно определять также компо­ненты смеси двух и более веществ. Эти определения основаны на свойстве аддитивности оптической плотности:

А см =А 1 +А 2 +…+A n

где А см - оптическая плотность смеси; A 1 , ε 1; с 1 - соответствен­но оптическая плотность , молярный коэффициент светопоглоще­ния и концентрация первого компонента смеси; А 2 , ε 2 , с 2 - те же величины для второго компонента смеси и т. д.

Расчет концентрации веществ, находящихся в смеси, мо­жет быть выполнен либо графическим, либо аналитическим ме­тодом.
Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ.

При выполнении настоящего практикума , необходимо:

• 
  cтрого следовать методике приготовления растворов (соблюдайте порядок сливания реагентов, поддерживайте нужную кислотность);
• 
  выполнять правила приготовления растворов, отбора аликвот, измерения объемов и пр.;
• 
  соблюдать чистоту кювет для измерения светопоглощения. Перед заполнением кювету ополаскивают небольшой порцией исследуемого раствора во избежание его разбавления остатками воды после промывания кюветы;
• 
  кювету заполнять до такого уровня, чтобы весь световой поток проходил через слой раствора. Кюветы устанавливать в строго определенное положение во избежание «кюветной» ошибки;
• 
  ознакомиться с описанием прибора и порядком измерений ;
• 
  по окончании работы выключить прибор, вымыть посуду и кюветы и сдать их лаборанту. Привести в порядок рабочее место.

Порядок работы на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М
Прибор предназна­чен для измерения оптиче­ской плотности растворов пределах от 0 до 1,3; большие оптические плотности измеряются менее точно.

Принцип работы фотоэлектроколориметров состоит в сравне­нии интенсивности потоков света, прошедшего через раствори­тель (I 0) и через исследуемый раствор (I). Внешний вид и оптическая схема ФЭК-56М представлена на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Внешний вид фотоэлектроколориметра ФЭК-56М: 1 – источник света (лампа накаливания); 2 – шторка; 3 – кюветное отделение; 4 – барабан светофильтров; 5, 6 – левый и правый барабаны; 7 – микроамперметр; 8 , 9 – шкалы для считывания показаний .
Для измерения светопоглощения выбирают спектральную область, в которой чувствительность анализа наиболее высокая. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М снабжен кассетой с девятью светофильтрами (табл.6). При выборе светофильтра необходимо знать области поглощения света веществом (его спектр).

Таблица 6

Характеристики светофильтров

Как известно, ощущение цвета возникает в результате воздействия на зрительный нерв электромагнитного излучения с длинами волн 380-760 нм (т. н. видимая часть спектра). Суммарное действие электромагнитных излучений во всем указанном интервале вызывает ощущение белого цвета. При отсутствии в видимой части спектра определенного интервала длин волн возникнет ощущение цветности. Если вещество поглощает луч какого-либо цвета (назовем его спектральным), оно окрашивается в так называемый дополнительный цвет. Именно он возникает в зрительном аппарате , если из белого луча изымается спектральный цвет. Например, если вещество поглощает свет с длиной волны 590 нм (желтый), то оно окрашено в синий цвет (425 нм).

В соответствии с вышесказанным, цвет светофильтра должен являться дополнительным по отношению к окраске раствора (табл.7).

Таблица 7

Соотношение окраски растворов и характеристики светофильтров

Рис. 5. Оптическая схема ФЭК-56М. 1 – ; 2 – сменный светофильтр; 3 – призма; 4 – зеркала; 5 – кюветы с растворами; 6 – раздвижные диафрагмы с измерительными барабанами; 7 – фотоэлементы; 8 – усилитель; 9 – микроамперметр.

Порядок работы на приборе ФЭК-56М:

1. 
   Включить блок питания и лампу накаливания за 30 минут до начала измерений для предварительного прогрева.
2. 
   Световые пучки перекрыть шторкой.
3. 
   Рукояткой «нуль» установить стрелку микроамперметра на «0».
4. 
   С помощью рукоятки с цифрами 1- 8 (левая панель) устанавливают нужный светофильтр.
5. 
   Правый и левый барабаны устанавливают на «0» по шкале светопропускания (черного цвета).
6. 
   Открывают шторку. Положение стрелки микроамперметра не должно измениться. Закрывают шторку.
7. 
   На пути левого светового пучка устанавливают кювету с растворителем на все время измерений. На пути правого пучка кювету с исследуемым раствором и рядом еще одну кювету с растворителем. Все кюветы должны быть одинаковыми.
8. 
   Правый барабан устанавливают на 100 делений по шкале светопропускания (черная).
9. 
   Открывают шторку и вращением левого барабана устанавливают стрелку микроамперметра на «0».
10. 
    Поворотом рукоятки заменяют кювету с исследуемым раствором на кювету с растворителем на пути правого пучка света. Стрелка микроамперметра смещается. Вращением правого барабана вновь выводят стрелку на «0» (левый барабан остается в прежнем положении). По красной шкале правого барабана отсчитывают величину оптической плотности исследуемого раствора за вычетом оптической плотности растворителя при данном светофильтре. Измерения проводят три раза , данные записывают в журнал.

Во время измерений барабаны следует подводить к нужному положению каждый раз с одной и той же стороны , чтобы исключить люфт в механизме.

По окончанию работы закрывают шторку, выключают электропитание, вынимают кюветы, промывают их дистиллированной водой, сушат и убирают в футляр.

Лабораторная работа № 7

в виде тиоцианатных комплексов

Реактивы. Железоаммонийные квасцы NH 4 Fe(SO 4) 2 ∙12Н 2 О, стан­дартный раствор с содержанием железа 0,15 мг/мл (раствор 1). Тиоцианат калия (аммония) KSCN (NH 4 SCN), 10% -й раствор. Хлороводородная кислота НС1, 2М раствор.

Посуда. Колбы мерные (50 и 100 мл). Пипетка (20 мл). Бюретка (25 мл).
Порядок выполнения работы:

1.Выбор светофильтра

Необходимо выбрать такой светофильтр, чтобы поглощение света раствором тиоцианатных комплексов железа было максимальным.

Приготовление раствора тиоцианатных комплексов железа

20 мл стандартного раствора железо-аммонийных квасцов NH 4 Fe(SО 4) 2 с концентрацией железа 2 мг/мл, подкислен­ного соляной кислотой, вносят пипеткой на 20 мл в мерную кол­бу на 100 мл и при перемешивании доводят до метки дистиллиро­ванной водой. Этим раствором (назовем его №1), имеющим кон­центрацию железа 0,4 мг/мл, будем пользоваться для приготов­ления всех растворов железа (III) в данной работе.

10 мл раствора №1 вносят в мерную колбу на 50 мл, под­кисляют 5 мл 2М HCl, добавляют 5 мл 10% -ного раствора тиоцианата аммония NH 4 SCN и при перемешивании доводят до метки дистиллированной водой.

На фотоэлектроколориметре ФЭК-56М, пользуясь кюветами на 10 мм, измеряют оптическую плотность этого раствора при всех девяти светофильтрах. Полученные данные заносят в журнал в виде таблицы.

По этим данным строят кривую светопоглощения в координатах оптическая плотность – номер светофильтра (длина волны) и по графику выбирают такой светофильтр, при котором оптическая плотность максимальна.
2. Построение калибровочного (градуировочного) графика

оптическая плотность - концентрация железа
Приготовление растворов тиоцианата железа с различной концентрацией железа

В три мерные колбы на 50 мл вводят соответственно 5, 8, 10 мл раствора № 1 (концентрация железа (III) в котором 0,4 мг/мл). В каждую из колб добавляют для подкисления по 5 мл 2М HCl и по 5 мл 10%-ного раствора тиоцианата аммония (или калия), при перемешивании растворы доводят до метки дистиллированной водой.

Затем проводят измерения оптических плотностей растворов на ФЭК – 56М при выбранном светофильтре. Данные измерений зано­сят в журнал. На основании этих данных строят градуировочный график в осях оптическая плотность (ось ординат) - концентрация железа (ось абсцисс).

В данной работе измерения оптической плотности растворов на ФЭК-56М можно проводить как с пустой кю­ветой на пути второго луча (луча сравнения), так и с кюветой заполненной растворителем (с добавками). В первом случае градуировочный график не пойдет через начало координат, во вто­ром случае должен проходить через начало координат. Оба способа измерений для данной работы пригодны, но при этом следует применять его как для построения градуировочного графика, так и при измерении оптической плотности исследуемого раствора.

Анализируемый раствор (задача) в колбе вместимостью 100 мл (V 1 ) доводят до метки водой. 20 мл (V п ) этого раство­ра вводят в колбу на 50 мл (V 2 ), добавляют 5 мл 2М НС1, 5 мл 10% раствора тиоцианата калия (аммония) и до­водят до метки дистиллированной водой при перемешивании. Измеряют оптическую плотность этого рас­твора при выбранной длине волны. С помощью градуировочного графика определяют концентрацию железа. Рассчитывают массу железа в исследуемом растворе , учитывая все произведенные разбавления.

Лабораторная работа № 8

Фотометрическое определение железа

с сульфосалициловой кислотой

Железо(II) не образует окрашенных соединений с сульфосалициловой кислотой. Однако в аммиачной среде Fe(II) легко окисляется до Fe(III), поэтому в этих условиях можно определять суммарное содержание железа. Определение содержания железа выполняется фотометрическим методом по реакции образования желтого комплекса с сульфосалициловой кислотой в аммиачной среде. При изменении кислотности может получиться комплекс другого состава, имеющий фиолетовую или розо­вую окраску. В этом случае в колбу , где проходит колориметрическая реакция, следует добавить больше аммиака - столько, сколько нужно для появления желтой окраски.

Реактивы. Кислота сульфосалициловая C 7 H 6 O 6 S, 25%-й раствор. Квасцы железоаммонийные NH 4 Fe(SO 4) 2 ∙ 12H 2 O (к). Аммиак NH 3 , вод­ный 10% -й раствор. Кислота серная H 2 SO 4 (х.ч.) 0,05М раствор.

Посуда. Пипетка градуированная (10 мл) и простая (2 мл). Колбы мерные (50 и 100 мл). Цилиндры мерные (10 и 25 мл).

Аппаратура. Фотоэлектроколориметр ФЭК–56М.
Порядок выполнения работы:

1.Приготовление стандартных растворов сульфосалицилата железа.

В мерные колбы на 50 мл поместить 0, 2, 4, 6, 8 и 10 мл стандартного раствора железо-аммонийных квасцов , в каждую колбу добавить 3 мл раствора сульфосалициловой кислоты, 1 мл серной кислоты и довести до метки дистиллированной водой.

2. Снятие спектра поглощения сульфосалицилата желе­за, выбор светофильтра и расчет молярного коэффициента светопоглощения.

Самый концентрированный раствор наливают в кювету фотоэлектроколориметра (l = 1 см); в качестве раствора сравнения берут во­ду. Измеряют оптическую плотность полученного раствора для всех све­тофильтров или в диапазоне длин волн 400 – 600 нм. Строят кривую светопоглощения в координатах оптическая плотность – длина волны и выбирают для дальнейшей работы светофильтр, соответствующий максимуму поглощения света окрашенным со­единением (λ max ).

По данным измерений рассчитывают молярный коэффици­ент светопоглощения сульфосалицилатного комплекса железа при λ тах .

,

где А m ах - оптическая плотность окрашенного раствора при дли­не волны λ тах ; l – толщина светопоглощающего слоя (здесь l = 1 см); с компл - концентрация комплексного соединения желе­за (она равна концентрации железа в окрашенном растворе), моль/л.

3. Построение градуировочного графика. Для построения градуировочного графика измеряют оптическую плотность приготовленных стандартных растворов железоаммонийных квасцов, содержа­щих различные количества железа.

Измеряют оптическую плотность стан­дартных растворов (А ст ) в выбранных условиях (три параллельных измерения для каждого раствора) и строят градуировочный график в координа­тах оптическая плотность – концентрация железа . Данные представляют в виде таблицы.

3. Фотометрирование исследуемого раствора. Полученную задачу в колбе на 50 мл (V 1 ) довести до метки дистиллированной водой. Перемешать, отобрать аликвоту 10 мл (V п ) и поместить ее в колбу на 50 мл (V 2 ), добавить 3 мл сульфосалициловой кислоты, 1 мл серной кислоты и довести до метки дистиллированной водой. Измерить оптическую плотность А х (три параллельных определения) при выбранном светофильтре (l = 1 см). Концентрацию железа в исследуемом растворе (с х ) определить по градуировочному графику. Рассчитать содержание ионов железа в полученной задаче.

Контрольные вопросы:

1. Какая область значений оптической плотности при работе на ФЭК-56М является опти­мальной и почему?

3. Если значение оптической плотности анализируемого раствора вышло за пределы интервала оптимальных значений, как следует изменить условия , чтобы добиться оптимального значения оптической плотности?

4. Как выбрать «на глаз» подходящий светофильтр для измерения оптической плотности раствора, руководствуясь только его окраской? Какой светофильтр следует использовать при фотометрировании синих растворов?

5.В каких координатах строят кривую светопоглощения (спектр) вещества?

5. Какие экспериментальные данные нужны для построения градуировочного графика?

7. Сформулируйте закон Бугера–Ламберта–Бера? Дайте определение оптической плотности, коэффициента пропускания, молярного коэффициента светопоглощения.

9. В чем состоит принцип работы приборов для измерения оптиче­ской плотности?