Общие указания по выполнению практических работ по фотометрии

1. Внимательно изучите раздел пособия, касающийся выполняемой работы.

2. Строго следуйте методике приготовления растворов:

- объемы стандартных растворов определяемого вещества и объемы

анализируемых растворов следует отмеривать с максимальной точностью

с помощью пипеток или бюреток;

- конечные объемы растворов должны быть одинаковыми, для этого

используют мерные колбы одинаковой ёмкости;

- стандартные и анализируемые растворы желательно готовить в одно и то

же время или фотометрирование проводить через определенный временной

интервал после приготовления.

3. Кюветы для определения оптической плотности растворов должны быть тщательно очищены перед применением, для этого их моют концентри-рованной соляной кислотой, промывают дистиллированной водой и насухо вытирают снаружи фильтровальной бумагой. Изнутри высушивают кюветы только при работе с органическими растворителями, не смешивающимися с водой.

4. Перед заполнением кюветы фотометрируемым раствором ее ополаскивают небольшим количеством этого раствора во избежание его разбавления.

5. Кювету заполняют до метки на боковой ее поверхности.

6. Кюветы устанавливают в кюветное отделение фотоэлектроколориметра строго в определенное положение, держа ее только за боковые нерабочие грани.

7. По окончании работы необходимо выключить прибор, вымыть кюветы и использованную мерную посуду, привести в порядок рабочее место.

8. Записи в лабораторном журнале рекомендуется делать в следующем порядке:

- название выполняемой работы;

- формула фотометрируемого соединения;

- краткая методика приготовления фотометрируемых растворов;

- условия проведения измерения оптических плотностей стандартных и анализируемых растворов;

- результаты измерений в виде таблиц и графиков;

- обработка результатов измерений, расчет результатов анализа и оценка значений определяемых величин.

 

Порядок работы на фотоэлектроколориметре КФК-2.

Фотоэлектроколориметр КФК-2 предназначен для измерения коэффициентов пропускания (Т,%) и оптической плотности (А) жидких растворов в отдельных участках спектрального диапазона длин волн 315-980 нм, выделяемых светофильтрами.

Фотоэлектроколориметр КФК-2МП.

 

Принципиальная оптическая схема прибора.

 

 

 

1- осветитель 4,5- объектив 8- защитные стекла

2- конденсор 6- светофильтр 10- пластина-делитель

3- диафрагма 7- кювета 11- фотоприемники

Характеристика светофильтров

Маркировка на диске	Длина волны, нм	Ширина полосы пропускания,нм
	315±5	35±15
	364±5	25±10
	400±5	45±10
	440±10	40±10
	490±10	35±10
	540±10	25±10
	590±10	30±10
	670±5	20±5
	730±5	20±5

Порядок работы.

Подготовка к работе.

1) Колориметр включить в сеть (вилка и тумблер «сеть»). Открыть кюветное отделение. Прогрев прибора до начала измерений составляет 15 мин.

2) Ввести цветной светофильтр, рекомендуемый методикой, установив рабочую длину волны.

3) Установить минимальную чувствительность:

а) ручку «чувствительность» - в положение «1»;

б) ручку «установка 100 грубо» - в крайнее левое положение.

Внимание! После завершения работ до выключения ручку «чувствительность» установить в положение «1» (красн.), а «установка 100 грубо» - в крайнее левое положение. После этого выключить тумблер «сеть».

Измерение.

1) В кюветодержатель помещают кюветы с раствором сравнения (раст-воритель, «холостой раствор» или контрольный раствор, по отношению к которому ведутся измерения) и исследуемый раствор.

2) В световой поток поместить кювету с раствором сравнения. Закрыть кюветное отделение.

3) Ручками «чувствительность», «установка 100 грубо» и «установка 100 точно» выставить 100% пропускание по верхней шкале.

Внимание! При измерении со светофильтрами, отмеченными на лицевой панели черным цветом, ручку «чувствительность» установить в положение 1-3, отмеченных также черным цветом, аналогично поступают и в случае светофильтров, отмеченных красным цветом.

4) Поворотом ручки кюветного отделения в световой пучок поместить кювету с исследуемым раствором.

5) Отклонение стрелки от нулевой отметки показывает значение:

по верхней шкале – коэффициента пропускания Т, %;

по нижней шкале – оптической плотности А.

 

Работа 1. Исследование колориметрической реакции.

Условия проведения фотометрической реакции, приводящей к образованию соединения, поглощающего световую энергию в УФ или видимой области спектра, должны обеспечивать полноту образования светопоглощающего соединения и выполнение основного закона светопоглощения в широком диапазоне концентраций.

Оптимизация условий фотометрических измерений предполагает:

- выбор длины волны максимального светопоглощения. Для выбора длины волны λ_max, которая соответствует наибольшей чувствительности данной фотометрической реакции необходимо получить спектральную характеристику изучаемого раствора, называемую спектром поглощения.

- выбор толщины кюветы.

- нахождение области линейности градуировочного графика как области подчинения фотометрической системы основному закону светопоглощения.

Приборы и реактивы:

Фотоэлектроколориметр КФК-2

хромат калия, 5%-ный раствор;

рабочий раствор соли никеля(II), содержащий 0,01 мг/мл;

йод, 0,05 М раствор;

диметилглиоксим, 1%-ный раствор в 20%-ном растворе щелочи;

HCl, 1М раствор;

рабочий раствор соли меди, содержащий 1 мг/мл Cu²⁺; для приготовления рабочего раствора навеску 3,931 г CuSO₄ ∙ 5H₂O растворяют в 25 мл 2м раствора H₂SO₄, доводят объем раствора до 1,00 л дистиллированной водой;

аммиак, 10%-ный раствор.

Приготовление фотометрируемых растворов.

1) в мерные колбы, емкостью 50,0 мл помещают 1,0;2,0;3,0;4,0;5,0 мл 5%-ного раствора хромата калия и доводят объем до метки дистиллированной водой;

2) в мерные колбы, емкостью 50,0 мл помещают 2,0;4,0;6,0;8,0;10,0 мл стандартного раствора никеля, а также по 0,5мл раствора йода и по 0,5мл раствора диметилглиоксима и доводят дистиллированной водой до метки.

3) В мерные колбы емкостью 50,0мл помещают 1,0;2,0;3,0;4,0;5,0мл раствора меди, по 10,0мл раствора аммиака и доводят до метки дистиллированной водой.

Определение рабочей длины волны. Для выбора длины волны, соответствующей максимальному светопоглощению, измеряют на фотоэлектроколориметре оптические плотности третьих растворов со всеми светофильтрами, кроме первого в кювете с ℓ=1см. Результаты записывают по следующей форме:

Таблица 1. Выбор светофильтра для раствора хромата калия

(С_CrO4^2-=…мг/мл, ℓ=1см).

Длина волны, λ, нм
Оптическая плотность, А

 

Таблица 2. Выбор светофильтра для раствора диметидглиоксимата

никеля (С_Ni=…мг/мл, ℓ=1см).

Длина волны, λ, нм
Оптическая плотность, А

 

Таблица 3. Выбор светофильтра для раствора аммиакатамеди

(С_Cu=…мг/мл, ℓ=1см).

Длина волны, λ, нм
Оптическая плотность, А

По данным таблиц 1-3 строят графики зависимости А=f(λ) и определяют λ_опт., для которой наблюдается максимальное светопоглощение.

Определение интервала линейности градуировочного графика.

Измеряют оптические плотности стандартных растворов на выбранной длине волны.

Результаты измерений записывают по форме:

Таблица 4. Оптические плотности растворов хромата калия

(λ_опт.= … нм, ℓ=1см).

Концентрация хромата, СCrO4^2-, мг/мл
Оптическая плотность, А

Таблица 5. Оптические плотности растворов диметилглиоксимата никеля

(λ_опт.= … нм, ℓ=1см).

Концентрация никеля, СNi, мг/мл
Оптическая плотность, А

Таблица 6. Оптические плотности растворов аммиаката меди

(λ_опт.= … нм, ℓ=1см).

Концентрация никеля, СCu, мг/мл
Оптическая плотность, А

По данным таблиц 4-6 строят градуировочные графики в координатах А=f(C, мг/мл) и определяют концентрационные области линейности.

Рассчитывают чувствительность фотометрического определения как тангенс угла наклона градуировочного графика: H=ΔA/ΔС.

Рассчитывают значение коэффициента светопоглощения для фотометрированных растворов по формуле: k =А/С_ст.· ℓ Результаты расчета представляют по форме:

Таблица 7. Коэффициент светопоглощения растворовхромата калия

(λ_опт.= … нм, ℓ=1см).

Концентрация хромата, СCrO4^2-, мг/мл
Коэффициент светопоглощения, k

 

Таблица 8. Коэффициент светопоглощения растворов диметилглиоксимата

никеля (λ_опт.= … нм, ℓ=1см).

Концентрация хромата, ^- СNi, мг/мл
Коэффициент светопоглощения, k

 

Таблица 9. Коэффициент светопоглощения растворов аммиаката меди

(λ_опт.= … нм, ℓ=1см).

Концентрация хромата, ^- СCu, мг/мл
Коэффициент светопоглощения, k

Значения коэффициентов чувствительности и средние значения коэффициентов поглощения для стандартных растворов:

H_CrO4^2- =…, k_средн.= …;

H_Ni^- =…, k_средн.= …;

H_Cu=…, k_средн.= ….

 

 

Работа 2. Определение никеля с диметилглиоксимом в присутствии окислителей.

Метод основан на измерении интенсивности красно-коричневой окраски растворов, которые образуются при взаимодействии ионов никеля (II) с диметилглиоксимом (DH) в присутствии окислителя.

В качестве окислителей могут применяться йод, бром, персульфат аммония, пероксид водорода. В условиях проведения реакции происходит окисление никеля, вероятно, до состояния Ni³⁺. Образование комплекса наблюдается при молярном соотношении количеств Ni:DH = 1:3.

Максимальное поглощение наблюдается при λ=470 нм, при этом ε=1.3∙10⁴. Определению мешают вещества, имеющие собственную окраску и катионы, образующие осадки гидроксидов в щелочной среде (Fe,Al,Mg,Cu,Mn). Определение можно проводить в присутствии кобальта, ванадия, молибдена.

Приборы и реактивы:

стандартный раствор соли никеля(II), содержащий 0.1 мг/мл Ni(II);

раствор соли никеля, содержащий 0.01 мг/мл (готовят разбавлением стандартного раствора в день употребления);

йод, 0.05 М раствор;

диметилглиоксим, 1%-ный раствор в 20%-ном растворе щелочи;

HCl, 1М раствор;

фотоэлектроколориметр КФК-2.

Выполнение работы:

Для приготовления эталонных растворов берут 5 мерных колб емкостью 50.0 мл, вводят в каждую 20.0 мл воды, стандартный раствор соли никеля, с содержанием никеля в мг: 0.02; 0.04; 0.06; 0.08; 0.10 соответственно, добавляют 2-3 капли HCl и растворы: 0.5 мл йода, 0.5 мл диметилглиоксима, объем доводят водой до метки колбы. Через 10 минут растворы фотометрируют и строят градуировочный график в координатах А=f(С_Ni). В качестве раствора сравнения берут воду.

Результаты фотометрирования стандартных растворов записывают в таблицу:

Таблица 1. Данные для построения градуировочного графика

(λ_опт.=490 нм, ℓ=1см).

Концентрация никеля, СNi, мrг/ 50мл
Оптическая плотность, А

 

Для определения никеля испытуемый раствор помещают в мерную колбу емкостью 50.0 мл. Проводят те же операции с добавлением тех же количеств реагентов, как и при приготовлении стандартных растворов. Определение массы никеля в объеме колбы проводят интерполяцией по ранее построенному графику.

 

Работа 3. Определение железа (III) с сульфосалициловой кислотой в виде трисульфосалицилата методом добавок.

 

Железо (III) образует с сульфосалициловой кислотой ряд комплексных соединений в зависимости от кислотности раствора:

при рН 1.8-2.5 образуется комплексное соединение фиолетового цвета, имеющее состав 1:1. Максимум светопоглощения моносульфосалицилата железа наблюдается при λ=510 нм молярный коэффициент светопоглощения ε₅₁₀ =1.8∙10³;

при увеличении рН до 4-8 образуется комплексное соединение, имеющее состав 1:2;

при рН 9.0-11.5 образуется комплекс состава 1:3, растворы которого окрашены в желтый цвет. Трисульфосалицилат железа имеет λ_max=416 нм и ε₄₁₆=5.8∙10³;

при рН >12 происходит разложение комплексного соединения и выпадение в осадок гидроксида железа.

Железо (II) не дает с сульфосалициловой кислотой интенсивной окраски, но вследствие легкой окисляемости ионов железа (II) в железо (Ш) в щелочной среде, можно определять сумму железа (II) и железа (Ш). 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.

 

Приборы и реактивы:

стандартный раствор соли железа (III), содержащий 0.1 мг/мл Fe³⁺;

сульфосалициловая кислота, 10%-ный раствор;

серная кислота, 2н раствор;

аммиак,10%-ный раствор;

азотная кислота (1:1)

 

Расчетный вариант метода добавок.

Выполнение работы.

Берут два раствора в мерных колбах на 50.0 мл неизвестной концетрацией железа. К одному из них добавляют 50.0-100.0 мкг железа, в каждую колбу приливают 5.0 мл 10%-ного раствора сульфосалициловой кислоты, 5.0 мл 10%-ного раствора аммиака и доводят объем водой до метки колбы. Через 10 минут измеряют оптическую плотность каждого раствора относительно воды при λ=400 нм.

Искомую концентрацию железа(III) вычисляют по формуле:

С_x= ,

где С_х – искомая концентрация железа (Ш),

А_х- оптическая плотность исследуемого раствора;

А_х+д- оптическая плотность исследуемого раствора с добавкой,

С_д- концентрация добавки в исследуемом растворе, которую вычисляют по формуле:

С_д= .

Графический вариант метода добавок.

Берут 4 аликвоты исследуемого раствора в мерных колбах на 50.0 мл. В аликвоты 2,3 и 4 вводят известные, возрастающие добавки железа (Ш) в количестве 50.0; 100.0 и 150 мкг железа (Ш). Добавляют к каждому раствору по 5.0 мл 10%-ного раствора сульфосалициловой кислоты, затем по 5.0 мл 10%-ного раствора аммиака, доводят водой объем до метки колбы. Через 10 минут измеряют оптическую плотность всех растворов относительно воды и строят график в координатах А = f(С_д), для этого на оси ординат откладывают А_х – оптическую плотность исследуемого раствора без добавки, на оси абсцисс откладывают значения концентраций добавок, приняв за условный ноль концентрацию раствора без добавки. Из точек С_д1, С_д2, С_д3 восстанавливают перпендикуляры, на которых откладывают значения оптических плотностей растврв с добавками: А_х+д1, А_х+д2, А_х+д3. Через полученные точки точки проводят прямую. Экстаполяция прямой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок ОС_х, величина которого соответствует искомому содержанию железа.

 

Для уменьшения погрешности определения необходимо, чтобы первая добавка была близка к искомой концентрации, а вторая – в два раза больше первой, в этом случае обеспечивается угол наклона прямой, близкий к 45^о.

 

Работа 4. Определение меди в виде аммиаката методом дифференциальной фотометрии.

Метод основан на образовании комплексного соединения ионов меди(II) с аммиаком, обладающего интенсивной сине-фиолетовой окраской. Окраска аммиаката меди обусловлена d→d^* переходами вследствие расщепления основного электронного состояния ионов меди в поле лигандов.

Процесс взаимодействия ионов меди с аммиаком носит ступенчатый характер:

Cu²⁺ + NH₃ ↔ [Cu(NH₃)]²⁺;

Cu²⁺ + 2 NH₃ ↔ [Cu(NH₃)₂]²⁺;

Cu²⁺ + 3 NH₃ ↔ [Cu(NH₃)₃]²⁺;

Cu²⁺ + 4 NH₃ ↔ [Cu(NH₃)₄]²⁺.

Так как устойчивость образующихся комплексов различается мало (lg β₁=3.99; lg β₂=7.33; lg β₃=10.61; lg β₄=12.03), то в растворе будет находиться смесь нескольких аммиакатов меди, количественное соотношение которых зависит от концентрации аммиака, присутствующего в растворе, что иллюстрируется данными диаграммы:

Для аналитических целей необходимо выбрать такую концентрацию аммиака, при которой в растворе будет преобладать один из комплексов, наиболее эффективно это возможно при lg [NH₃] =1. Молярный коэффициент светопоглощения тетрааммиаката меди при λ=640 нм равен 1∙10². Низкое значение ε позволяет определять достаточно высокие концентрации ионов меди. Для повышения воспроизводимости определения используют метод дифференциальной фотометрии, когда раствор сравнения содержит представляет собой раствор, содержащий ионы меди в виде аммиаката, точно известной концентрации.

Определению меди в виде аммиачного комплекса мешают ионы металлов, образующие окрашенные комплексы аналогичного типа, например, кобальт и никель, или малорастворимые гидроксиды железа, свинца и алюминия. Для устранения мешающего действия этих элементов применяют маскирующие комплексообразователи.

Приборы и реактивы:

фотоэлектроколориметр КФК-2;

рабочий раствор соли меди, содержащий 1 мг/мл Cu²⁺; для приготовления рабочего раствора навеску 3.931 г CuSO₄ ∙ 5H₂O растворяют в 25 мл 2м раствора H₂SO₄, доводят объем раствора до 1.00 л дистиллированной водой;

аммиак, 10%-ный раствор.

Приготовление стандартных растворов.

Готовят шесть стандартных растворов, содержащих 2.5; 5.0; 7.5; 10.0; 12.5;

15.0 мг меди в 50.0 мл. Для этого в мерные колбы вместимостью 50.0 мл переносят рабочий раствор соли меди, добавляют в каждую колбу 10.0 мл 10% -ного раствора аммиака и доводят объем каждого раствора до 50.0 мл дистиллированной водой. Через 10 минут приступают к измерению оптической плотности.

Выполнение работы.

Выбор светофильтра. Раствор, имеющий окраску средней интенсивности, фотометрируют относительно воды со всеми светофильтрами поочередно, записывая результаты в таблицу:

λ, нм
А

По результатам измерений строят график: А=f(λ). Для дальнейшей работы выбирают светофильтр, соответствующий наибольшему значения светопоглощения исследуемого раствора.

Посторенние градировочного графика. С выбранным светофильтром поочередно фотометрируют стандартные растворы относительно раствора, содержащего 5.0 мг меди. Если содержание меди в фотометрируемом растворе меньше, чем в растворе сравнения, применяют обратный порядок измерений: фотометрируемый раствор условно принимают за раствор сравнения, устанавливают по нему оптический ноль и по отношению к нему измеряют светопоглощение исследуемого раствора. Найденное значение поглощения берут со знаком «минус». Сочетание прямого (С_о>С_х) и обратного (С_о<С_х) порядков измерений в дифференциальном методе называют двусторонним дифференцированием.

Определение содержания меди(II) в растворе. К анализируемому раствору, содержащему соль меди (II), приливают 10.0 мл 10%-ного раствора аммиака и доводят объем раствора до 50.0 мл дистиллированной водой. Приготовленный раствор через 10.0 мин фотометрируют с выбранным светофильтром относительно выбранного раствора сравнения, содержащего 5.0 мг меди, используя при необходимости приемы двустороннего дифференцирования. Пользуясь градуировочным графиком, находят содержание меди в анализируемом растворе.