Определение оптической плотности и концентрации

ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПОМОЩИ КОНЦЕНТРАЦИОНОГО

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА КФК– 2

 

Цель работы: изучить явление ослабления света при прохождении через вещество и фотометрические характеристики вещества, изучить устройство концентрационного фотоэлектрического калориметра КФК-2 и методику работы с ним, определить оптическую плотность и концентрацию окрашенного раствора с помощью КФК-2.

Приборы и принадлежности: калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК – 2, исследуемый раствор, набор растворов стандартной концентрации.

 

Теория работы

 

При падении света на границу раздела двух сред свет частично отражается и частично проникает из первого вещества во второе. Световые электромагнитные волны приводят в колебательное движение как свободные электроны вещества, так и связанные электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (оптические электроны), которые излучают вторичные волны с частотой падающей электромагнитной волны. Вторичные волны образуют отраженную волну и волну, проникающую внутрь вещества.

В веществах с высокой плотностью свободных электронов (металлах) вторичные волны порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95 % интенсивности падающей волны. Та же часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем сильное поглощение, и энергия световой волны превращается в тепловую. Поэтому металлы сильно отражают падающий на них свет и практически непрозрачны.

В полупроводниках плотность свободных электронов меньше, чем в металлах, и они слабее поглощают видимый свет, а в инфракрасной области вообще прозрачны. Диэлектрики поглощают свет избирательно и прозрачны только для определенных участков спектра.

В общем случае при падении света на вещество падающий световой поток Ф ₀ можно представить в виде суммы световых потоков:

, (1)

где Ф_r – отраженный, Ф_a – поглощенный, Ф_t – прошедший через вещество световой поток.

Явление взаимодействия света с веществом описывается безразмерными величинами, которые называются коэффициентами отражения , поглощения и пропускания . Для одного и того же вещества

r + a + t = 1. (2)

 

Для непрозрачных тел t = 0; для идеально белых тел r = 1; для абсолютно черных тел a = 1.

Величина называется оптической плотностью вещества.

Коэффициенты r, a, t характеризуют фотометрические свойства вещества и определяются фотометрическими методами.

Фотометрические методы анализа широко применяются в ветеринарии, зоотехнии, почвоведении, технологии материалов. При исследовании веществ, растворенных в практически непоглощающем растворителе, фотометрические методы основаны на измерении поглощения света и на зависимости между поглощением и концентрацией растворов. Приборы, предназначенные для абсорбционного (абсорбция – поглощение) анализа прозрачных сред, называются спектрофотометрами и фотокалориметрами. В них при помощи фотоэлементов сравниваютcя окраски исследуемых растворов со стандартным.

Зависимость между поглощением света окрашенным раствором и концентрацией вещества подчиняется объединенному закону Бугера – Ламберта – Бера:

, (3)

где I ₀ – интенсивность потока света, падающего на раствор; I - интенсивность потока света, прошедшего через раствор; c - концентрация окрашенного вещества в растворе; l - толщина поглощающего слоя в растворе; k - коэффициент поглощения, который зависит от природы растворенного вещества, растворителя, температуры и длины световой волны.

Если с выражено в моль/л, а l - в сантиметрах, то k становится молярным коэффициентом поглощения и обозначается e_l, следовательно:

. (4)

Прологарифмировав (4), получим:

. (5)

Левая часть выражения (5) является оптической плотностью раствора. С учетом понятия оптической плотности закон Бугера – Ламберта – Бера примет вид:

т. е. оптическая плотность раствора при определенных условиях прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине поглощающего слоя.

На практике наблюдаются случаи отклонения от объединенного закона поглощения. Это происходит потому, что некоторые окрашенные соединения в растворе претерпевают изменения за счет процессов диссоциации, сольватации, гидролиза, полимеризации, взаимодействия с другими компонентами раствора.

Вид графика зависимости D = f(c) представлен на рис. 1.

Окрашенные соединения обладают избирательным поглощением света, т.е. оптическая плотность окрашенного раствора различна для различных длин волн па- дающего света. Измерение оптической плотности с целью определения концентрации раствора проводят в области максимального поглощения, т. е. при длине волны

падающего света близкой к l _max.

 

Рис. 1

 

Для фотометрического определения концентрации раствора сначала строят калибровочный график D = f(c). Для этого готовят серию стандартных растворов. Затем измеряют величины их оптической плотности и строят график зависимости

D = f(c). Для его построения необходимо иметь 5 – 8 точек.

Экспериментально определив оптическую плотность исследуемого раствора, находят ее значение на оси ординат калибровочного графика D = f(c), а затем на оси абсцисс отсчитывают соответствующее значение концентрации с _х.

Используемый в работе калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК–2 предназначен для измерения отношения потоков света на отдельных участках длин волн в диапазоне 315 - 980 нм, выделяемых светофильтрами, и позволяет определять коэффициенты пропускания и оптической плотности жидких растворов и твердых тел, а также концентрации веществ в растворах методом построения градуировочных графиков D = f(c).

Принцип измерения фотокалориметром КФК–2 оптических характеристик веществ состоит в том, что на фотоприемник (фотоэлемент) направляются поочередно световые потоки - полный I ₀ и прошедший через исследуемую среду I и определяется отношение этих потоков.

Внешний вид фотокалориметра КФК–2 представлен на рис. 2. Он включает в

 

Рис. 2

 

себя источник света, оптическую часть, набор светофильтров, фотоприемники и регистрирующий прибор, шкала которого откалибрована на показания светопропускания и оптической плотности. На лицевой панели фотокалориметра КФК – 2 имеются:

1 - микроамперметр со шкалой, оцифрованной в величинах коэффициента про-

пускания Т и оптической плотности D;

2 - осветитель;

3 - ручка переключения светофильтров;

4 - переключатель кювет в световом пучке;

5 - переключатель фотоприемников «Чувствительность»;

6 - ручки «Установка 100»: «Грубо» и «Точно»;

7 - кюветное отделение.

Порядок выполнения работы

 

1. Включить прибор в сеть. Прогреть в течение 10 – 15 мин.

2. При открытом кюветном отделении установить стрелку микроамперметра на «0»

по шкале «Т».

3. Установить минимальную чувствительность, для этого ручку «Чувствитель-

ность» переключить в положение «1», ручку «Установка 100» «Грубо» переключить в крайнее левое положение.

4. В световой пучок поместить кювету с растворителем или контрольным раство-

ром, по отношению к которому производится измерение.

5. Закрыть крышку кюветного отделения.

6. Ручками «Чувствительность» и «Установка 100» «Грубо» и «Точно» установить

отсчет 100 по шкале фотокалориметра. Ручка «Чувствительность» может находиться в одном из трех положений «1», «2», или «3».

7. Поворотом ручки «4» кювету с растворителем заменить кюветой с исследуемым

раствором.

8. Снять отсчет по шкале микроамперметра, соответствующий коэффициенту про-

пускания исследуемого раствора в процентах, по шкале «Т» или по шкале «Д» - в единицах оптической плотности.

9. Измерения провести 3–5 раз и окончательное значение измеряемой величины оп-

ределить как среднее арифметическое из полученных значений.

10. Определить абсолютную погрешность измерения искомой величины.

 

Задание № 1. Изучение зависимости оптической плотности от длины

Волны падающего света

 

1.1. Для стандартного раствора определить оптическую плотность при различных частотах падающего света.

1.2. Данные занести в таблицу 1.

1.3. Построить график зависимости оптической плотности от длины волны l па-

дающего света D = f(l).

1.4. Определить l и номерсветофильтра для D _max.

 

Таблица 1

 

Маркировка светофильтра на диске	Длина волны l, соответствующая max пропускания, нм	Оптическая плотность D

 

 

Задание № 2. Проверка зависимости оптической плотности от толщины

Поглощающего слоя

 

2.1. Для стандартного раствора, используя светофильтр с l _max (см. задание № 1), определить D для кювет различного размера.

2.2. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

 

Рабочая длина микрокюветы, мм	l
Оптическая плотность	D

 

2.3. Построить график зависимости D = f(l).

 

 

Задание № 3. Построение калибровочного графика и определение концент-

Рации неизвестного раствора

 

3.1. Для серии стандартных растворов известной концентрации, используя све-

тофильтр с l _max (см. задание № 1), определить D.

3.2. Данные измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

 

№ стандартного раствора	Концентрация с, %	Оптическая плотность D
Контрольный раствор

 

3.3. Построить калибровочный график D = f(с).

3.4. По графику D = f(с) определить концентрацию неизвестного раствора.

 

Контрольные вопросы

 

1. Явление ослабления света при прохождении через вещество, механизм поглоще-

ния для разных типов вещества.

2. Параметры, характеризующие фотометрические свойства вещества.

3. Объясните сущность фотометрических методов анализа.

4. Сформулируйте объединенный закон поглощения Бугера–Ламберта–Бера.

5. Каковы причины возможных отклонений свойств растворов от объединенного за-

кона поглощения?

6. Молярный коэффициент поглощения, его определение и факторы, от которых он

зависит.

7. Как осуществляется выбор длины волны поглощаемого излучения при фотокало-

риметрических измерениях?

1. Как строится калибровочный график?

2. Объясните устройство и принцип работы фотокалориметра КФК–2.

3. Где и для чего применяется абсорбционный анализ?

 

Литература

 

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 24, § 187.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XХ,

§ 145.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 50.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–03