|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Методическое пособие для выполнения лабораторной работы по аналитической химии спектрофотометрическим методом
для студентов специальностей 5В072100 «Химическая технология органических веществ», 5В070100 «Биотехнология»
Караганда 2014 Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский государственный технический университет Кафедра промышленной экологии и химии М.К. Малыбаева, Ж.Х. Хожина, А.К. Карилхан, А.А. Жорабек
Методическое пособие для выполнения лабораторной работы по аналитической химии спектрофотометрическим методом для студентов специальностей 5В072100 «Химическая технология органических веществ», 5В070100 «Биотехнология»
Караганда 2014
Малыбаева М.К., Хожина Ж.Х., Карилхан А.К., Жорабек А.А. Методическое пособие к лабораторным занятиям разработано в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Аналитическая химия». – Караганда: КарГТУ, 2014. – 30 с.
Руководство к лабораторным занятиям разработано в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Аналитическая химия». Приведено описание восьми лабораторных работ и включают все необходимое сведения по выполнению лабораторной работы, сопровождающееся кратким теоретическим введением из одноименного курса, разделом техники безопасности и списком рекомендованной литературы. Руководство к лабораторным занятиям предназначено для студентов специальностей 5В072100 «Химическая технология органических веществ», 5В070100 «Биотехнология».
Рецензенты: М.Ж.Букреев, доктор хим.наук.КарГУ М.К. Ибраев, доктор хим.наук. КарГТУ
Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета
©Карагандинский государственный технический университет, 2014 Содержание
ТЕОРЕТИЧЕСКая часть
1. Оптические методы анализа
1.1 Фотометрические методы анализа и теоретические основы 1.2 Спектрофотометр LEKI SS2107 1.1 Фотометрические методы анализа и теоретические основы Методы анализа, основанные на измерении поглощения излучения молекулярной средой в видимой и УФ-областях, называют фотометрическими. В зависимости от длины волны, ширины полосы излучения и способа измерения интенсивности светового потока различают следующие фотометрические методы: 1) колориметрия – основана на визуальном сравнении интенсивности окраски анализируемого раствора с интенсивностью окраски раствора того же вещества известной концентрации (стандартный раствор). 2) фотоэлектроколориметрия – основана на измерении интенсивности света в видимой части спектра; для монохроматизации света применяются светофильтры; 3) спектрофотометрия – основана на применении монохроматического света как в видимой, так и ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра; для монохроматизации света применяются дифракционные решётки и призмы. Единой теоретической базой всех разновидностей фотометрии является закон Бугера – Ламберта – Бера:
Коэффициент поглощения k в данном выражении равен оптической плотности при единичной концентрации и толщине слоя и в зависимости от способа выражения последних, может иметь разные единицы измерения. В количественном анализе обычно выражают концентрацию в молях на литр, а толщину слоя – в сантиметрах, тогда k называют молярным коэффициентом поглощения иобозначают буквой e. Физический смысл e: это оптическая плотность 1 моль/дм3 раствора, измеренная в кювете с l = 1 см. Молярный коэффициент поглощения – важнейшая молекулярная характеристика, не зависящая от концентрации итолщины поглощающего слоя. Она может служить объективным критерием чувствительности фотометрического определения. Светопоглощение подчиняется также закону аддитивности: оптическая плотность смеси веществ равна сумме оптических плотностей каждого из них (при условии подчинения закону Бугера – Ламберта – Бера). Для одной и той же длины волны и толщины слоя для смеси веществ
Отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера. Поведение поглощающих свет систем подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера при определенных условиях. При нарушении этих условий молярный коэффициент поглощения изменяется. Если он уменьшается, наблюдаются отрицательные отклонения от закона, если возрастает – положительные отклонения. Причины отклонений от основного закона светопоглощения могут быть кажущимися и истинными . Кажущиеся причины, обусловленные немонохроматичностью светового потока, рассеянием света и случайными излучениями, называют инструментальными , а вызванные химическими взаимодействиями – химическими . Истинные причины связаны с изменениями в окружении поглощающих частиц при повышении концентрации и с допущениями, сделанными при выводе основного закона светопоглощения. Представление спектров поглощения. Спектр поглощения вещества – графическое изображение распределения поглощаемой энергии по длинам волн. Способы представления спектров различаются величинами, откладываемыми по осям абсцисс и ординат. По оси ординат откладывают оптическую плотность, логарифм оптической плотности, пропускание (в долях пропускания или в процентах). По оси абсцисс откладывают длину волны, частоту, волновое число. Выбор той или иной величины определяется стоящими перед исследователем задачами, областью спектра, величиной поглощения и т. п. Для целей качественного анализа удобно представить спектр в координатах длина волны – молярный коэффициент поглощения. В случае подчинения закону Бугера – Ламберта – Бера независимо от концентрации спектр сохраняет свой вид. При отклонениях от закона наблюдается смещение максимума поглощения или другие изменения. Измерение поглощения. Прибор для измерения светопоглощения состоит из ряда узлов, соединенных в определенной последовательности. Прибор должен выполнять две основные задачи: 1) разложить полихроматический свет по длинам волн и выделить нужный интервал длин волн; 2) оценить поглощение света веществом при выбранной длине волны. Каждый прибор включает: источник излучения, устройство для выделения нужного интервала длин волн (монохроматор или светофильтр), кюветное отделение, детектор, преобразователь сигнала, индикатор сигнала (шкалу или цифровой счетчик). Порядок расположения узлов может быть разным (например, монохроматор может стоять до кюветы или после нее). Типичные источники излучения в спектрофотометрии – лампа накаливания с вольфрамовой нитью, дейтериевая (водородная) лампа или галогенокварцевая лампа. Эти источники излучают в широкой области спектра, поэтому излучение нужно монохроматизировать. Приборы, в которых для монохроматизации используют монохроматоры, называют спектрофотометрами (отсюда – спектрофотометрический метод анализа), а те, в которых необходимый интервал длин волн выделяют светофильтром, называют фотоэлектроколориметрами (ФЭК). В абсорбционной спектроскопии измеряется не абсолютное значение оптической плотности, а разность оптических, плотностей исследуемого раствора и раствора, оптическая плотность которого принята за нуль (раствор сравнения). Кювета, в которую помещают исследуемый раствор, называется рабочей, а кювета для раствора сравнения – кюветой сравнения. Обе кюветы должны быть по возможности идентичны. Основное требование к кюветам – прозрачность в области спектра, в которой ведется измерение оптической плотности. Для работы в видимой области кюветы изготовляют из стекла. В ультрафиолетовой области стекло непригодно: кюветы делают из кварца. По форме кюветы бывают прямоугольными и цилиндрическими. Для некоторых работ требуются кюветы специальной конструкции. Для исследования кинетики реакций применяют термостатированные кюветы (с " рубашкой" из стекла, через которую циркулирует вода с определенной температурой). В автоматических установках используют проточные кюветы. Для приема сигнала в видимой и УФ-областях обычно применяют фотоэлементы и фотоумножители. Наиболее употребительны сурьмяно – цезиевые (в диапазоне 180 – 650 нм) и кислородно – цезиевые (в диапазоне 600 – 1100 нм) фотоэлементы. В зависимости от способа измерения различают одно- и двухлучевые приборы, от способа монохроматизации – фотоэлектроколориметры и спектрофотометры, от способа регистрации – визуальные, регистрирующие и нерегистрирующие приборы. Фотоэлектроколориметры имеют простую конструкцию и пригодны для измерений в видимой и ближней (до 300 нм) УФ-областях. Оптические детали этих приборов изготовлены из стекла или просветленного стекла. Фотоэлектроколориметры используют чаще всего для проведения серийных определений концентраций веществ. Спектрофотометр – оптический прибор, который разлагает световой поток на непрерывный спектр и позволяет измерять его на любой длине волны в пределах оптического диапазона. В качестве диспергирующего устройства, разлагающего свет на монохроматический, используется диспергирующая призма или дифракционная решетка. Последовательность и месторасположение отдельных оптических элементов и систем на пути следования светового потока от источника света до детектора излучения в том или ином спектрофотометре характерны для данного прибора. Существенным для спектрофотометра является возможность непрерывной регистрации спектра, разрешающая способность. Основные элементы спектрофотометра представлена на рисунке. Свет пропускается через монохроматор, чтобы обеспечить выбор желательной области спектра, которую нужно использовать для измерений. Щели нужны, чтобы выделить узкий луч света и, тем самым, улучшить цветную чистоту. Свет затем проходит через поглощающую ячейку (кювету), где часть излучательной энергии поглощается, в зависимости от природы и концентрации раствора. Не поглощенный свет попадает на фотоприемник (фотоэлемент, фотоумножитель, фотодиод и др.), преобразующий энергию излучения в электрический сигнал, величина которого может быть зарегистрирована измерительным устройством и выведена на стрелочный или цифровой индикатор.
Рисунок 1. Основные компоненты спектрофотометра Лабораторные опыты показывают, что призма разлагает белый цвет на ряд составляющих, то есть белый цвет является сложным и состоит из цветов различных длин волн (частот). Энергия электромагнитного излучения, в свою очередь, связанная с частотой знаменитой формулой Планка E = hϑ = hc/λ , пропорциональна частоте световой волны. Таким образом, ряд, составляющий белый цвет, можно определить по частотам (ϑ ), длинам волн (λ ) и энергиям (E):
Человеческий глаз воспринимает лучи с длиной волны от 400 до 750 нм (1 нм = 10-9 м). Такой спектр называется видимым, хотя весь набор электромагнитных колебаний простирается довольно широко (таблица 1).
Таблица 1-Фрагмент шкалы электромагнитного излучения
Не вдаваясь в более детальную классификацию, можно определить, что электромагнитные колебания с длиной волны больше 750 нм – инфракрасное излучение, 750–400 нм – видимая область, колебания, имеющие длины волн короче 400 нм –ультрафиолетовое излучение. Цвет вещества является результатом избирательного поглощения определенных участков электромагнитного излучения в непрерывном спектре падающего белого света. Например, если тело поглощает красные лучи, то оно кажется окрашенным в зеленый цвет; если же тело поглощает синевато-зеленоватые лучи, оно кажется нашему глазу красным. Из сказанного следует, что при смешении рассеянных лучей с поглощенными, при их совместном действии должно получаться впечатление белого света. Следовательно, рассеянные и поглощенные лучи дополняют друг друга в белом свете, поэтому они называются взаимно дополнительными или просто дополнительными лучами. Таблица 2- Цвет соединений, имеющих одну полосу поглощения в видимой части спектра (при облучении дневным светом)
Подобное явление происходит и в том случае, когда бесцветный луч падает на какой-либо раствор. Если часть падающих лучей поглощается раствором (абсорбируется), то раствор получает в проходящем свете дополнительную окраску (предполагается, что при этом отсутствуют такие явления, как флуоресценция). Какова же природа возникновения цвета вещества? Как известно, электроны атомов и молекул не могут принимать произвольные значения энергии и менять ее на сколь угодно малую величину. Квантовая механика определяет конкретные уровни энергий, на которых может находиться электрон в зависимости от природы вещества и его электронной структуры. Таким образом, энергия электрона может изменяться в соответствии с квантовыми числами только дискретно. На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма произвольной молекулы вещества.
Рисунок 2. Диаграмма молекулярных уровней и возможный переход электрона с занятого уровня S0 на свободный S1 Электроны располагаются на орбиталях. В молекуле есть также незаселенные в нормальном состоянии орбитали, называемые разрыхляющими. Они соответствуют энергетическим уровням возбужденных состояний и обозначаются как σ * и π * в зависимости от способа перекрывания электронного облака.Поглощение излучения приводит к переходу электрона на разрыхляющую орбиталь. Чаще всего происходят переходы электронов с π и валентных (n) орбиталей на π *-орбитали. Предположим, валентные электроны расположены на уровне S0 c энергией E0. Очевидно, что увеличить свою энергию электрон может только перейдя на уровень S1, то есть поглотив квант с энергией Δ E = E1 – E0 = hϑ. Таким образом, природа вещества и прежде всего его электронная структура предопределяют, какие кванты (hϑ ), а следовательно, какой цвет она может абсорбировать из общего потока фотонов. Поскольку цвет, характеризующийся частотой hϑ, абсорбируется из общего электромагнитного потока, то и вещество в проходящем свете приобретает соответствующую окраску. На рис. 2 представлен спектр поглощения иона Ti(H2 O)63+. Максимум поглощения отвечает длине волны 493 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. Вследствие этого ион имеет фиолетово-красную окраску (цвет дополнительный до белого). Примеры между цветом поглощенного света и цветом веществ представлены в табл. 2. Из сказанного следует два очевидных вывода: 1. Если белый свет, падая на какое-либо тело, полностью рассеивается им, то такое тело кажется нашему глазу бесцветным или белым. Наоборот, если все падающие на тело лучи белого цвета им поглощаются, то получается впечатление черного цвета. Наконец, тела, поглощающие одни из падающих простых лучей и рассеивающие другие, кажутся нашему глазу окрашенными. 2. Окрашенные вещества поглощают электромагнитное излучение в видимой части спектра.
Рисунок 3. Спектр поглощения Ti(H2 O)63+ в видимой области 1.2 Спектрофотометр LEKI SS2107 Универсальный однолучевой спектрофотометр для измерения коэффициентов пропускания, оптической плотности и концентрации растворов в видимом диапазоне волн. Прибор разработан c учетом требований аналитической практики и используется в лабораториях экологического контроля, производственных лабораториях различных отраслей промышленности (технологический контроль сырья и готовой продукции), качественного и количественного анализа в учебных и научных лабораториях. 2 Особенности - Микропроцессорное управление - Электронная установка длины волны - Автоматическое тестирование оптической системы спектрофотометра - Информативный графический ЖК дисплей и брызгозащищенная пленочная клавиатура - Встроенное ПО для количественного анализа без подключения к ПК - Сканирование по длине волны и кинетический режим при подключении к ПК, ПО входит в комплект поставки - Энергонезависимая память для хранения данных и калибровочных кривых - Большое кюветное отделение для установки кювет с длиной оптического пути до 100 мм и дополнительных приставок - Корпус и кюветное отделение из химически стойкого пластика
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-06-05; Просмотров: 3180; Нарушение авторского права страницы
УДК: 
