§ 113, 114.
3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 48, 49.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4– 02
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 Ф0 можно представить в виде суммы световых потоков:
,
(1)
где Фr – отраженный, Фa – поглощенный, Фt – 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 + + t= 1. (2)
Для непрозрачных тел t= 0; для идеально белых телr = 1; для абсолютно черных тел= 1.
Величина
называется оптической плотностью
вещества.
Коэффициенты r, , tхарактеризуют 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 I0– 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 свыражено в моль/л, аl- в сантиметрах, тоk становится молярным коэффициентом поглощения и обозначается, 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 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 концентрациисх.
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 графиковD = f(c).
Принцип измерения фотокалориметром КФК–2 оптических характеристик веществ состоит в том, что на фотоприемник (фотоэлемент) направляются поочередно световые потоки полныйI0и прошедший через исследуемую средуI 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 Ти оптической плотностиD;
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.