Ларичева Оптические спектроскопические методы анализа 2010

1.1.На верхнем индикаторе загорается символ заводаизготовителя «ОАО «ЗОМЗ»», на нижнем – «ПРОГРЕВ ПРИБОРА»

ипоказания таймера;

1.2.Через 2,5 мин после включения на верхнем индикаторе загорается надпись «КФК 3-01»;

1.3.Через 5 мин автоматически учитывается «нулевой отсчет», включается источник излучения; на верхнем индикаторе отображается длина волны в нм, на нижнем – загорается надпись «ПРОГРЕВ ЛАМПЫ» и показания таймера;

1.1.Через 10 мин фотометр издает звуковой сигнал готовности

кработе, на нижнем индикаторе загорается надпись «ГОТОВ К РА-

БОТЕ. ВВЕДИТЕ РЕЖИМ».

Фотометр готов к работе.

2.Проведение измерений.

2.1.Нажатием клавиши «D» («С») выбирают режим «τ – коэффициент пропускания».

2.2.При закрытой крышке кюветного отделения нажать клавишу «#», на индикаторе должно отобразиться сообщение «Градуи-

ровка», затем «ИЗМЕРЕНИЕ τ = 100,0 ± 0,2 % №...».

2.3. Открыть крышку кюветного отделения, нажать клавишу «0». На индикаторе должно загореться сообщение «ИЗМЕРЕНИЕ τ = 0,0 ± 0,1 %». Если значение «00%» отобразилось с большим отклонением, повторно нажать клавишу «0». Для отключения звукового сигнала нажать клавишу «D». Ручкой установки длин волн установить необходимую по роду измерений длину волны.

2.4.Поставить в кюветное отделение две кюветы – с «холостой пробой» в дальнее гнездо, кювету с исследуемым раствором – в ближнее гнездо. Ручку перемещения кювет установить в крайнее левое положение, при этом в световой пучок вводится кювета с «холостой пробой».

2.5.Клавишей выбора режима «D» («С») выбрать режим изме-

рения «τ – коэффициент пропускания» («А – оптическая плотность»). Нажимают клавишу «#». На нижнем индикаторе на верхней строке через 3–5 с должно загореться «Градуировка». Данная надпись исчезает, и вместо нее загорается надпись «Измерение», на нижней строке – «τ = 100,0 ± 0,2 %» («А = 0,000±0,002»). Если зна-

11

чение 100 (0,000) отобразилось с большим отклонением, повторно нажать клавишу «#».

2.6. Ручку перемещения кювет установить вправо до упора. При этом в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. На нижнем индикаторе отображается значение коэффициента пропускания в % (оптической плотности) исследуемого раствора.

Все операции по измерению оптической плотности повторяют три раза. Значения коэффициента пропускания (оптической плотности), исследуемого раствора определяются как среднее арифметическое из полученных отсчетов.

Измеряют оптические плотности исследуемого раствора в диапазоне длин волн поглощения данным раствором. Выбирают ту длину волны, при которой значение оптической плотности максимально.

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель: определение концентрации веществ колориметрическим методом с использованием нескольких стандартных растворов с помощью градуировочного графика.

Приборы и реактивы:

-раствор сульфата меди 0,1 М (где М – молярная концентрация раствора, измеренная в моль/л) на 0,01 М серной кислоте (исходный раствор);

-раствор сульфата никеля 0,1 М на 0,01 М серной кислоте (исходный раствор);

-раствор 0,5 М и 0,01 М серной кислоты;

-раствор 5 М аммиака;

-датчик оптической плотности;

-светодиодная линейка;

-КФК-3-01;

-мерные колбы на 100 мл – 12 шт.;

12

-мерные пипетки на 10 мл – 2 шт.;

-кюветы для КФК с L = 30 мм.

Порядок выполнения работы

Приготовление растворов. В мерных колбах на 100 мл гото-

вят серию стандартных растворов, содержащих концентрации веществ, указанных в табл. 1.2. По указанию преподавателя выбирают исходный раствор. Для его приготовления (например, раствора Cu2+ в растворе аммиака) из исходного раствора (CuSO4 в растворе серной кислоты), отбирают мерной пипеткой указанный объем раствора, переносят его в колбу на 100 мл, туда же добавляют 20 мл фона (5 М NH3) и доводят до метки дистиллированной водой. Также готовят остальные стандартные растворы.

				Таблица 1.2
			Фон
Опреде-	Концентрации	Исходный		Запасные	Объем,
ляемое	в серии	раствор		растворы	мл
вещество			NH3	для фона
Cu2+	0; 2; 4; 6; 8;	CuSO4		NH3	20
	10мМ	0,1М на	1М	5М
		H2SO4
		0,01М	NH3
Ni 2+	0; 0,01; 0,02;	CuSO4		NH3	20
	0,03; 0,04;	0,1М на	1М	5М
	0,05М	H2SO4
		0,01М	H2SO4
Cu2+	0; 0,01; 0,02;	CuSO4		H2SO4	20
	0,03; 0,04;	0,1М на	0,5М	5М
	0,05М	H2SO4
		0,01М	H2SO4
Ni 2+	0; 0,01; 0,02;	CuSO4		H2SO4	20
	0,03; 0,04;	0,1М на	0,5М	5М
	0,05М	H2SO4
		0,01М
		13

Для приготовления серии стандартных растворов Cu2+ и Ni2+ в серной кислоте мерной пипеткой отбирают указанный объем исходного раствора и добавляют 20 мл фона (0,5 М H2SO4).

Для приготовления раствора сравнения берут колбу на 100 мл, переносят в нее мерной пипеткой 20 мл 0,5 М раствора H2SO4 и доводят объем дистиллированной водой до метки.

Подбор датчика оптической плотности. В сухую кювету на-

ливают раствор самой большой концентрации. Подключают светодиодную линейку к третьему разъему измерительного блока. Смотрят на линейку с горящими светодиодами через кювету с раствором и определяют, свет с какой длиной волны проходит через него хуже всего. Выбирают датчик именно с этой длиной волны. Растворы из кюветы выливают обратно в колбу и кювету ополаскивают.

Подготовка измерительной системы. Подключают датчик оптической плотности к первому разъему компьютерного измерительного блока. В меню программы L-химии – практикум (РМС «Колориметрия») выбирают пункт «Зависимость оптической плотности от концентрации: одна длина волны». Сценарий работает в режиме ручного ввода абсциссы. Выходит в окно запуска эксперимента.

Ход работы. Заливают в кювету фоновый раствор (с нулевой концентрацией определяемого вещества) и настраивают по нему датчик оптической плотности.

После настройки переходят в окно записи эксперимента. Не снимая кювету, запускают процесс измерения нажатием экранной кнопки «Пуск». После чего нажимают кнопку «Выбор» и в появившееся окно записи вводят значение концентрации (в данном случае 0). Нажатием на клавишу «Запись» вводят в компьютер значение оптической плотности при этой концентрации. Снимают датчик с кюветы, сливают из нее раствор, ополаскивают кюветы небольшим объемом второго раствора (с наименьшей концентрацией определяемого вещества) и заливают в него второй раствор. Повторяют процедуру ввода оптической плотности при данной концентрации. И так далее – до раствора самой большой концентрации.

14

Останавливают измерение нажатием экранной кнопки «Стоп» и сохраняют результаты измерений нажатием кнопки «Архив». После чего кювету ополаскивают сначала дистиллированной водой, потом – небольшой порцией пробы, заливают пробу в кювету и измеряют ее оптическую плотность.

Те же растворы фотоколориметрируют на приборе КФК-3-01. Для этого сначала подбирают длину волны, на которой поглощение максимально, и затем снимают показания оптической плотности. Данные заносят в таблицу (табл. 1.3).

По полученным с помощью оптического датчика и КФК данным, строят два калибровочных графика D=f(C).

			Таблица 1.3
			Концентрация С,
№	Объем исходного	Оптическая
пробы	раствора, мл	плотность	мг/мл

Определение концентрации исследуемого вещества. Полу-

чают у преподавателя колбу с анализируемым раствором. Также добавляют в нее 20 мл либо аммиака, либо серной кислоты и доводят объем до метки. Измеряют плотность раствора и по калибровочным графикам находят концентрацию определяемого вещества в образце. Сравнивают результаты обоих измерений.

Составление отчета

В отчете должна быть сформулирована цель и задача выполнения данной лабораторной работы. Указан номер выданного варианта, последовательность приготовления серии стандартных растворов и раствора сравнения, описан алгоритм подбора датчика оптической плотности. Результаты измерений должны быть представлены в виде таблицы и графиков.

По результатам работы проводится статистическая обработка полученных результатов: определяется среднее значение; проверя-

15

ется возможность исключения выпадающих значений, если такие имеются (Q-критерий); определяется стандартное отклонение; доверительный интервал. В заключении делается вывод о выполнении данной работы.

Контрольные вопросы

1.На чем основаны фотометрические методы анализа?

2.В какой области длин волн работает фотоколориметр?

3.Почему график зависимости D = f(C) не всегда проходит через начало координат?

4.Зачем при настройке датчика оптической плотности перекрывают источник света?

5.В каком случае значения оптической плотности при измерении одного и того же раствора, измеренные на датчике оптической

плотности и на КФК одинаковы, а в каком случае они могут различаться?

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ДОБАВОК

Цель: определение концентрации веществ методом добавок с использованием нескольких стандартных растворов.

Приборы и реактивы:

-раствор сульфата меди 0,1 М на 0,01 М серной кислоте (исходный раствор);

-раствор сульфата никеля 0,1 М на 0,01 М серной кислоте (исходный раствор);

-раствор 0,5 М и 0,01 М серной кислоты;

-датчик оптической плотности;

-светодиодная линейка;

16

-КФК-3-01;

-мерные колбы на 100 мл – 6 шт.; на 200 мл – 1шт.

-мерные пипетки на 10 мл – 2 шт;

-кюветы для КФК с L = 30 мм.

Порядок выполнения работы

Приготовление растворов. Готовят раствор сравнения, для этого в колбу на 100 мл пипеткой переносят 20 мл серной кислоты и доводят до метки дистиллированной водой.

Получают у преподавателя контрольную задачу (раствор, содержащий определенное количество определяемого вещества).

Для приготовления растворов с добавками берут 5 колб на 100 мл. В каждую колбу мерной пипеткой отбирают по 20 мл 0,5М раствора серной кислоты и добавляют соответственно 0, 10, 20, 30 и 40 мл исходного раствора. В каждую колбу добавляют по 20 мл контрольной задачи. Объем колб доводят до метки дистиллированной водой.

Подбор датчика оптической плотности проводится так же,

как в работе № 1.

Подготовка измерительной системы проводится так же, как в работе № 1.

Ход работы. Проводят измерения оптической плотности с использованием оптического датчика (см. работу № 1), только вместо концентрации раствора в компьютер вносят их порядковые номера.

Фотометрируют исследуемые растворы на КФК-3-01. Для этого сначала подбирают длину волны, на которой поглощение максимально, а затем снимают показания оптической плотности.

Определение концентрации элемента в исследуемом растворе.

Вычисляют содержание концентрации элемента в исследуемом растворе с помощью пропорции:

Dх+д – Dx → Сд, Dx → Сх,

где Dх+д – оптическая плотность анализируемого вещества с добавкой; Dx – оптическая плотность задачи; Сд – концентрация добавки в мг/мл; Сх – концентрации анализируемого раствора в мг/мл.

17

Составление отчета

В отчете должна быть сформулирована цель и задача выполнения данной лабораторной работы. Указано выданное вещество, последовательность приготовления серии растворов с добавками и раствора сравнения, описан алгоритм подбора датчика оптической плотности. Результаты измерений должны быть представлены в виде таблицы.

По результатам работы проводится статистическая обработка полученных результатов: определяется среднее значение, проверяется возможность исключения выпадающих значений, если такие имеются (Q-критерий), определяется стандартное отклонение, доверительный интервал. Сравниваются результаты, полученные с помощью датчика оптической плотности и КФК-3-01. В заключении делается вывод о выполнении данной работы.

Контрольные вопросы

1.В чем принципиальное отличие между датчиком оптической плотности и КФК?

2.Каким должен быть раствор, чтобы его можно было померить фотоколориметрически?

3.Синий цвет имеет длину волны 400 нм, а его максимум поглощения лежит в области 800 нм, почему?

4.В каком случае вещество бесцветно?

5.Что такое ширина щели и есть ли она на КФК?

6.Оптическая плотность при измерении на КФК мала, что де-

лать?

18

2. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Спектрофотометрический анализ, как и фотометрический, основан на законе светопоглощения Бугера–Ламберта–Бера, но измерение поглощения растворами проводится в монохроматическом потоке излучения. Преимущество использования монохроматических излучений состоит в том, что при этом повышается точность определений, измерение светопоглощения в узком участке спектра позволяет увеличить селективность и чувствительность прибора спектрофотометра.

В отличии от фотоколориметрии спектрофотометрический анализ позволяет производить измерения поглощения растворов в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Использование монохроматических излучений дает возможность выбрать участок спектра, где светопоглощение системы мало зависит от колебаний рН, солевого состава и других факторов. Использование монохроматического излучения позволяет проводить измерения в присутствии посторонних веществ, поглощающих свет в областях спектра, близких к максимуму поглощения определяемого компонента.

Существует ряд методов, позволяющих идентифицировать многокомпонентные окрашенные системы. Если спектры веществ не перекрываются, то используют метод градуировочного графика. Если спектры веществ перекрываются, то для анализа смеси используют метод, основанный на законе аддитивности оптических плотностей. Из них наиболее известен метод Фирордта, заключающийся в измерении оптической плотности смеси при нескольких длинах волн и составлении системы уравнений, включающих неизвестные концентрации компонентов смеси.

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

На рис. 2.1. показан общий вид спектрофотомера СФ-46, который используется при выполнении лабораторных работ.

19

Кнопка СЕТЬ 9 служит для включения и выключения спектрофотометра, расположенная над ней индикаторная лампочка сигнализирует о включении спектрофотометра.

Под крышкой монохроматора 1 находится рукоятка 8, предназначенная для установки требуемой длины волны, значения которой снимаются по отсчетному барабану 7.

Переключатель 11 служит для выбора щелей, которые необходимо менять по спектральному диапазону. Значения спектральных размеров щелей в нанометрах указаны на передней панели спектрофотометра.

Рис. 2.1. Общий вид спектрофотометра СФ-46

На кюветном отделении 2 находится рукоятка 12, предназначенная для ввода в световой пучок и вывода из него измеряемого образца; рукоятка 13 открывает и закрывает шторку; рукоятка 14 предназначена для компенсации темнового тока фотоэлементов при установке рукоятки 13 в положение «ЗАКР».

На отделении фотоэлементов 6, рукоятка 5 служит для смены фотоэлементов. Рычагом 3, расположенном на блоке питания 4, переключают источники излучения. Для измерений в области спектра 186–350 нм устанавливается дейтериевая лампа – рукоятка 5 поворачивается влево. Для измерения в области спектра 340–1100 нм устанавливается лампа накаливания – рукоятка 5 поворачивается вправо.

Клавиатура микропроцессора 10 предназначена для управления системой и ручного ввода данных:

- клавиша ПУСК служит для включения микропроцессора, о чем сигнализирует высвечиваемая на табло запятая;

20