Ларичева Оптические спектроскопические методы анализа 2010

-при нажатии клавиш «Ш(0)» и «К(1)» определяются выходные напряжения при неосвещенном фотоэлементе. Значения выходных напряжений в вольтах высвечиваются на фотометрическом табло;

-при нажатии клавиш «τ(2)» или «D(5)» происходит высвечивание на табло коэффициентов пропускания или оптической плотности соответственно в процентах пропускания и в единицах оптической плотности;

-клавиша «Ц/Р» служит для перевода микропроцессора из разового режима в цикличный и, наоборот, о чем сигнализирует горящий индикатор «Р» (разовый) или «Ц» (цикличный).

Принцип действия прибора. В основу работы спектрофотометра СФ-46 положен принцип измерения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, прошедшего через контрольный образец.

В монохроматический поток излучения поочередно вводятся «темная зона», расположенная на блоке светофильтров, контрольный образец и исследуемый образец.

При введении контрольного образца изменением ширины щели

ичувствительности блока ФПУ автоматически устанавливается определенный уровень сигнала. При введении в поток излучения исследуемого образца световой поток изменяется пропорционально коэффициенту пропускания образца. С выхода блока ФПУ снимаются сигналы.

Принципиальная схема работы спектрофотометра СФ-46 показана на рис. 2.2.

От источника 1 излучение падает на зеркальный конденсор 2, направляющий его на плоское поворотное зеркало 3 и дающий изображение источника излучения в плоскости входной щели 4. Через входную щель и кварцевую пластину 5 излучение падает на зеркальный объектив 6 и отраженное направляется на призму 7. Диспергированный пучок снова возвращается на объектив 6 и фокусируется линзой 8 на выходной щели.

Монохроматическое излучение проходит при вращении призмы через светофильтр 9, кювету 10 и при помощи поворотного зер-

21

кала 11 направляется на светочувствительный слой одного из фотоэлементов.

Рис. 2.2. Принципиальная схема спектрофотометра:

1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – зеркало; 4 – щель; 5 – кварцевая пластина; 6 – зеркальный объектив; 7 – призма; 8 – линза; 9 – светофильтр; 10 – кювета; 11 – поворотное зеркало; 12 – шторка; 13 – фотоэлемент

Коэффициент пропускания исследуемого образца Т рассчитывается по формуле

Т = (U – Uт / Uk – Uт ) 100%,

где Uk – напряжение, пропорциональное световому потоку, падающему на образец; U – напряжение, пропорциональное световому потоку, прошедшему через образец; Uт – напряжение, пропорциональное темновому току блока ФПУ.

Оптическая схема спектрофотометра (рис. 2.3). В качестве источников излучения для спектрофотометра используются дейтериевая лампа 1 (ДДС-30М) – для работы в области спектра от 190 до 340 нм и галогенная лампа 3 (КГМ12-10) – для работы в области спектра от 340 до 1100 нм.

Смена источников излучения производится автоматически при помощи плоского зеркала 2, которое в рабочем положении перекрывает световой поток от лампы ДДС-30М, направляя на входную щель монохроматора световой поток от КГМ12-10.

При помощи эллиптического зеркала 4 и плоского зеркала 5 светящееся тело каждого источника излучения проецируется на входную щель 8 монохроматора с увеличением в 5 раз.

22

Рис. 2.3. Оптическая схема спектрофотометра СФ-56

Для уменьшения рассеянного света и устранения высших порядков дифракции перед монохроматором установлен блок со светофильтрами 6. Линза 7 служит для согласования оптических систем осветителя и монохроматора.

Двойной монохроматор построен по горизонтальной схеме с постоянным углом отклонения 12° со сложением дисперсий и состоит из двух вогнутых дифракционных решеток 12 с переменным шагом и криволинейным штрихом и сферического зеркала 9, выполняющего роль средней щели.

Сканирование спектра осуществляется одновременным поворотом решеток обоих монохроматоров на одинаковый угол.

На выходную щель 11 проецируется изображение входной цепи с исходным увеличением.

Оптическая система кюветного отделения и приемного устройства, состоящая из трех торических зеркал 10, 13, 16 формирует

23

изображение выходной щели в кюветном отделении в плоскости установки образца с исходным увеличением и изображение выходного зрачка на фотоприемнике 14 блока ФПУ с увеличением в 1,2 раза. На входе и выходе кюветного отделения установлены защитные пластины 15.

Оптическая схема рассчитана таким образом, что при установке в кюветном отделении приставки зеркального отражения или кюветы с исследуемым веществом не происходит изменения размера светового пятна на фотоприемнике. В качестве фотоприемника излучения используется фотодиод с приемной площадкой размером 7×7 мм, который развернут на угол 19° для устранения многократных отражений от светочувствительной поверхности.

Лабораторная работа № 3

АНАЛИЗ СМЕСИ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ФИРОРДТА

Цель работы: количественный анализ смеси двух веществ в условиях перекрывания их спектров методом Фирордта на примере растворов перманганата и дихромата калия.

Приборы и реактивы:

-серная кислота (конц.) – 50 мл;

-раствор перманганата калия – 100 мкг/мл;

-раствор дихромата калия – 100 мкг/мл;

-мерные колбы: на 1 л – 2 шт., на 100 мл – 1 шт., на 50 мл –

10 шт.;

-мерные пипетки на 10 и 20 мл;

-спектрофотометр СФ-56.

Порядок выполнения работы

Приготовление стандартных растворов. Готовят: 1) раствор 40 %-ной серной кислоты (1:1);

24

2)эталонные растворы KМnO4 и K2Cr2O7 с концентрацией 100 мкг/мл;

3)растворы KМnO4 и K2Cr2O7 с концентрациями 10, 20, 30, 40, 50 мкг/мл в колбах на 50 мл, в них добавляют по 5 мл 40 %-ной серной кислоты, и доводят объем до метки дистиллированной водой.

Снятие спектральной характеристики растворов. На спек-

трофотометре СФ-46 проводят измерения оптической плотности в интервале длин волн от 240 до 400 нм с шагом 10 нм, в районе пиков с шагом 2 нм (см. порядок работы на СФ-46 в теоретической части). Определяют максимумы длин волн для марганца и хрома и строят на одном графике две зависимости D = f(λ). Измерения проводят относительно холостой пробы (5 мл 40 %-ной серной кислоты переносят в колбу на 50 мл, и доводят объем до метки дистиллированной водой).

Построение номограммы Савойи. Для построения номограм-

мы из пяти концентраций выбирают две–три, заданных преподавателем. На оси (рис. 2.4) произвольно возводят два перпендикуляра, которые выполняют роль осей оптических плотностей при максимальных длинах волн хрома и марганца.

Рис. 2.4. Номограмма Савойи

25

Далее откладывают значения оптических плотностей KМnO4 на обоих осях для раствора с наибольшей концентрацией (точки А и В соответственно). Соединяют обе точки прямой и продолжают ее до пересечения с осью абсцисс. Из точки пересечения (точка О) возводят перпендикуляр, который служит осью концентраций хрома. Затем берут наибольшее значение оптической плотности раствора хрома при тех же длинах волн (точки С и D), соединяют эти точки и продолжают прямую до пересечения с осью абсцисс. Из точки пересечения (точка О′) возводят перпендикуляр, служащий осью концентраций марганца. Продолжая прямые линии до пересечения с осями концентраций, получают отрезки О′М и ОN, соответствующие концентрациям марганца и хрома в растворе. По этим отрезкам устанавливают масштаб на осях концентраций.

Определение содержания марганца и хрома в анализируе-

мой пробе. Получают у преподавателя колбу с исследуемой пробой. Добавляют в нее 5 мл 40 %-ной серной кислоты и доводят водой до метки. Снимают показания прибора на длинах волн, соответствующих максимумам поглощения марганца и хрома. Наносят полученные значения на оси DMn и DCr (точки E и F на рис. 2.4). Проводят через них прямую до пересечения с осями концентраций. По левой оси отсекается отрезок, соответствующий концентрации марганца, по правой – хрома.

Составление отчета

В отчете должна быть сформулирована цель и задача выполнения данной лабораторной работы. Описана последовательность приготовления серии стандартных растворов. Приведены данные и построены спектры поглощения хрома и марганца в диапазоне от 300 до 370 нм. Результаты решений уравнений Фирордта должны быть представлены в виде номограммы Савоий (графически) и аналитически (путем решения системы уравнений). В заключении делается вывод о выполнении данной работы.

Контрольные вопросы

1. В какой области длин волн работает спектрофотометр?

26

2.Какие лампы применяются в СПФ, какой диапазон охватывает каждая из них?

3.Принцип работы монохроматора.

4.В чем физический смысл молярного коэффициента поглоще-

ния?

5.Какова роль молярного коэффициента поглощения при фотометрических определениях?

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРГАНЦА И ХРОМА В РАСТВОРАХ ПРИ СОВМЕСТНОМ ПРИСУТСТВИИ

Цель работы: определение содержания марганца и хрома при их совместном присутствии методом градуировочного графика.

Приборы и реактивы:

•раствор перманганата калия – 100 мкг/мл;

•раствор дихромата калия – 100 мкг/мл;

•серная кислота (1:1);

•мерные колбы емкостью на 50 мл – 11 шт.;

•пипетки на 10 мл – 2 шт.;

•спектрофотометр СФ-56.

Порядок выполнения работы

Приготовление стандартных растворов. Из двух эталонных растворов марганца и хрома готовят по 5 стандартных растворов с содержанием иона MnO42- (или Cr2O72-) 10; 20; 30; 40; 50 мкг/мл.

Для этого в колбу емкостью 50 мл с помощью пипетки переносят рассчитанный объем эталонного раствора, добавляют 5 мл раствора серной кислоты (1:1) и разбавляют водой до метки.

27

1. Снятие спектральной характеристики растворов

Порядок работы на СФ-56.

1.Запустить программу «СФ-56», управляющую работой прибора, кликнув на рабочем столе компьютера иконку с обозначением СФ-56.

2.Кликнуть в главном меню кнопку «Прибор» и далее «Подключиться» или кликнуть иконку «Подключиться» в окне программы.

3.Включить прибор тумблером «Сеть» на блоке питания прибора. В ходе включения прибора наблюдать за прохождением всех операций на экране компьютера и выполнять условия диалога. После завершения операций подключения дать прибору прогреться в течение 20 мин.

4.Кликнуть в главном меню кнопку «Сканирование» или иконку «Сканирование» в окне программы.

5.В окне «Сканирование» установить следующие параметры измерений:

−«Диапазон»:

в левом установить «270», нажать «Enter»,

в правом установить «620», нажать «Enter»;

−«Шаг дискретизации» выбрать «1 нм»,

−«Режим измерений» выбрать «Обзорный»,

−«Ширина щели» выбрать «6 нм»,

−«Измеряемая величина» выбрать «Оптич. плотность»,

−«Включены лампы» выбрать «Обе постоянно»,

−«Установка образцов» установить флажок «1 – Образец 1»,

−«Число повторов» установить «1», нажать «Enter».

−«Графическое окно», «Границы по ординате»:

«Min» установить «0», нажать «Enter»,

«Max» установить «0.9», нажать «Enter».

Работа с кюветами. При работе с кюветами необходимо соблюдать чистоту. Запрещается касаться пальцами рабочих граней кювет. Разрешается браться только за нерабочие (матовые) поверхности кювет. Наличие загрязнения или капель раствора на внешней

28

поверхности кювет ведет к получению недостоверных значений. При случайном попадании растворов внутрь кюветного отделения необходимо немедленно удалить жидкость и затем насухо протереть залитые места.

1.Заполнить первую кювету до метки раствором сравнения – водой.

2.Аккуратно, не допуская разбрызгивания жидкости, установить заполненную кювету в кюветное отделение в первую (самую ближнюю к оператору) позицию кюветодержателя.

3.Заполнить вторую кювету до метки исследуемым раствором

смаксимальной концентрацией.

4.Аккуратно, не допуская разбрызгивания жидкости, установить заполненную кювету в кюветное отделение, во вторую позицию кюветодержателя. Закрыть крышку кюветного отделения.

Снятие и обработка спектра.

1.Снять спектр исследуемой пробы – кликнуть кнопку «Пуск»

вокне «Режим сканирования».

2.После завершения снятия спектра сохранить данные – кликнуть кнопку «Файл» главного меню, далее кликнуть «Сохранить как…», выбрать в диалоговом окне директорию и ввести имя файла для сохранения данных, кликнуть кнопку «Сохранить».

3.В окне «Режим сканирования» кликнуть кнопку «Обработка», кликнуть кнопку «Автомасштаб», установить флажок «Включить маркер».

4.Определить положения максимума спектра поглощения и его оптической плотности – установить маркер на точке, соответствующей максимуму спектра поглощения. В окне «Маркер Х» снять значение (в нм) длины волны, соответствующей максимуму спектра. В окне «Маркер Y» снять значение оптической плотности соответствующей максимуму спектра (безразмерная величина).

Выключение прибора.

1.Аккуратно извлечь кюветы из кюветного отделения. Закрыть крышку кюветного отделения.

2.Закрыть программу управления прибором обычной процедурой, как для любого приложения Windows.

29

3. Выключить прибор тумблером «Сеть» на передней панели блока питания прибора.

2.Измерения для растворов перманганата калия

ибихромата калия

Выписываются значения оптической плотности в диапазоне 270–600 нм c шагом 10 нм в лабораторный журнал (в области пиков значения оптической плотности выписываются с шагом в 2 нм). Определяются максимумы длин волн для марганца и хрома, и строятся на одном графике две зависимости D = f(λ). Из полученного графика видно, что марганец имеет два пика поглощения и один из них перекрывается с пиком хрома. Содержание марганца определяют на длине волны, где поглощение хрома равно нулю, а поглощение марганца максимально. Определению содержания хрома мешает марганец, поэтому поглощение раствора смеси марганца и хрома равно сумме поглощений марганца и хрома. Содержание хрома можно определить на максимуме хрома как разность общего поглощения (смеси) и поглощения марганца, измеренного также на максимуме хрома. Поэтому строят три калибровочных графика: 1) для марганца; 2) для хрома на максимуме поглощения хрома; 3) для марганца на максимуме поглощения хрома.

Построение градуировочных графиков. Стандартные раство-

ры спектрофотометрируют на перечисленных максимумах длин волн. Для этого прибор перевести в «Поточечный режим».

Для растворов марганца задать число точек, равное 2.

Задать длины волн: 1) на максимуме марганца, где поглощение хрома равно нулю; 2) для марганца на максимуме поглощения хрома.

Ширина щели – 6 нм.

Измеряемая величина – оптическая плотность. Включены лампы – обе постоянно. Установка образца 1.

Время измерения – 0.03 с. Число повторов – 3.

30