7.3. Лабораторная работа № 13 «Определение концентрации растворенного вещества»
Цель работы. Освоить методику работы на рефрактометре, научиться определять показатели преломления веществ и составы растворов.
Приборы и реактивы. Рефрактометр. Индивидуальные вещества. Фильтровальная бумага. Пипетки.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с устройством рефрактометра и порядком определения показателя преломления.
2. Определить показатели преломления растворенного вещества (nD,А), растворителя (nD,Б), раствора (nD,А+Б). Провести по три замера и вычислить среднее значение по формуле:
,
где m – число измерений.
3. Определить плотности раствора (ρА+Б), растворенного вещества (ρА) и растворителя (ρБ) при помощи набора ареометров.
4. Вычислить массовую долю растворенного вещества (w) по формуле:
,
где nD,А+Б – показатель преломления раствора;
nD,А – показатель преломления растворенного вещества;
nD,Б – показатель преломления растворителя;
ρА+Б – плотность раствора при температуре измерения показателя преломления;
ρА – плотность растворенного вещества при температуре измерения показателя преломления;
ρБ – плотность растворителя при температуре измерения показателя преломления;
w – массовая доля вещества А в растворе.
5. По полученным результатам заполнить таблицу.
|
Вещество |
Показатель преломления, nD |
Плотность ρ, г/см3 |
Массовая доля, w | |||
|
1 |
2 |
3 |
среднее | |||
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
А + Б |
|
|
|
|
|
|
* Указать, что использовалось в качестве растворенного вещества (А), растворителя (Б) и название полученного раствора (А + Б).
8. Оптические методы. СветопоглОщение
Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами, составляют обширную группу оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализируемых веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:
1. Атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.
2. Молекулярный абсорбционный анализ, основанный на изучении поглощения света молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спетрофотометрия, фотоколориметрия, фотометрия, ИК-спектроскопия).
3. Анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия).
4. Люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.
Все эти методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они и имеют существенные различия.
Из вышеперечисленных методов чаще других находит применение группа фотометрических методов анализа, в которую входят: спектрофотометрия, фотоколориметрия, фотометрия.
В фотометрических методах используют избирательное поглощение света молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике, свет представляет собой поток частиц, называемых квантами, или фотонами. Энергия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате поглощения излучаемого светового потока молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией E1 в более высокое энергетическое состояние Е2. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул. Причем поглощение света происходит только в том случае, когда энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ΔЕ между квантовыми энергетическими уровнями в конечном (E2) и начальном (E1) состояниях поглощающей молекулы:
hv = ΔЕ = Е2 – E1.
Здесь h – постоянная Планка (h = 6,625×10–34 Дж·с); v – частота поглощаемого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выражается отношением скорости распространения излучения с (скорость световой волны в вакууме с = 3×1010 см/с) к длине волны λ:
v = с/λ.
Частота излучения v измеряется в обратных секундах (с–1) или герцах (Гц). 1 Гц = 1 с–1.
Длина волны λ измеряется в ангстремах (1 Å = 1×10–8 см), микрометрах или микронах (1 мкм = 1 мк = 1×10–6 м), нанометрах или миллимикронах (1 нм = 1 ммк = 1×10–9 м).
Энергия излучения характеризуется электромагнитным спектром, охватывающим область от километровых радиоволн до десятых долей ангстрема γ-излучения и космических лучей. Для характеристики участка спектра часто используют также волновое число θ, которое показывает, какое число длин волн приходится на 1 см пути излучения в вакууме, и определяется соотношением: θ = 1/λ.
Природа полос поглощения в ультрафиолетовой (10-400 нм) и видимой (400-760 нм) областях спектра одинакова и связана главным образом с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. В инфракрасной области (0,8–1000 мкм) она в большей степени связана с колебаниями атомов в молекулах поглощающего вещества.
В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе различают спектрофотометрический метод – анализ по поглощению монохроматического света – и фотометрический – анализ по поглощению полихроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра. Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.
Фотометрические методы подразделяют на прямые и косвенные. В прямых методах определяемый ион М с помощью реагента R переводят в светопоглощающее соединение MR, а затем измеряют интенсивность светопоглощения раствора этого соединения. При косвенных определениях используют вспомогательные соединения, которые при взаимодействии с определяемым веществом либо разрушаются сами, либо образуют новые светопоглощающие соединения.
Данная группа методов основана на количественном определении компонентов, способных поглощать свет. Хорошо поглощают свет окрашенные растворы. Поэтому при выполнении фотометрического анализа определяемые компоненты при помощи химических реакций переводят в соединения, дающие стойкие цветные реакции.
Различают три группы способов измерения концентрации окрашенного соединения в растворе:
визуальный, путем сравнения интенсивности окраски исследуемого раствора с эталонными растворами, концентрации которых известны;
поглощение света измеряют при помощи приборов с фотоэлементами – фотометрами (ФЭК);
поглощение света измеряют при помощи приборов – спектрофотометров. В них кроме фотоэлемента, с помощью которого измеряют ослабление интенсивности светового потока, имеется призма или дифракционная решетка, а также щель, что позволяет выделить узкий участок спектра, а именно тот, с которым оптически реагирует окрашенное вещество.
Основные закономерности светопоглощения
При прохождении через слой вещества (раствора) светового потока с интенсивностью Iо его интенсивность в результате поглощения в окрашенном растворе уменьшается до значения I. Интенсивности падающего светового потока Iо и светового потока I, прошедшего через раствор, можно определить экспериментально.
Связь между интенсивностями световых потоков Iо и I устанавливается законом Бугера – Ламберта, согласно которому однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии (при постоянной концентрации растворенного вещества).
Характер и величина поглощения света зависят от природы вещества и его концентрации в растворе. Эта зависимость определяется законом Бугера – Ламбера - Бера.
Математически этот закон выражается уравнением:
I = Iо10–ε·C·l,
где I – интенсивность прошедшего через раствор света;
Iо – интенсивность падающего на раствор света;
l –толщина светопоглощающего слоя, см;
С – молярная концентрация раствора, моль/л (М);
ε – молярный коэффициент светопоглощения, const для конкретного соединения. Он показывает, чему равна оптическая плотность 1М раствора при толщине слоя в 1 см.
Отношение
называют пропусканием; его значения могут изменяться от 0 до 1. Часто эту величину выражают в процентах. Если величина Т отнесена к толщине слоя в 1 см, то ее называют коэффициентом пропускания.
Десятичный логарифм величины, обратной пропусканию, носит название оптической плотности (D)
.
Связь между концентрацией светопоглощающего раствора и его оптической плотностью D выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества при постоянной толщине слоя:
.
Как видно из уравнения, оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации светопоглощающего вещества в растворе и толщине слоя раствора. Другими словами, при определённой толщине слоя раствора оптическая плотность будет тем больше, чем больше концентрация вещества в растворе. Отсюда следует, что, определяя оптическую плотность раствора, мы можем напрямую определять концентрацию вещества в растворе. При помощи современной техники оптическая плотность может быть измерена очень точно. Увеличивая толщину слоя lможно измерять очень малые концентрации веществ.