Лабораторная работа № 8

КОЛОРИМЕТР ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ KF-77

ИЗМЕРЕНИЕ ПРОПУСКАНИЯ ЦВЕТНЫХ РАСТВОРОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРАСИТЕЛЕЙ В БЕЛОМ И МОНОХРОМАТИЧЕСКОМ СВЕТЕ

Цель работы: количественно измерить пропускание и поглощение растворов красителей в белом и монохроматическом свете.

Оборудование и материалы: колориметр фотоэлектрический KF-77, цветные светофильтры на видимую область, кюветы с растворами красителей и растворителем.

Теоретическая часть

Задачей молекулярной спектроскопии является получение сведений о строении и свойствах молекул и вещества в целом на основе закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Э лектромагнитное излучение характеризуется частотой  или длиной волны . Между  и  имеет место соотношение:

г де с–скорость света в вакууме.

Частота  обычно измеряется в герцах (1Гц=1 сек^–1), длина волны  – в ангстремах (1=10 ^-10 м), нанометрах (1 нм =10^–9м) и микронах (1мкм=10^-6м). Величина 1 выраженная в см^-1 или кайзерах (1К=1см^-1) носит название волнового числа и обозначается . Волновое число часто именуется частотой (например, «частота валентного колебания связи О–Н равна 3640 см^-1»).

Современная молекулярная спектроскопия базируется на квантовой теории, согласно которой любая молекула может существовать в стационарных состояниях, соответствующих определенным энергетическим уровням. Из одного состояния в другое молекула может переходить, поглощая или испуская квант света, энергия которого определяется разностью энергий исходного и конечного стационарных состояний.

В зависимости от природы энергетических уровней, между которыми происходят квантовые переходы, оптическая молекулярная спектроскопия подразделяется на вращательную, колебательную и электронную. Вращательные спектры связаны с движением молекулы как целого, происходящим без изменения положения центра тяжести (вращением). Колебательные спектры имеют место при изменении взаимного расположения атомов в молекуле. Наконец, электронные спектры возникают при изменении распределения электронной плотности, т.е. определяются электронным движением.

По величине поглощаемых и излучаемых квантов выделяют ультрафиолетовую (УФ), видимую (ВИД) и инфракрасную (ИК) области. УФ - область спектра охватывает интервал длин волн от 100 нм до 400 нм и подразделяется в свою очередь на далекую или вакуумную (100–200нм), среднюю (200–300нм) и близкую (300–400нм) УФ–области. Bидимая область спектра занимает интервал от 400 до 750нм. Наконец ИК–область охватывает интервал от 0,75мкм до 300мкм и подразделяется на ближнюю (0,75–2,5мкм), среднюю (2,5–15мкм) и далекую (15–300мкм) ИК–области. Tакoe разделение соответствует особенностям пропускания применяемых оптических материалов, спектру источников и чувствительноcти приемников излучения.

В химии наиболее широко распространены следующие разделы оптической молекулярной спектроскопии.

1. Электронные спектры поглощения. Этот раздел изучает движение электронов в молекуле путем исследования поглощения света в видимом и ультрафиолетовом областях спектра.

2. Электронные спектры испускания (люминесценция). Этот раздел изучает спектральный состав и интенсивность излучения, испускаемого возбужденными молекулами

3. Инфракрасные спектры поглощения. Этот раздел изучает колебательное движение молекул по спектрам поглощения света в близкой и средней инфракрасной области.

4. Комбинационное рассеяние света. Это раздел, изучающий колебательное движение молекул по рассеянию света в видимой области, дополняет инфракрасные спектры поглощения, позволяя полнее характеризовать колебательные движения в молекуле.

Абсорбционная молекулярная спектроскопия имеет дело со спектрами, характеризующими способность вещества поглощать энергию электромагнитного излучения. Основным законом современной абсорбционной спектроскопии является закон Бугера–Ламберта–Бера, связывающий интенсивности монохроматического светового потока, падающего на образец (I₀) и прошедшего через него (I) с характеристиками молекул поглощающего вещества и концентрацией его в образце:

где  - коэффициент экстинкции вещества, л/мольсм;

С–концентрация вещества, моль/л;

–толщина слоя, см.

В практической работе, как правило, используется не экспоненциальная форма записи закона Бугера-Ламберта-Бера, а логарифмическая:

где D–называется оптической плотностью образца.

В оптической плотности принято измерять поглощение света при работе в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. При работе в инфракрасной области поглощение света обычно измеряют в процентах пропускания Т%:

T = (I/I₀)100%

Спектры поглощения или пропускание, измеренные на современных фотоэлектрических спектральных приборах, представляют собой, как правило, зависимости вида D() или Т().

Оптическая схема спектрального прибора.

Спектральные приборы, предназначенные для работы в оптическом диапазоне частот, подразделяются:

• по спектральному интервалу на приборы инфракрасной (10¹²-410¹⁴Гц), видимой (410¹⁴-710¹⁴Гц). ультрафиолетовой (710¹⁴-1,510¹⁵Гц) и вакуумной (1,510¹⁵-10¹⁷Гц ) областей спектра;

– по принципу диспергирования на приборы призменные, дифракционные и интерференционные;

– по способу регистрации спектра на приборы визуальные (спектроскопы), фотографические (спектрографы) и фотоэлектрические (фотометры, спектрометры, спектрофотометры).

На рис. 1 представлена оптическая схема спектрального прибора.

Рисунок 1.

Источник 1 направляет луч сложного спектрального состава через осветительную систему 2 на входную щель 3. Расположенные за входной щелью 3 фокусирующая оптика 4 и диспергирующая система 5 создают в фокальной плоскости 6 монохроматические изображения входной щели, совокупность которых образует спектр. В фокальной плоскости 6 находятся выходная щель 7 и за ней регистрирующее устройство 8.

Основным типом спектральной аппаратуры, применяемой в молекулярном абсорбционном анализе, является спектрофотометр.