По закону Бугера - Ламберта - Бера

Різноманітні речовини, а також окремі їхні функціональні групи не однаково поглинають світлові хвилі різної довжини. Якщо побудувати графік залежності оптичної густини речовини від довжини хвилі світла, що проходить крізь нього, то цей графік буде мати вигляд кривої із відповідними максимумами і мінімумами. Виміри оптичної густини речовини варто проводити при такий довжині хвилі, що відповідає максимальному поглинанню світла досліджуваною речовиною. При цьому досягається найбільша чутливість і точність визначення.

Оптична щільність – адитивна величина, тобто складається з оптичних щільностей усіх компонентів, що знаходяться в розчині:

. (10.3)

Якщо в кювету для порівняння помістити розчин, що містить усі компоненти в тих же концентраціях, що й у досліджуваному розчині, за винятком визначуваного компонента, то буде виміряна оптична щільність цього компонента. Тому розчин, що поміщається в кювету для порівняння, називають нульовим. У випадку двокомпонентної системи нульовим розчином є розчинник наприклад вода.

Існує декілька прийомів аналізу світлопоглинання. Найбільш простим і зручним є метод градуювальної кривої. Сутність цього методу полягає в наступному. Спочатку вимірюють оптичні щільності декількох (5…10) розчинів з відомою концентрацією (маються на увазі розчини тієї речовини, концентрація якої має бути визначена). Потім будують градуювальний графік, відкладаючи по осі ординат оптичну щільність, а по осі абсцис - концентрацію, як показано на рис. 10.1.

Після цього вимірюють оптичні щільності досліджуваних розчинів і за калібрувальним графіком знаходять їхні концентрації. Якщо ж у деякій області концентрації калібрувальний графік відхиляється від прямої, тобто спостерігається відхилення від закону Бугера - Ламберта - Бера, то виміри проводять при тих концентраціях, де цей закон виконується.

Причини відхилення від закону Бугера - Ламберта - Бера можуть бути різними. У деяких випадках залежність відхиляється від прямої при використанні немонохроматичного світла. Дисоціація, полімеризація забарвлених сполук, взаємодія їх із розчинником або іншими компонентами розчину також змінюють світлопоглинання. Часто колір розчину і його оптична щільність залежать від рН-середовища. Зміна оптичної щільності розчину може відбуватися внаслідок коагуляції, у деяких випадках - через руйнацію компонентів під впливом світла і т.п. Тому використовують свіжо виготовлені розчини, або добавляють до них стабілізатори. Якщо визначенню мішають сторонні забарвлені речовини, то виміри проводять при тій довжині хвилі, при котрій ці речовини не поглинають світло, або маскують її.

Прилади для визначення концентрації речовин у розчинах методом колориметрії

Прилади для визначення концентрації речовин у розчинах методом колориметрії називають колориметрами.

У даній лабораторній роботі використовується концентраційний фотоелектричний колориметр КФК-2.

Колориметр КФК-2 призначений для виміру коефіцієнтів пропускання й оптичної щільності рідинних розчинів і твердих тіл на 11 ділянках довжин хвиль діапазону 315...980 нм, що виділяються за допомогою світлофільтрів.

Прилад застосовується на підприємствах водопостачання, у металургійній, хімічній, харчовій промисловості, у сільському господарстві, у медицині й інших галузях.

Оптична схема колориметра КФК-2 представлена на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Оптична схема колориметра КФК-2

Пучок світла від освітлювача 1 через конденсор 2, діафрагму 3 і світлофільтр 4 падає на кювету 5 з досліджуваним розчином. Пройшовши через кювету, пучок розділяється на два пучки напівдзеркальною пластинкою 6. Один пучок з інтенсивністю І₁ =0,9 І_о падає на фотоелемент 9, а інший з інтенсивністю І₂ =0,1 І_о падає на більш чутливий фотодіод 8. Фотоелемент або фотодіод працюють неодночасно. Напруга, яка виникає в фотоелементі або фотодіоді, підсилюється і подається на мікроамперметр, шкала якого градуйована в одиницях оптичної щільності D і коефіцієнта пропускання T.

Загальний вигляд колориметра показаний на рис. 10.4.

Рис. 10.4 Загальний вигляд колориметра КФК-2:

1 - мікроамперметр; 2 - освітлювач; 3 - перемикач світлофільтрів;
4 - перемикач положення кювет у світловому пучку;
5 - перемикач чутливості; 6 – ручки встановлення 100

Усі 11 світлофільтрів колориметра вмонтовані в диск. Потрібний світлофільтр вводиться у світловий пучок перемикачем 3.

У кюветотримач кюветного відділення колориметра можна одночасно встановити 2 кювети. Переміщення кюветотримача з кюветами у кюветному відділенні здійснюється поворотом перемикача 4.

Чутливість колориметра регулюється за допомогою перемикача 5, який має 6 положень. Мінімальній чутливості приладу відповідає положення «1», позначене червоним кольором.

Як прилад реєстрування показань застосовано мікроамперметр 1 із шкалою, що оцифрована у значеннях коефіцієнта пропускання T і оптичної щільності D.

При перемиканнях світлофільтрів перемикач 5 «Чувствительность» повинний знаходитись в положенні «1» (мінімальна чутливість). Це не дозволяє перевантажити прилад.

При вимірюваннях зі світлофільтрами 315, 364, 400, 440, 490, 540 нм, відзначеними на лицьовій панелі колориметра чорним кольором, перемикач 5 «Чувствительность» встановлюють в одне з положень «1», «2», «3», відзначених на лицьовій панелі також чорним кольором.

При вимірюваннях зі світлофільтрами 590, 670, 750, 870, 980 нм, відзначеними на лицьовій панелі колориметра червоним кольором, перемикач 5 «Чувствительность» встановлюють в одне з положень «1», «2», «3», відзначених на лицьовій панелі колориметра також червоним кольором.

При роботі з колориметром слід дотримуватись наступних правил:

1. При встановленні кювет у кюветотримач не торкатися пальцями поверхонь кювет, через які проходить світло.

2. Наливати рідину в кювету до мітки на бічній стінці кювети.

3. Після завершення робіт з колориметром до його вимикання перемикач 5 «Чувствительность» встановити в положення «1» (мінімальна чутливість), позначене червоним кольором, а ручку 6 «Установка 100 грубо» - крайнє ліве положення, і тільки після цього виключити тумблер «Сеть» колориметра.

Підготовка до роботи

1. У мірні колби (починаючи з мірної колби № 1) відбирають піпеткою відповідно 2;4;6;8;10 мл еталонного розчину барвника. Далі в кожну колбу доливають дистильовану воду (до нижньої мітки на шийці колби) і перемішують воду з барвником. Таким чином, у кожній колбі отримано розчин барвника різноманітної концентрації. У мірну колбу помістити досліджуваний розчин.

2. Колориметр включити в мережу за 15 хв. до початку вимірів. Під час прогріву кюветне відділення повинно бути відкритим (при цьому шторка перед фотоприймачами перекриває світловий пучок).

3. Ввести необхідний по роду виміру кольоровий світлофільтр (670 - червоний колір).

4. Встановити мінімальну чутливість колориметра. Для цього ручку "Чувствительность" встановити в положення "1" (червоний колір), ручку "Установка 100 грубо" - у крайнє ліве положення.

5. Перед вимірами і при переключенні фотоприймачів перевірити установку стрілки колориметра на "0" по шкалі коефіцієнтів пропускання Т при відкритому кюветному відділенні. При зсуві стрілки від нульового положення, її підводять до нуля за допомогою потенціометра "Нуль", виведеного під шліц.

Вимірювання оптичної щільності

1. У світловий пучок помістити кювету з розчинником (водою), стосовно якого проводиться вимір.

2. Закрити кришку кюветного відділення.

3. Ручками "Чувствительность" і "Установка 100 грубо" і "Точно" установити відлік "0" по шкалі колориметра. Ручка "Чувствительность" може знаходитися в однім із трьох положень "1", "2", "3".

4. Потім, поворотом ручки 4 кювету з розчинником або контрольним розчином замінити кюветою з досліджуваним розчином.

5. Зняти відлік по шкалі Д в одиницях оптичної щільності для п'ятьох еталонних і досліджуваного, розчинів.

6. Вимір проводити 3-5 разів і остаточне значення величини, що вимірюється визначити, як середнє арифметичне з отриманих значень.

Визначення концентрації речовини в розчині

При визначенні концентрації речовини в розчині варто дотримуватись такої послідовності в роботі:

1. вибрати світлофільтр;

2. вибрати кювети;

3. побудувати градуювальну криву для даної речовини;

4. виміряти оптичну щільність досліджуваного розчину;

5. визначити концентрацію речовини в даному розчині.

Побудувати градуювальну криву в такий спосіб. Приготувати ряд розчинів даної речовини з відомими концентраціями, що охоплюють область можливих змін концентрацій цієї речовини в досліджуваному розчині.

Виміряти оптичні щільності всіх розчинів і побудувати криву градуювання, відкладаючи по горизонтальній осі відомі концентрації, а по вертикальній - відповідні їм значення оптичної щільності.

По градуювальній кривій визначити невідому концентрацію речовини в досліджуваних розчинах. Для цього розчин налити в ту ж кювету, для якої побудована градуювальна крива, і, включивши в той же фільтр, визначити оптичну щільність розчину. Потім по градуювальній кривій знайти концентрацію, що відповідає виміряному значенню оптичної щільності.

Контрольні питання

1. Пояснить закон Бугера - Ламберта - Бера.

2. Що таке оптична щільність розчину?

3. Принцип дії колориметра КФК-2.

4. Поясніть метод градуювальної кривої.

5. Джерела помилок у фотометрії.

Література

1. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. – М.: Химия, 1974.

2. Физико-химические методы анализа. Практическое руководство / Под ред. В.В. Алесковского и К.Б. Яцмирского. – М.: Химия, 1964.

3. Крешков А.П. Основы аналитической химии. - Т.2. - М.: Химия, 1976.

4. Практикум по физико-химическим методам анализа / Под ред. Петрухина О.М. – М.: Химия, 1987.

Колориметр КФК-2 призначений для вимірювань в окремих діапазонах довжин світлових хвиль, які виділяються за допомогою світлофільтрів, коефіцієнтів пропускання і оптичної щільності рідинних розчинів і твердих тіл, а також визначення концентрації речовин в розчинах методом побудови градуювальних графіків.

Колориметр КФК-2 дозволяє також проводити вимірювання коефіцієнтів пропускання розсфючих взвесей, емульсій та колоїдних розчинів у світлі, що проходить через рочин.

Фотоколориметрія застосовується на підприємствах водопостачання, в металургійній, хімічній, харчовій промисловості, в сільському господарстві, в медицині та інших галузях.

Ослаблення інтенсивності світла зумовлене поглинанням і розсіюванням на неоднорідностях середовища. Закон, що описує це явище, називається законом Бугера-Ламберта-Бера

Закон поглинання світла зафарбованими розчинами використовується в лабораторному аналізі для визначення їх концентрації. Цей метод називається колориметрією. Методом колориметрії в медицині можна визначати концентрацію кисню та цукру в крові тощо.

З акон Бугера - Ламберта - Бера – закон, який визначає ослаблення параллельного монохроматичного пучка світла при розповсюдженні його у поглинаючому середовищі (розчині).

Закон выражається формулою:

где I ₀ – інтенсивність вхідного пучка світла; l – товщина шару розчи ну, через яку проходить світло; k _λ — показник поглинання, що характеризує здатність речовини поглинати світло і залежить від довжини хвилі світла, яке поглинається.