В.Т. КАЗУБ, Р.А. ВОДОЛАЖЕНКО,

С.В. ВОРОНИНА, А.Г. КОШКАРОВА

КОЛОРИМЕТРИЯ

2

3

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пятигорская государственная фармацевтическая академия

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, р.А. Водолаженко, с.В. Воронина, а.Г. Кошкарова

КОЛОРИМЕТРИЯ

Методические указания к лабораторным занятиям

по физике для студентов дневного отделения

Пятигорск 2011

4

УДК 535.37:543.426 (078) ББК 22.535 я 73

К 61

Рецензент: к. ф.-м. н., доцент кафедры информатики и математики ГОУ ВПО Пятигорского филиала Российского государственного торгово-экономического университета Болгова Ю. А.

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, С.В. Воронина, А.Г. Кошкарова.

К 61 Колориметрия: методические указания к лабораторным занятиям по физи-ке для студентов очного отделения/ В.Т. Казуб [и др.]. - Пятигорск: Пятигор-ская ГФА, 2011. – 26 с.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с програм-мой по физике для студентов фармацевтических вузов и содержит теоретиче-ский материал по теме «Колориметрия», раздел, посвященный практическому использованию колориметра концентрационного КФК-2, а также задание к ла-бораторным работам. Методические указания содержат список рекомендован-ной литературы.

УДК 535.37:543.426(078) ББК 22.345 я 73

Допущено к внутривузовскому изданию Председатель ЭМС

Проф. В.В. Гацан

Протокол № 334 от 9 сентября 2011 г.

© Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2011

5

Теоретическая часть

Фотометрические методы анализа

Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излуче-

ния анализируемыми веществами, составляют обширную группу абсорбцион-

ных оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализи-

руемых веществ переходят в новое, возбужденное состояние. В зависимости

от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной

энергии различают:

 атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении свето-

вой энергии атомами анализируемых веществ;

 молекулярный абсорбционный анализ это анализ поглощения све-

та молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и ин-

фракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-

спектроскопия);

 турбидиметрия, нефелометрия – анализ поглощения и рассеяния

световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества;

 люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на

измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбуж-

денными молекулами анализируемого вещества.

Фотоколориметрия и спектрофотомерия основаны на взаимодействии из-

лучения с однородными системами, и их обычно объединяют в одну группу

Фотометрических методов анализа.

В фотометрических методах используют избирательное поглощение света

молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет

представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энер-

гия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате по-

глощения излучения молекула поглощающего вещества переходит из основно-

го состояния с минимальной энергией E₁ в более высокое энергетическое со-

стояние Е₂. Электронные переходы, вызванные поглощением строго опреде-

6

ленных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго опреде-

ленных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул.

Причем поглощение света происходит только в том случае, когда энергия по-

глощаемого кванта совпадает с разностью энергий ΔЕ между квантовыми энер-

гетическими уровнями в конечном (E₂) и начальном (E₁) состояниях погло-

щающей молекулы:

hv = ΔЕ = Е₂ – E₁,

где h – постоянная Планка (h = 6,62510^–34 Джс); v – частота поглощае-мого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выра-жается отношением скорости распространения излучения с (скорости световой

волны в вакууме) к длине волны λ; v = с/λ. Частота излучения v измеряется в герцах (Гц). 1 Гц = 1 с ^–1.

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 инфра-

красной 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 моно-

хроматического света и фотоколориметрический – анализ по поглощению по-

лихроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра.

Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглоще-

нием и концентрацией поглощающего вещества.

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться

из-за его поглощения и рассеяния. Поглощением света называют ослабление

интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие пре-

вращения световой энергии в другие виды энергии. При поглощении света мо-

гут происходить нагревание вещества, ионизация и фотохимические процессы.

7

Закон, описывающий поглощение, называют законам Бугера. Закон опре-

деляет ослабление пучка монохроматического света при его прохождении через

поглощающее вещество. Если интенсивность пучка света, падающего на слой

вещества толщиной , равна J₀ (рис.1), то, согласно закону Бугера интенсив-

ность пучка на выходе из слоя будет равна

J J₀ e^k, (1) где k - показатель поглощения, различный для разных длин волн , но не

зависящий от интенсивности света J. Следует отметить, что данный закон спра-ведлив не только для интенсивности света J, но и для силы света I и светового потока .

Рис. 1. Ослабление интенсивности света за счет поглощения

Из формулы (1) следует, что при l ¹ отношение ^J ek1 e. Следо-0

вательно, коэффициент поглощения вещества есть величина, обратная толщине

такого слоя данного вещества, при прохождении которого интенсивность света

ослабляется в е раз. Для различных веществ коэффициент поглощения различ-ный, например, для воздуха при нормальном давлении k имеет порядок 10^-3 м^-1, а для стекла 1 м^-1. Коэффициент поглощения обладает селективным (избира-

тельным) поглощением, т. е. значение коэффициента поглощения зависит от

длины волны света. Так, например, обыкновенное стекло хорошо пропускает

видимый свет, но значительно ослабляет инфракрасное излучение и почти пол-

ностью поглощает ультрафиолетовое излучение (загорать за стеклом нельзя).

Для растворов показатель поглощения k можно представить в виде про-

изведения концентрации поглощающего вещества C на удельный показатель

k

J

k

8

поглощения ' , характеризующий ослабление пучка света в растворе единич-

ной концентрации и зависящий от природы, состояния вещества и длины све-

товой волны . Тогда закон Бугера примет вид (закон Бугера – Ламберта – Бе-

ра):

J J₀ e^{'C}.

Закон Бугера-Ламберта-Бера открыт экспериментально французским уче-ным П. Бугером в 1729 г., выведен теоретически немецким ученым К. Ламбер-том в 1760 г., а для растворов сформулирован немецким ученым А. Бером в 1852 г.

В лабораторной практике закон Бугера–Ламберта–Бера обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:

J J₀10^{C} ,

где – молярный показатель поглощения0,43' . Обычно относят к

какой-либо длине волны и называют монохроматическим молярным показате-

лем поглощения _.

Физический смысл закона состоит в утверждении независимости процес-

са потери фотонов от их плотности в световом пучке, т.е. от интенсивности све-

та, проходящего через вещество. Это утверждение справедливо в широких пре-

делах, однако, когда интенсивность света очень велика (например, излучение лазера), становится зависящим от интенсивности и закон перестает быть

справедливым. Это имеет место и при высоких значениях концентрации в газах

и растворах. Вследствие взаимодействий между молекулами поглощающего вещества уже не будет постоянной величиной.

Отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное тело или рас-

твор, к потоку излучения, упавшего на это тело, называют коэффициентом про-

пускания:

T ^J . 0

J

9

Десятичный логарифм величины обратной коэффициенту пропускания

называют оптической плотностью раствора:

D g^_T ^lg_{J }_C .

Таким образом, оптическая плотность раствора линейно зависит от его

концентрации.

Определение концентрации растворов одна из многочисленных исследо-

вательских задач. С величиной концентрации связано большое количество раз-

личных параметров, представляющих практический интерес для специалистов

аналитического профиля. Превышение или недостаток растворенного вещества

в растворе лекарственного препарата грозит нарушением качества лекарства, а,

следовательно, может нанести вред здоровью пациента.