Sb95657

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

И. С. ЗАХАРОВ Т. В. КУСТОВ А. Н. ВЕЛИЧКО

ПРАКТИКУМ ПО СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИМ

МЕТОДАМ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

УДК 543.42.062(07)+535.243(07)+61(07) ББК В 344.1я7 + Б 1с11я7

З38

Захаров И. С., Кустов Т. В., Величко А. Н.

З38 Практикум по спектрофотометрическим методам контроля окружающей среды: учебн.-метод. пособие. СПб.: Изд-воСПбГЭТУ«ЛЭТИ», 2017. 35 с.

ISBN 978-5-7629-2045-2

Содержит ключевые положения и практические работы по фотометрическим методам контроля объектов окружающей среды. Формирует у студентов навыки практической работы с оборудованием и приборами по курсам «Методы и приборы контроля окружающей среды» и «Промышленная экология».

Предназначено для студентов бакалавриата направления 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профиль 20.03.01-04 «Инженерная защита окружающей среды») и студентов магистратуры направления 12.04.04-57 «Биотехнические системы и технологии» (профиль 12.04.04-57 «Биотехнические системы и технологии защиты окружающей среды»).

УДК 543.42.062(07)+535.243(07)+61(07) ББК В 344.1я7 + Б 1с11я7

Рецензент – д-р мед. наук, проф. А. О. Карелин (ФГБОУ ВО «Первый СПб гос. мед. ун-т»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Выполняя практические работы, студент должен следовать следующим правилам:

1.Ознакомиться с инструкцией по технике безопасности при работе в лаборатории.

2.Ознакомиться с описанием конкретной работы, уяснить цель работы и методику ее выполнения.

3.Ознакомиться с описанием прибора, на котором выполняется работа и методикой измерений на нем (Прил. 1 и 2).

4.Приготовить в строгом соответствии с методикой необходимые приборы, материалы, реактивы и посуду.

5.Получить у преподавателя или дежурного лаборанта разрешение на включение прибора.

6.Получить у преподавателя или дежурного лаборанта контрольную задачу и необходимые материалы.

7.По окончании работы выключить прибор, привести в порядок и сдать рабочее место лаборанту.

Оформить и сдать преподавателю отчет о проделанной работе.

3

Лабораторная работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА КОЛОРИМЕТРЕ

При выполнении лабораторной работы студенты приобретут навыки фотоколориметрии и ее основ, аппаратного обеспечения колориметра КФО, приготовления растворов для колориметрии и минимизации погрешностей при фотоколориметрическом анализе.

1.1. Теоретическая часть

Принцип фотоколориметрии. Фотоколориметрия предполагает измерение концентрации ионов, которые образуют цветное соединение. Некоторые соединения, например растворимые соли меди обладают голубой окраской. Ионы кадмия, алюминия и др. вступают в реакцию с индикатором, образуя цветной однородный раствор, поглощающий падающее излучение.

Если источник излучения (ИИ) с длиной волны расположен на одной оси с фотоприемником излучения (ФП), то поглощение характеризуется ве-

личиной оптической плотности D( ):

D( ) = – ln(ФПР/Ф0) = λ · с · b – закон Бера,

где Ф0 и ФПР – интенсивности падающего и поглощенного света; λ– молярный

коэффициент поглощения; С – концентрация поглощающего вещества, моль/л. Закон Бугера–Ламберта–Бэра. Методы анализа, основанные на измерении поглощения излучения молекулярной средой в видимой и УФ-областях, называют спектрофотометрическими. Единой теоретической базой всех разно-

видностей спектрофотометрии является закон Бугера–Ламберта–Бера:

A = kλ · l · с,

где A – поглощение или светопоглощение; k – коэффициент поглощения; l – толщина поглощающего слоя; с – концентрация поглощающего вещества, моль/л.

Коэффициент поглощения k в данном выражении равен оптической плотности при единичной концентрации и толщине слоя и в зависимости от способа их выражения и может иметь разные единицы измерения. В количественном анализе обычно концентрацию выражают в молях на литр, а толщину слоя в сантиметрах, тогда k называют молярным коэффициентом поглощения и обозначают буквой . Молярный коэффициент поглощения – важнейшая молекулярная характеристика, не зависящая от концентрации и

4

толщины поглощающего слоя. Она может служить объективным критерием чувствительности фотометрического определения. Светопоглощение подчиняется также закону аддитивности: оптическая плотность смеси веществ равна сумме оптических плотностей каждого из них (при условии подчинения закону Бугера–Ламберта–Бера). Для одной и той же длины волны и толщин слоев для смеси веществ

A = ε1l1c1 + ε2l2c2 + … + εnlncn.

Отклонения от закона Бугера–Ламберта–Бера. Поведение поглоща-

ющих свет систем подчиняется закону Бугера–Ламберта–Бера при определенных условиях. При нарушении этих условий молярный коэффициент поглощения изменяется. Если он уменьшается, наблюдаются отрицательные отклонения от закона, если возрастает – положительные отклонения. Причины отклонений от основного закона светопоглощения могут быть кажущимися и истинными. Кажущиеся причины, обусловленные немонохроматичностью светового потока, рассеянием света и случайными излучениями, называют инструментальными, а вызванные химическими взаимодействиями – химическими. Истинные причины связаны с изменениями в окружении поглощающих частиц при повышении концентрации и с допущениями, сделанными при выводе основного закона светопоглощения.

На результат измерений действуют следующие факторы, определяемые оптической схемой колориметра (Прил. 1):

–источник излучения;

–оптическая система источника излучения;

–среда внутри кюветного модуля;

–оптическая кювета для раствора, относительно которого происходят

измерения;

–оптическая система приемника излучения;

–оптический фильтр;

–приемник излучения;

–средства отображения информации (СОИ).

Условия минимизации погрешности при фотоколориметрическом анализе:

1. Проверка работы источника излучения с оптической системой:

а) при стабильном потоке падающего излучения в течение времени измерения;

5

б) при стабильном по направлению потоке падающего излучения и перпендикулярности его падения на кювету;

в) при сформированном потоке падающего излучения (постоянном по сечению);

г) при одинаковом угле наклона светофильтров разного цвета к падающему излучению.

2.Для проверки взаимодействия падающего излучения с кюветой необходимо:

а) измерять оптическую плотность тестируемого раствора относительно одного и того же раствора («холостой пробы»);

б) измерять оптическую плотность относительно падающего потока через кювету с чистой водой «холостой пробы»;

в) измерять проходящий поток через раствор без смещения кюветы с («холостой пробой»);

г) измерять падающий поток при одинаковом сечении по кювете (без расширения сечения падающего потока);

д) измерять падающий поток, падающий под прямым углом к кювете.

3.Минимизация воздействия среды на кюветный блок, т. е. среда не должна изменять освещенность фотоприемника и направление потока падающего излучения.

4.Учет воздействия на результат измерений корректности установки светофильтров:

а) светофильтр должен соответствовать методике измерения; б) светофильтр не должен иметь оптических дефектов;

в) светофильтр должен устанавливаться так, чтобы полностью перекрывать падающий поток источника излучения.

5.Минимизация воздействия механического блока перемещения кювет: а) фиксация кюветы в одном и том же положении относительно падаю-

щего потока излучения; б) стабильность чувствительности фотоприемника.

6.Проверка стабильности работы фотоприемника.

7.Соответствие оптических свойств раствора закону Бугера–Ламберта–

Бера. Чтобы выявить соответствие результатов экспериментов этомузакону, к колориметрам всегда прилагается набор кювет с разными длинами оптического пути, т. е. длины поглощающего раствора. При измерении оптической

6

плотности раствора с определенной концентрацией цветной соли график зависимости размера кюветы, оптической плотности и длиной оптического пути должен описываться графиком с линейной функцией тренда.

8. Работоспособность стрелочного измерительного прибора.

1.2. Методика проведения лабораторной работы

Цель работы – исследование оптических погрешностей в работе колориметра КФО для практических задач анализа объектов окружающей среды.

Экспериментальная часть 1

Оборудование, материалы, принадлежности: колориметр КФО, кюветы колориметрические, линейка, растворы соли меди, стакан с дистиллированной водой, стакан для водопроводной воды. Органические вещества, вызывающие мутность.

А. Подготовка прибора к работе

Познакомиться с порядком работы с колориметром КФО (Прил. 1) и техникой безопасности. Записать функции элементов прибора и органов управления в виде таблицы.

Б. Порядок проведения лабораторной работы:

1.Включить колориметр КФО. Установить светофильтр 1.

2.Открыть крышку кюветного модуля и убедиться, что он пуст, а световой поток падает на фотоприемник. Закрыть крышку кюветного модуля.

3.В соответствии с условиями минимизации погрешности при фотоколориметрическом анализе установить ручкой «Установка 100», коэффициент пропускания «90». Зафиксировать выборку значений через 5 с, получить выборку из 20 значений. Записать их в отчет.

4.Открыть крышку кюветного модуля.

5.В соответствии с условием минимизации погрешности при проведении фотоколориметрического анализа измерить линейкой диаметр проекции потока излучения через каждые 5 см. Зафиксировать изменение диаметра проекции и ее смещение относительно горизонтали и вертикали. Провести измерения 3 раза. Записать значения диаметра потока излучения в отчет.

6.Повторить измерения пп. 2–5 при светофильтрах (2–6).

7.Несколько кювет внимательно рассмотреть на свету. В соответствии с условием минимизации погрешности п. 2, отметить следующие факторы:

– запыленность (есть, нет);

– царапины (есть, нет);

– отпечатки пальцев (есть, нет).

7

Зафиксировать результаты в отчете.

8.В соответствии с условием минимизации погрешности при фотоколориметрическом анализе налить воду из крана с холодной водой в лабораторный стакан и сравнить с дистиллированной водой. Отметить следующие факторы:

– мутность (есть, нет);

– пузырьки (есть, нет);

– цветность (есть, нет);

– прозрачность (высокая, низкая);

– однородность состава среды (есть, нет). Записать полученные результаты в отчет.

9.Установить светофильтр 1. В соответствии с условиями минимизации погрешности фотоколориметрического анализа п. 7 открыть кюветный отсек и, плавно уменьшая поток излучения, наблюдать изменение хода стрелки, отмечая ее возможные скачки или торможение. Записать в отчет.

10.Установить светофильтр 1. Налить в кюветы с разной длиной оптического пути (внутренним размером) соли CuSO4 (1 г/л). В качестве «холо-

стой пробы» поставить кювету с дистиллированной водой. Измерить оптическую плотность для кювет с разной длиной оптического пути.

11.Провести опыты с использованием разных светофильтров.

12.Повторить работу пп. 10–11 для раствора соли с мутностью, образованной добавкой органических соединений.

Экспериментальная часть 2

Оборудование, материалы, принадлежности: колориметр КФО, рас-

творы соли меди, кюветы колориметрические, линейка, стакан с дистиллированной водой, стакан для водопроводной воды.

А. Подготовка прибора к работе:

Познакомиться с порядком работы с колориметром КФО и техникой безопасности.

Б. Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Включить колориметр КФО. Установить светофильтр 1.

2. Раствор соли меди с концентрацией 1 г/л налить в кювету так, чтобы его сечение полностью освещалось падающим потоком. Поставить его в измерительную часть, «холостую пробу» не ставить. В этом случае оптическая плотность измеряется относительно воздуха. Рычагом перевести отсек кюветного модуля в положение, при котором излучение прямо попадает на при-

8

емник, установить ручкой «Установка 100» значение максимума коэффициента пропускания 100 %. Рычагом перевести кюветный блок в положение, при котором излучение попадает на приемник через кювету с цветной солью. Открыть крышку кюветного блока и перекрыть источник излучения. Закрыть крышку и установить ручкой «Установка 0» значение «0». Записать цвет падающего потока. Открыть крышку кюветного модуля и удалить преграду для падающего потока. Измерить по стрелочному прибору коэффициент пропускания и оптическую плотность раствора.

3.Повторить последнюю часть эксперимента по п. 2 при переключении светофильтра в положение 2, 3, 4, 5 и 6. Затем в обратном и прямом порядке. Зафиксировать полученные значения. Записать их в отчет.

4.Установить светофильтр 1. Вылить из кюветы часть раствора соли, что-

бы поток излучения проходил только частично через цветной раствор (на ¾). Измерить процент пропускания и оптическую плотность. Повторить измерения с применением остальных светофильтров. Вылить раствор соли, чтобы он занимал сначала ½ часть сечения падающего потока, затем ¼ часть и повторить в предыдущей последовательности. Измеренные данные занести в отчет.

5.Установить светофильтр 1. Поставить кювету с раствором соли (1 г/л) так, чтобы сечение потока падающего излучения перекрывалось сечением налитого раствора. Вылить из кюветы с «холостой» пробой часть дистиллированной воды. Отрегулировать установку пропускания на 100 %. Провести опыты далее по п. 4.

6.Установить светофильтр 1. Открыть кюветный модуль и рычагом в место для «холостой» пробы поставить кювету, аналогичную по размерам, с дистиллированной водой, налитой так, чтобы сечение воды полностью освещалось падающим потоком. Закрыть кюветный модуль и установить процент проходящего потока с помощью ручки «Установка 100» на значение 100 %. Переключить рычагом положение кюветы с солью CuSO4 (1 г/л) так, чтобы

через нее проходил падающий поток излучения, и измерить процент проходящего потока. Переключить рычагом положение кюветы обратно на холостую пробу (с дистиллированной водой), затем снова на кювету с цветной солью. Повторить три раза. Записать значения в отчет.

7.Повторить п. 4 для остальных фильтров (2–6).

8.Установить светофильтр 1. Открыть кюветный модуль и заменить в кювете дистиллированную воду на водопроводную. Закрыть кюветный модуль и установитьпроцент проходящего потока с помощью регулятора «100», назначе-

9