Sb95657

= (J/J0) · 100 %,

где J0 – фототок, соответствующий полному световому потоку Ф0; J – фототок,

соответствующий световому потоку Ф, прошедшему через измеряемую среду. Вторая шкала измерительного прибора проградуирована в единицах оп-

тической плотности D.

Оптическая схема прибора приведена на рисунке.

5

Оптическая схема колориметра: 1 – электрическая лампа; 2 – светофильтр; 3 – конденсор; 4 – кюветы; 5 – защитная шторка;

6 – оптический серый клин; 7 – фотоприемник

Вфотоэлектрическом однолучевом колориметре (КФО) в световой пучок поочередно помещается то измеряемый образец, то образец сравнения.

Вкачестве приемника излучения (7) используют селеновый фотоэлемент. Даже когда на фотоэлемент не попадает видимый свет, все равно в цепи фотоэлемента протекает так называемый темновой ток, обусловленный тепловым излучением и контактной ЭДС. Поэтому прежде чем выполнять измерения, необходимо компенсировать темновой ток таким образом, чтобы он не учитывался при определении отношения фототока, возникающего при освещении фотоэлемента световым потоком, прошедшим через кювету сравнения (4), и фототока, возникающего при освещении фотоэлемента световым потоком, прошедшим через кювету с образцом (4). Это процедура установки «0».

Кроме того, шкала отсчетного устройства должна быть проградуирована так, чтобы при измерении фототока, возникающего при освещении эталона, показания отсчетного устройства соответствовали 100 % пропускания. Градуировка выполняется изменением интенсивности падающего на фотоприемник светового потока и варьированием толщины находящегося в зоне действия пучка фотометрического клина (6). Это процедура установки «100 %».

Порядок работы с прибором

1.Включить прибор в сеть. Тумблер «Вкл.» находится на задней панели прибора. Дать прогреться в течение 20 минут.

2.Заполнить кюветы исследуемым раствором и эталонной жидкостью

до меток, указанных на кювете. Поместить кюветы в колориметр.

21

3.Ввести требуемый светофильтр 3 (рисунок).

4.Не закрывая крышку кюветного отделения 2 (рисунок), скомпенсиро-

вать темновой ток. Для этого ручкой 6 (рис. 2.2) установить «0» на шкале .

5.Закрыть крышку кюветного отделения. Ввести с помощью ручки 4 (рисунок) в световой пучок кювету с эталоном. Ручкой 5 установить «100 %» на шкале измерительного прибора.

6.Ввести в световой пучок кювету и исследуемым раствором ручкой 4 (рис. 2.2). Снять показания коэффициента пропускания и оптической плотности по зеркальной шкале измерительного прибора.

Действия п. п. 4 и 5 повторяют при каждом измерении.

1.2. Методика проведения лабораторной работы

Цель работы – получение и исследование спектра поглощения раствора; определение концентрации раствора.

Оборудование, материалы, принадлежности: колориметр КФО, кюветы колориметрические, линейка, растворы соли меди, стакан с дистиллированной водой, растворы сернокислого никеля концентраций 2, 4, 6 и 8 % и один образец неизвестной концентрации.

Определение концентрации раствора. Измерения выполняют на том участке спектра, для которого оптическая плотность мало зависит от длины волны. (Длина волны определяется в первом задании). Измерения выполняются на колориметре КФО.

1.Включить прибор и прогреть в течение 20 мин. Установить светофильтр, вырезающий требуемый участок спектра.

2.Заполняя кюветы поочередно раствором сернокислого никеля различной концентрации, измерить (как это описано в порядке работы на колориметре) оптическую плотность каждого раствора. Результаты измерений занести в табл. 3.2.

Таблица 3.2

х

1.Построить градуировочный график зависимости D = D (C).

2.По градуировочному графику определить концентрацию неизвестного раствора.

22

Контрольные вопросы

1.Какие задачи решает колориметрия?

2.Опишите закон Бугера.

3.Приведите оптическую схему колориметра

4.Что такое коэффициент пропускания?

5.Каково предназначение колориметра?

Лабораторная работа 4. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ КОЛОРИМЕТРИЯ

Лабораторная работа способствует:

–изучению основ фотоколориметрии;

–овладению аппаратным обеспечением колориметра КФО;

–получению навыка приготовления растворов для колориметрии;

–приобретению навыков определения концентрации вещества в исследуемых растворах по градуировочной кривой.

1.1. Теоретическая часть

При пропускании света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Уменьшение интенсивности светового излучения является следствием взаимодействия световой волны с электронами вещества, в результате чего часть световой энергии передается электронам. Это явление получило название поглощения света. Опытным путем убедимся в действии закона поглощения света веществом. Пусть через однородное вещество проходит пучок параллельных монохроматических лучей длиной волны λ. Выделим элементарный участок слоя вещества толщиной dl (рисунок). При прохождении света через такой участок его интенсивность I ослабляется. Изменение интенсивности dI пропорционально интенсивности падающего света и толщине слоя dl:

где – монохроматический натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств среды. Знак «–» означает, что интенсивность света уменьшается.

разделив переменные:

Схемаобоснованиязаконапоглощениясвета

23

В результате получим

InI InI0 l,

откуда

I I0 exp( l).(4.2)

Это закон Бугера. Он подтверждает, что интенсивность света уменьшается в геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии. Натуральный монохроматический показатель поглощения является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсив-

ность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз. Иногда закон Бугера записывают в виде

I I010 1 1

где 1 – монохроматический показатель поглощения.

Свет различных длин волн поглощается веществом по-разному, поэтому показатели поглощения и 1 зависят от длины волны.

Монохроматический натуральный показатель поглощения раствора поглощающего вещества в не поглощающем растворителе пропорционален концентрации с раствора (закон Бера):

где – натуральный показатель поглощения, отнесенный к концентрации

вещества.

Закон Бера выполняется только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах он нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества. Подставляя выражение (3) в (2), получаем закон Бугера–Ламберта–Бера:

ская плотность вещества равна

Из выражений (4.4) и (4.5) получаем

24

Закон Бугера–Ламберта–Бера лежит в основе концентрационной колориметрии – фотометрических методов определения концентрации ве-щества в окрашенных растворах. В концентрационной колориметрии используются методы, связанные с той или иной формой фотометрии, т. е. изменением интенсивности света. Для этой цели используют фотоэлектроколориметры.

1.2. Методика проведения лабораторной работы

Цель работы: определить неизвестную концентрацию раствора перманганата калия KMnO4 (выдается преподавателем).

Оборудование, материалы, принадлежности: колориметр КФО, кюветы колориметрические, линейка, KMnO4, стакан с дистиллированной водой, 6 чистых стаканов, пипетки.

Определение концентрации вещества. При определении концентра-

ции вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность

вработе:

–выбор избирательного поглотителя;

–выбор кюветы;

–построение градуировочной кривой для данного вещества;

–измерение коэффициента пропускания исследуемого раствора и определение концентрации вещества в растворе.

Порядок выполнения работы:

1. Приготовить растворы перманганата калия с концентрацией раство-

ренного вещества 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 %.

2. Выбор избирательного поглотителя. Комплект избирательных поглотителей в приборе позволяет подобрать такие условия для измерений, когда погрешность в определении концентрации будет наименьшей. Выбор избирательного поглотителя выполняется следующим образом:

–для двух растворов, отличающихся по концентрации на 10–15 %, измеряется коэффициент пропускания каждого избирательного поглотителя;

–тот избирательный поглотитель, для которого разница в оптической плотности для двух испытуемых концентраций имеет максимальное значение, выбирается для работы с данным раствором. Связь между коэффициентом пропускания τ и оптической плотностью D определяется формулой: D = –lgτ. Для расчетов, связанных с переходом от значений коэффициентов пропускания к оптической плотности и обратно, следует воспользоваться табл. 4.1.

25

В первом столбце таблицы даны значения оптической плотности D через 0,1, а в верхней строке помещены ее сотые доли. На пересечении строки со столбцом выбираются соответствующие значения коэффициента пропускания. По этой таблице можно найти значения оптической плотности, отвечающие любым значениям коэффициента пропускания от 0,081 до 1. При отыскании значений оптической плотности, соответствующих значениям коэффициентов пропускания меньшим 0,081, следует сначала увеличить данный коэффициент пропускания в 10 раз, затем найти по таблице значение оптической плотности, соответствующее полученному коэффициенту пропускания, и к этому значению оптической плотности добавить единицу.

Таблица 4.1

Измерение коэффициента пропускания раствора:

1.Установите при закрытой шторке (открытой крышке кюветного отделения) ручкой «0» по шкале микроамперметра.

2.Закрепите в одном гнезде кюветодержателя кювету с растворителем, во втором – кювету с измеряемым образцом. Установите кюветодержатель в кюветное отделение. С помощью ручки кюветы поместите в световой пучок образец с растворителем. Закройте крышку кюветного отделения и с помощью ручки «Установка 100» выставьте отсчет «100» по шкале измерительного прибора.

3.Поместите в световой пучок кювету с раствором и снимите отсчет N по шкале измерительного прибора. Отсчет N соответствует коэффициенту пропускания измеряемого образца. Для повышения точности измерений рекомендуется выполнять по три измерения и вычислять среднее арифметическое результатов трех измерений.

Примечание. Пункт 2 («Установка 100») выполнять для каждого нового светофильтра.

Результаты измерений по выбору избирательного поглотителя занести в табл. 4.2, где D1 и D2 – оптические плотности растворов с концентрациями

KMnO4 0,1 и 0,2 % соответственно.

26

Построение градуировочной кривой. Используя приготовленные раство-

ры KMnO4, измерить их коэффициент пропускания и определить оптические плотности. Результаты занести в табл. 4.3:

По полученным данным построить градуировочную кривую, откладывая по горизонтальной оси известные концентрации, а по вертикальной – соответствующие им значения оптической плотности.

Измерение коэффициента пропускания исследуемого раствора и определение концентрации вещества в растворе. Преподавателем предлагается рас-

твор, концентрацию которого нужно определить. Неизвестную концентрацию вещества в исследуемых растворах определяют по градуировочной кривой. Для этого раствор наливают в ту же кювету, для которой построена градуировочная кривая и, включив тот же поглотитель, измеряют коэффициент пропускания, определяя оптическую плотность раствора. Затем по градуировочной кривой находят концентрацию, соответствующую измеренному значению оптической плотности. Часто в работе бывает удобнее пользоваться градуировочными таблицами, которые составляются по данным градуировочной кривой.

Контрольные вопросы:

1.В чем заключается явление поглощения света?

2.Выведите формулу закона Бугера.

3.Что называется коэффициентом пропускания и оптической плотностью вещества?

4.Сформулируйте закон Бугера–Ламберта–Бера.

5.Вчемзаключаетсясущностьметодаконцентрационнойколориметрии?

6.Опишите принцип действия фотоэлектрического компенсационного колориметра.

27

ПРИЛОЖЕНИЯ

1.Техническое описание прибора КФО

1.Назначение. Колориметр фотоэлектрический однолучевой КФО предназначен для измерения коэффициентов пропускания прозрачных сред в видимой области спектра.

Прибор КФО может быть использован при колориметрическом анализе в лабораторном и технологическом контроле, а также при научных исследованиях в различных областях науки и народного хозяйства (биофизике, биохимии, биологии, медицине, металлургии, геологии, сельском хозяйстве и др.).

Эксплуатировать прибор можно только в помещении при температуре окружающей среды в пределах от 10 до 35 °С при относительной влажности воздуха 65 ± 15 %.

2.Технические данные:

1.Пределы измерения коэффициента пропускания 100 ± 5 %.

2.Приведенная погрешность измерений (абс) ± 1,5 %.

3.Случайная погрешность измерений, характеризуемая размахом, (абс)

0,5 %.

4.Дополнительная погрешность прибора при изменении температуры окружающего воздуха от +20 до +35°С и от +20 до +10 °С, но не более 1/2 приведенной погрешности.

5.Дополнительная погрешность от изменения напряжения питания на ±22 В от номинального значения, но не более 1/3 приведенной погрешности.

6.Спектральный диапазон работы прибора 400–700 нм.

Выделениеотдельных участков спектра обеспечивается пятью стеклянными избирательнымипоглотителямиспараметрами, приведеннымивтабл. П.1.1.

7.Источник излучения – лампа накаливания РНб-7,5.

8.Приемник излучения – селеновый фотоэлемент ФЭС-Т.

9.Измерительный прибор – микроамперметр М907, шкала 100 мкА – 100 делений.

28

10.Прибор допускает непрерывную работу в нормальных условиях в течение8 часовприизменениитемпературывтечениеэтоговременинеболее± 5°С.

11.Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 ± 22 В, частотой 50 ± 0,5 Гц.

12.Мощность, потребляемая прибором, не превышает 22 Вт.

13.Габаритные размеры 235×315×300 мм.

14.Масса не более 9 кг.

3. Устройство прибора. Принцип работы прибора заключается в измерении отношения двух световых потоков – полного и прошедшего через измеряемую среду – методом пропорциональных отклонений.

На фотоприемник поочередно направляются световые потоки: полный Ф0 и пропущенный через измеряемую среду Ф.

Коэффициент пропускания измеряемой среды, представляющий собой отношение этих потоков, определяется по шкале микроамперметра, т. е.:

II0100 %,

где I0 – фототок, соответствующий полному световому потоку Ф0; I – фототок, соответствующий световому потоку Ф, прошедшему через измеряемую среду.

Оптическая схема прибора – одноканальная. Источник света помещен в фокальной плоскости конденсора, после которого через кюветы и до фотоприемника идет параллельный пучок света. Для выделения отдельных участков спектра используются поглотители из цветного стекла. Шторка служит для перекрытия светового потока, падающего на фотоприемник.

Фотометрический клин, установленный перед фотоприемником, предназначен для выставления отсчета «100» по шкале микроамперметра. Плотность клина меняется от 0,5 до 1,7.

В прибор, изготовленный в виде одного блока, входят следующие основные узлы: осветитель, узел поглотителей, конденсатор, кюветная камера, держатели кювет, фотометрический клин, измерительная часть электросхемы, измерительный прибор, блок питания.

Осветитель состоит из лампы накаливания, установленной в патроне, и держателя патрона. Конструкция держателя патрона обеспечивает перемещение лампы в трех взаимно перпендикулярных направлениях для ее правильной установки.

29

Узел поглотителей состоит из шести стеклянных поглотителей в оправах, которые установлены в диске, вращаемом рукояткой (избирательные поглотители). Положение каждого поглотителя в световом пучке фиксируется.

Цифры у выступа ручки «Поглотители» 1 (рис. П.2) показывают, какого цвета поглотитель введен в световой пучок:

1 – синий;

2– сине-зеленый;

3– зеленый;

4– оранжевый;

5– красный;

6– неизбирательный.

Неизбирательный поглотитель 6 из нейтрального стекла с коэффициентом пропускания τ = 30 % позволяет проводить измерения во всем спектральном диапазоне работы прибора при том же уровне освещенности на фотоприемнике, что и при работе с избирательными поглотителями.

Кривыехарактеристикизбирательныхпоглотителейприведенынарис. П.1.

Рис. П.1. Кривые характеристик избирательных поглотителей

В кюветодержатель устанавливают кюветы с исследуемым раствором и растворомсравненияипомещаютеговкюветноеотделениеприбора5 (рис. П.2).

Кюветодержатель устанавливают в кюветное отделение на столик так, чтобы две маленькие пружины находились с задней стороны.

Переключение кювет в световом пучке выполняется поворотом ручки «Кюветы» до упора 2 (рис. П.2). При измерениях крышку кюветного отделения 5 нужно закрывать до упора. При открывании крышки кюветного отделения шторка внутри кожуха закрывает окно перед фотоэлементом.

30