книги из ГПНТБ / Рухлядева А.П. Технохимический контроль спиртового производства
.pdfпри этом должна загореться сигнальная лампа на уси лителе и осветиться шкала прибора 3.
После прогрева прибора в течение 2—3 мин обра щают внимание на положение шкалы— нулевой штрих по шкале и нониусу должны быть приблизительно сов
мещены. |
Если |
этого не |
наблюдается, то через 10— |
15 мин |
после |
включения |
прибора необходимо устано |
вить шкалу на нуль. Для этого с помощью специаль ной отвертки освобождают фиксирующий винт поляри затора-модулятора и ключом регулировки винта доби ваются совмещения нулевых штрихов шкалы и нониуса.
Затем проверяют переключателем воспроизводимость показаний прибора на нуль, для чего шкалу отклоняют вправо и влево от положения баланса и отпускают переключатель. После двух-трех колебаний шкала должна установиться на нуле. После проверки нуля прибора вставляют в кюветодержатель 4 кювету с испытуемым раствором и проводят отсчет.
Измерение на приборе производят при закрытых крышках термокамеры и кожуха измерительного блока.
Поляриметры марки А 1-ЕП Л выпускаются со шкала
ми в Международных сахарных градусах |
(S°) и круго |
|
вых градусах. |
S0 |
Круговые градусы |
Пределы измерения . . . . . . |
от —40 до -f-110 |
от —25 до -|-25 |
Цена деления нониуса . . . . |
0,05 |
0,02 |
Допустимая погрешность . . . |
±0,05 |
±0,02 |
Колориметрический метод
Основы метода. Колориметрические методы анализа основаны на сравнении интенсивностей окрасок иссле дуемого раствора и раствора с определенной концен трацией — стандартного. Измерение интенсивностей окрасок проводится на фотоэлектроколориметрах, что обеспечивает объективность и точность анализа.
Фотоэлектроколориметрия связана с применением фотоэлементов и основана на использовании явления фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта).
Фотоэффектом называется явление отрыва электро нов от атомов вещества под действием светового по тока. Величина фотоэффекта увеличивается с увеличе нием интенсивности светового потока. В фотоэлементах
20
прибора световая энергия преобразуется в электриче
скую,Основнойв результатезакон колориметриичего возникает ток, который реги |
||||
стрируется гальванометром. |
(закон |
Бугера — Лам |
||
берта— Бера). Если световой поток,1Х |
интенсивность ко |
|||
торого /о, попадает на кювету с окрашеннымІа |
раство |
|||
ром, то часть его интенсивностью |
отразится |
от по |
||
верхности, другая часть интенсивностью |
It будет погло |
|||
щена раствором, а часть интенсивностью |
пройдет че |
|||
рез кювету с раствором. Это можно |
записать |
в виде |
||
уравнения |
/,. |
|
|
(3) |
/о = /а+// + |
|
|
На практике обычно пользуются кюветами одного размера, поэтому -интенсивность отраженного светового потока (7т) постоянна и невелика и ею можно прене бречь. При этих условиях приведенное выше уравнение примет вид:
Io = Ia + I f |
(4) |
Непосредственными измерениямиІа |
можно определить |
только две величины: /0 и /;. Величина интенсивности |
|
поглощенного светового потока |
непосредственному |
измерению не поддается и может быть найдена по раз ности между ними.
Бугером и Ламбертом был сформулирован закон, со гласно которому слои окрашенного вещества одинако вой толщины при прочих равных условиях всегда по глощают одну и ту же часть падающего на них свето вого потока.
Поясним это на примере. Допустим, что световой по ток, интенсивность которого /0 составляющий 100 уел. ед., проходит через слой раствора толщиной I и теряет половину интенсивности. Из раствора в этом случае выйдет световой поток интенсивностью 50 уел. ед. Если этот поток света пропустить через второй слой такой же толщины, он снова потеряет половину интенсивно
сти и на выходе будет |
иметь интенсивность 25 уел. ед. |
и т. д. |
интенсивностью светового пото |
Зависимость между |
ка, прошедшего через слои различной толщины, и тол щиной этих слоев можно представить графически, от кладывая по оси абсцисс толщину поглощающих слоев, а по оси ординат — интенсивности прошедшего светово
21
го потока. В результате получается кривая, представ
ленная на рис. 9.
Математически эта зависимость выражается урав
нением |
/, = |
І0е~к'1, |
(5) |
|
|
— коэффициент |
|
||
где е — основание натуральных логарифмов; |
|
|||
k' |
|
поглощения; |
|
|
/ — толщина слоя, поглощающего свет. |
|
Рис. 9. Кривая зависимости ин тенсивности прошедшего свето вого потока от толщины по глощающего слоя.
Толщина поглощающего слоя, мм ( |
лога |
Если в основу положить десятичную систему |
|
рифмов, то получится уравнение вида |
(6) |
/, = /.10-**. |
В этом уравнении k называется коэффициентом пога шения. Поглощающая способность любого раствора может быть вполне охарактеризована этим коэффици ентом, имеющим вполне определенное числовое зна чение. ''
Действительно, предположим, что интенсивность све тового потока после прохождения его через слой ра створа уменьшилась в 10 раз, т. е.
//До = 1 / 1 0 = 10-1; /<//„ = 10-1 = 10 -**; — Н = - 1;
k l= 1, отсюда k=l/l.
Следовательно, коэффициент погашения численно равен величине, обратной толщине слоя раствора, ослабляющего интенсивность проходящего через него светового потока в 10 раз.
Коэффициент погашения k зависит лишь от природы растворенного вещества и длины волны падающего света.
22
Таким образом, закон поглощения света Бугера — Ламберта справедлив только для монохроматического света — света определенной длины волны. Но, как уста новил Бер, коэффициент погашения k пропорционален также концентрации поглощающего вещества
|
fe = eC, |
(7) |
где в — коэффициент, не зависящий от концентрации; |
|
|
С — концентрация вещества в растворе. |
|
|
Закон |
Бера рассматривает изменение поглощения |
|
светового |
потока слоем раствора постоянной |
толщины |
как функцию его концентрации. Этот закон аналогичен закойу Бугера — Ламберта, который рассматривает из менение поглощения светового потока раствором посто янной концентрации как функцию толщины поглощаю щего слоя.
Объединив выражения (б) и (7), получим уравнение
основного |
закона |
колориметрии — закона |
Бугера — |
||||
Ламберта — Бера, |
где величина поглощения |
выражена |
|||||
в зависимости от обоих факторов |
|
|
(8) |
||||
Если концентрация |
hС= |
'о • Ю -еСг. |
|
|
|||
I |
выражена в |
грамм-молях на |
|||||
литр, а толщина слоя |
— в сантиметрах, |
то |
коэффи |
||||
циент е называют молярным коэффициентом |
погаше |
||||||
ния. Он соответствует погашению молярного |
раствора |
||||||
анализируемого вещества |
и является |
для |
него харак |
||||
терной и |
постоянной |
величиной, зависящей |
только от |
длины волны падающего света и температуры раствора.
Кривая |
зависимости |
коэффициента |
погашения от |
|
длины волны называется |
спектрометрической кривой, |
|||
которая охватывает все |
области |
спектра — ультрафио |
||
летовую, видимую и инфракрасную. |
характерную |
|||
Каждое |
исследуемое соединение |
имеет |
спектрофотометрическую кривую с одним или несколь кими максимумами поглощения света, имеющими место при определенной длине волны.
Так, на рис. 10 приведена спектрометрическая кривая раствора, полученного при взаимодействии глюкозы, мальтозы и крахмала с антроном в сильнокислой сре де *. По кривой видно, что в данном случае имеется два1
1 Химизм реакции углеводов с антроном приведен на стр. 104.
23
максимума: небольшой максимум при Я= 440 нм и ос новной максимум при Х = 610 нм.
Более точные колориметрические данные могут быть получены именно при той длине волны, которая соот ветствует максимуму на спектрофотометрической кри-
Рис. 10. Спектрофотометрические кривые углеводов, обработанных антроном:
/ — глюкоза; 2 — мальтоза; 3 — растворимый крахмал.
вой (в приведенном примере— при Я= 610 нм). Поэто му колориметрические исследования обычнее проводят, пользуясь монохроматическим светом, полученным большей частью при помощи светофильтров.
Коэффициент погашения зависит также от природы растворителя, в котором растворено данное вещество. Например, молярный коэффициент погашения глюкозы в водном растворе при его реакции с антроном при К = 610 нм равен 2463, а в водно-спиртовом с концентра цией спирта 82% равен 3095.
В колориметрии имеют значения следующие .фото метрические величины, которые выводятся из основного уравнения (8) путем его преобразования:
24
1) |
пропускание или прозрачность |
Т |
|
|
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
Т = |
/,//„ = |
10~ eC/. |
|
|
(9) |
Прозрачность — есть |
отношение интенсивности |
свето |
|||||||
вого потока, |
Т,прошедшего через раствор /< |
к интенсив |
|||||||
ности падающего светового потока /о- |
в 1 см, назы |
||||||||
Величина |
отнесенная к толщине слояD, |
||||||||
вается коэффициентом пропускания; |
|
или |
экстин- |
||||||
2) |
погашение, оптическая плотность |
||||||||
ция |
Е |
— логарифм величины, |
обратной |
пропусканию |
|||||
|
|
|
E = |
D = \ g \ / T = |
\ g I 0/ I t = zCl. |
(или |
(10) |
||
Таким образом, |
определив |
величину D |
Е), мы |
тем самым можем определить концентрацию исследуе мого вещества.
Если изобразить графически зависимость оптической плотности (погашения) от концентрации, откладывая по оси абсцисс концентрацию, а по оси ординат— опти ческую плотность, то получим на графике кривую в ви
де прямой линии, идущей от начала |
координат, при |
|
чем наклон этой линии будет зависеть |
от |
величины |
молярного коэффициента погашения. |
колориметрии, |
|
Если раствор не подчиняется закону |
||
то прямолинейность нарушается на каком-то |
участке |
или на всей кривой. Поэтому перед колориметрическим определением выясняют, для каких областей концен трации применим основной закон колориметрии.
График зависимости оптической плотности раство ров, полученных после реакции глюкозы и арабинозы с антроном, от концентрации этих сахаров в растворе (рис. 11), дает возможность сделать заключение о при менимости к исследуемым растворам основного закона колориметрии (закона Бугера — Ламберта — Бера), так как в данном случае зависимость выражается пря мой линией.
Как и при всяком химическом анализе, при колори метрическом определении также возникают различные
ошибки. Источниками ошибок могут |
быть отклонения |
от закона Бугера — Ламберта — Бера |
и причины, свя |
занные с особенностями возникающей окраски, что мо жет быть вызвано следующим:
1) присутствием в растворе посторонних электроли тов, вызывающих отклонение от основного закона ко лориметрии;
25
2) диссоциацией образующихся в результате реакции исследуемых веществ с реактивом окрашенных соеди нений, ионы которых могут иметь иную окраску, чем молекулы. Степень диссоциации может изменяться, по этому и окраска раствора будет не в полной мере характеризовать концентрацию исследуемого вещества в растворе;
Рис. И. Зависимость оптической плотности растворов, полученных после реакции саха ров с антроном:
1 — глюкоза; 2 — арабиноза.
3) зависимостью (в некоторых случаях) интенсивно сти окраски полученного в результате реакции соеди нения от концентрации водородных ионов, в результа те чего эта окраска в большей или меньшей степени
может изменяться |
с изменением |
pH раствора; |
|
4) |
возможностью |
образования |
при колориметриче |
ских |
реакциях не |
одного, а нескольких окрашенных |
комплексов, которые могут в свою очередь взаимодей ствовать между собой. Все это может вызвать откло
нение |
от |
основного закона колориметрии, с одной сто |
|||||||
роны, |
и |
влиять |
на стабильность |
окраски — с |
другой; |
||||
5) изменением |
окраски |
многих |
окрашенных |
соеди |
|||||
нений |
при стоянии. |
В одних |
случаях |
максимальная |
|||||
окраска |
полученного |
раствора |
возникает |
не |
сразу, а |
||||
только |
через некоторое |
время — созревание |
окраски. |
||||||
В других |
случаях вначале возникает максимальная ин- |
26
тенсивность окраски, которая затем постепенно падает
стой или иной быстротой;
6)зависимостью интенсивности окраски от темпера туры исследуемого раствора и ее изменением при изме нении температуры;
7)зависимостью интенсивности окраски исследуемо го раствора от условий подготовки растворов к анали зу и точности соблюдения условий реакции.
Для обеспечения точности колориметрического ана лиза необходимо: подобрать реактив, который был бы специфичен для анализируемого вещества; разработать оптимальные условия проведения колориметрической реакции и строго соблюдать их; проводить колоримет рический анализ только в том случае, если при выбран
ном реактиве, установленных оптимальных условиях и в пределах определенной концентрации исследуемого вещества имеется полное подчинение закону Бера; т. е. оптическая плотность раствора прямо пропорциональна содержанию в нем определяемого вещества; определять оптическую плотность полученного окрашенного раство ра при комнатной температуре (20°С ); проводить колориметрирование с таким светофильтром, при длине волны которого наблюдается максимум поглощения света раствором; измерять интенсивность окраски тог да, когда интенсивность полученного окрашенного ра створа установится и не будет изменяться; при опреде лении создавать такие условия, при которых оптиче ская плотность анализируемого раствора находилась в пределах 0,200—0,750. Это достигается подбором опти мальной концентрации исследуемого вещества в раство ре и выбором длины кюветы.
Из теории фотоколориметрического анализа известно, что при объективных фотоколориметрических измере ниях для систем, подчиняющихся закону Бера, мини мальная ошибка получается в том случае, когда опти ческая плотность при анализе равна 0,434 (пропускание света 36,8%).
Оптимальный диапазон оптических плотностей будете пределах 0,222—0,522 (пропускание света от 30 до 60%). В этом диапазоне ошибка в определении кон центрации исследуемого вещества, равная 0,5%, вызы вается ошибкой в определении пропускания света (или оптической плотности), не превышающей 0,2%. Подоб-
27
ная точность обеспечивается современными фотоэлек троколориметрами. Но существуют и такие приборы, в которых достигается точность фотоколориметрических измерений, при которых ошибка лежит в пределах 0,03—0,05 % -
Таким образом, для получения более высокой точно сти измерений на фотоэлектроколориметре необходимо анализировать растворы с такими концентрациями, что бы они после реакции имели оптическую плотность в указанных пределах. Зная молярный коэффициент по гашения е, можно подобрать значение этой оптималь ной концентрации.
Ниже (табл. 1) приведены концентрации растворов веществ с различным молярным коэффициентом пога шения, которые после реакции с реактивом дают опти ческую плотность 0,434 при толщине слоя /= 1 см.
Т а б л и ц а 1
Оптимальная и предельная определяемые концентрации
Молярный |
Концентрация |
Молярный |
Концентрация |
||
|
|
коэффи |
|
|
|
коэффициент |
оптималь |
предель |
циент |
оптималь |
предель |
погашения |
ная |
ная |
погаше |
ная |
ная |
|
|
|
ния |
|
|
1,0 |
4,34 -10 -і |
ІО“ 3 |
10,03 |
4,34-ІО -4 |
ІО“ 6 |
10,0 |
4,34-10-2 |
10-4 |
10,04 |
4,34-10-з |
ІО“ 7 |
10,02 |
4,34 -10 -3 |
ІО“ 5 |
10,05 |
4,34-10-в |
ІО -8 |
Если толщина слоя отлична от 1 см, значения опти мальной концентрации могут быть найдены, исходя из того, что они обратно пропорциональны толщине.
Таким образом, варьируя концентрацией и толщиной поглощающего слоя, можно обеспечить при колориметрировании получение оптимальных значений оптиче ских плотностей.
Приборы для определения интенсивности окраски ра створов при колориметрических анализах. Для фотоко
лориметрических анализов |
применяются |
фотоэлектро |
колориметры. Наиболее |
распространены |
на практике |
фотоэлектроколориметры |
марок Ф ЭК -М , |
ФЭК-56М, |
ФЭК-60. Действие этих приборов основано на сравне нии лучистых потоков, проходящих через жидкости. Приемниками лучистой энергии служат два сурьмяно-
28
цезиевых фотоэлемента, включенных по дифференци альной схеме через усилитель на стрелочный нуль-галь ванометр. Питается прибор от сети переменного тока (220 В, 50 Гц) через специальное устройство. В каче стве источника света применяется электролампа нака ливания на 8 В, 35 Вт.
Рис. 1(2. Оптическая схема прибора ФЭК-60.
Прибор ФЭК-60 и ему подобные относится к типу объективных приборов, в основу которых положен прин цип уравнивания интенсивности двух световых моду лированных потоков при-помощи переменной щелевой диафрагмы. Правый световой поток является измери тельным, левый — компенсационным.
Нить лампы Л (рис. 12) при помощи двух конденсо
29