Основы физической химии и биодисперсные системы. Оптические методы анализа. Лабораторный практикум

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

И. А. Панкина Н. А. Политаева

ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ И БИОДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Лабораторный практикум

ПОЛИТЕХ-ПРЕСС

Са-П

П а В

Санкт-Петербург

2019

ББК 24.5 П16

Панкина И. А. Основы физической химии и биодисперсные систе-

мы. Оптические методы анализа : лабораторный практикум / И. А. Панкина, Н. А. Политаева. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. – 32 с.

Лабораторный практикум является руководством при выполнении практических работ в лаборатории химии и методов анализа в соответствии с рабочей программой дисциплины «Основы физической химии и биодисперсные системы».

Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям 19.03.01 «Биотехнология» и 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания».

Табл. 5. Ил. 7. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета

Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

©  Панкина И. А., Политаева Н. А., 2019 ISBN 978-5-7422-6397-5 ©  Санкт-Петербургский политехнический doi:10.18720/SPBPU/2/id18-117 университет Петра Великого, 2019

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

К оптическим методам анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа.

В методах атомной спектроскопии имеют дело с узкими линейчатыми спектрами, а в молекулярной – с широкими слабоструктурированными спектрами. Это определяет возможность их применения в количественном анализе и требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре – спектральным приборам.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА Основные законы и формулы

Фотометрический анализ относится к абсорбционным методам, т. е. основан на измерении поглощения света веществом. Он включает спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуаль-

ную фотометрию, которую обычно называют колориметрией. Каждое вещество поглощает излучение с определенными (ха-

рактерными только для него) длинами волн. Длина волны поглощаемого излучения индивидуальна для каждого вещества, и на этом основан качественный анализ по светопоглощению.

На рис. 1 представлена схема прохождения света через окрашенный раствор и растворитель. Интенсивность света, прошед-

4

Рис. 1. Схема прохождения света через окрашенный раствор и растворитель

шего через окрашенный раствор I, отличается от интенсивности света, прошедшего через растворитель I0 на величину поглощения света окрашенным раствором.

Потери при отражении и рассеянии будут практически одни и те же, что и при прохождении обоих пучков, так как форма и материал обеих кювет одинаковы, и они содержат один и тот же растворитель.

пропускания) или прозрачностью раствора. Взятый с обратным знаком логарифм Т называют светопоглощением, поглощением

или абсорбционностью (А). Обозначение А соответствует первой букве в названии этой величины (также ее называют оптической плотностью и обозначают D):

5

Количественную взаимосвязь между светопоглощением раствора и ее концентрацией устанавливает объединенный закон Бу- гера-Ламберта-Бера, называемый основным законом фотомет­ рии – светопоглощение (А) раствора пропорционально толщине слоя (l) и концентрации раствора (С).

Коэффициент пропорциональности ελ в формуле основного закона фотометрии называется молярным коэффициентом поглощения. Cветопоглощение данного раствора при единичных значениях его концентрации и толщины оптического слоя (С = 1 моль/л и l = 1 см) зависит от длины волны падающего света, природы растворенного вещества, температуры раствора и не зависит от объема раствора, толщины поглощающего слоя, концентрации вещества и интенсивности освещения.

Колориметрия

Колориметрия (от лат. сolor – «цвет» и греч. metreo – «измеряю») – физический метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов (по поглощению света растворами).

Колориметрия – это метод количественного определения содержания веществ в растворах визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры.

Колориметрия может быть использована для количественного определения тех веществ, которые дают окрашенные растворы или могут дать окрашенное растворимое соединение с помощью химической реакции.

Колориметрические методы основываются на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора, изучаемого в про-

6

пущенном свете, с окраской эталонного раствора, содержащего строго определенное количество этого же окрашенного вещества, или же с дистиллированной водой.

Более совершенные приборы – спектрофотометры – отличаются возможностью исследования оптической плотности в широком диапазоне длин волн видимого спектра, а также в ИК- и УФ-диапазонах, с меньшей дискретностью длины волны (с использованием монохроматора).

Фотоколориметры и спектрофотометры измеряют величину пропускания света при определенной длине волны. Контроль (обычно дистиллированная вода или исходный материал без добавления реагентов) используется для калибровки устройства.

Колориметрия широко применяется в аналитической химии, в том числе для гидрохимического анализа, в частности – для количественногоанализасодержаниябиогенныхвеществвприродных водах, для измерения pH, в медицине, а также в промышленности при контроле качества продукции.

Фотоколориметрия

Фотоколориметрия – количественное определение концентрации вещества по поглощению света в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра. Поглощение света измеряют на

фотоколориметрах или спектрофотометрах.

Фотоколориметрический метод анализа основан на измерении поглощения света немонохроматического излучения окрашенными соединениями в видимой области спектра.

Если исследуемые соединения бесцветны, то их переводят в окрашенные путем взаимодействия с различными реактивами. В этом случае окрашенные соединения в большинстве своем являютсякомплексными.Последниедолжныбытьпрочными,иметь постоянный состав и высокую интенсивность окраски.

Взависимости от способа измерения концентрации веществ

вокрашенных растворах, от применяемой аппаратуры, методы

7

фотоколориметрического анализа подразделяются в основном на два вида: визуальные и фотоэлектрические.

При визуальном методе, называемом колориметрическим, ин-

тенсивность окраски исследуемых растворов сравнивается с интенсивностью окраски стандартных растворов, в которых концентрация вещества известна.

Прифотоэлектрическихметодаханализаинтенсивностьокрас­ ки, т. е. погашение (А) окрашенного раствора исследуемого вещества, измеряют с помощью приборов – фотоэлектроколориметров (ФЭК) (рис. 2) или спектрофотометра в видимой области спектра.

Методы анализа, связанные с измерением поглощения света (спектрофотометрия, фотоколориметрия), базируются на объединенном законе Бугера-Ламберта-Бера, который устанавливает зависимость между поглощающей способностью исследуемого раствора, концентрацией его вещества и толщиной поглощающего слоя.

Сущность фотоколориметрического метода заключается в определении содержания вещества по интенсивности окраски или светопоглощению его окрашенных соединений в газообразной, твердой и жидкой фазах.

Рис. 2. Внешний вид фотоколориметра КФК-3

8

Фотоколориметр выполнен в виде одного блока. На металлическом основании (1) закреплены отдельные узлы, которые закрываются кожухом (2). Кюветное отделение закрывается съемной крышкой (3), в котором в кюветодержателе, устанавливаемом на подвижный столик, располагают кюветы. Кюветодержатель располагают так, чтобы две маленькие пружины находились с переднейстороны.Вводвсветовойпучокоднойилидругойкюветыосуществляется перемещением ручки (4) до упора влево или вправо. При установке ручки до упора вправо – в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. При открытой крышке кюветного отделения специальная шторка автоматически перекрывает световой пучок, чтобы не засвечивать фотоприемник. Дело в том, что фотоприемник даже в отсутствии освещения дает на выходе так называемый «темновой» сигнал, свойства которого меняются после изменения освещенности и искажают результаты измерений. При открытом кюветном отделении световой пучок перекрывают, а после закрытия крышки необходимо подождать некоторое время, прежде чем производить измерения. Ручка (5) служит для поворота дифракционной решетки и установки требуемой длины волны. В фотометр типа КФК-3 входят фотометрический блок, блок питания и микропроцессорная система.

Порядок работы на фотометре КФК-3

1.Закрыть крышку кюветного отделения. Включить тумблер «Сеть». По истечении 30 мин приступить к работе. Установить необходимую длину волны.

Установку длин волн необходимо выполнять подводкой со стороны коротких длин волн к более длинным. Если при установке значение длины волны превысило требуемое, то необходимо вновь вернуться на 20–30 нм к более коротким волнам и повторно подвести к нужному значению.

2.Подготовить две кюветы. В одну налить дистиллированную воду, а в другую – исследуемый раствор. Кюветы заполняются

9

дометкисбоковойстороны.Нанаружнойповерхностикюветыне должно быть капель.

3.Установить кюветы в кюветное отделение. Кювету с «холостой пробой» установить в дальнее гнездо кюветодержателя. Ручку перемещения кювет установить в крайнее левое положение. Закрыть крышку кюветного отделения.

4.Клавишей «Д» или «С» выбрать режим измерения. Нажать клавишу «#». На нижнем индикаторе, на верхней строке, будет написано «Градуировка». Через 3–5 с эта надпись исчезнет и появится другая «Изменение», а на нижней строке результат измерения. Ручку перемещения кювет установить вправо. На нижней строке появится результат измерения (оптическая плотность исследуемого раствора).

Спектрофотометрический метод

Спектрофотометрическийметоданализаоснованнаспектраль- но-избирательном поглощении монохроматического потока световой энергии при прохождении его через исследуемый раствор. Метод позволяет определять концентрации отдельных компонентов смесей окрашенных веществ, имеющих максимум поглощения при различных длинах волн. Этот метод более чувствителен и точен, чем фотоэлектроколориметрический. Известно, что фотоколориметрическийметодприменимтолькодляанализаокрашенных растворов. Бесцветные растворы в видимой области спектра обладают незначительным коэффициентом поглощения. Однако многие бесцветные и слабоокрашенные соединения (особенно органические) обладают характерными полосами поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, что используют для их количественного определения. Спектрофотометрический метод анализа применим для измерения светопоглощения в различных областях видимого спектра, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, что значительно расширяет аналитические возможности метода.

10