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

В практике санитарно-химического анализа применяют главнымобразомфотоколориметрическийиспектрофотометрический методы. В основе фотоколориметрического метода лежит измерение ослабления интенсивности светового потока, прошедшего через окрашенный раствор в области длин волн от 400 до 760 нм. В основе спектрофотометрического метода лежит избирательное поглощение монохроматического потока световой энергии при прохождении его через исследуемый раствор (окрашенный или бесцветный). Спектрофотометрическим методом в УФ-области можно проводить раздельное определение веществ в двух- и трехкомпонентных смесях.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Определение содержания ионов тяжелых металлов

в растворах

Цель работы: научиться работать на фотоколориметре КФК-3. Определить содержание ионов тяжелых металлов в растворах.

Опыт 1. Определение содержания Cu2+ в растворе фотоколориметрическим методом.

Приборы: фотометр КФК-3, кювета 3 см, колбы мерные емкостью 50 мл, пипетки Мора на 5 и 10 мл.

Реактивы: стандартный раствор Cu2+ – 0,5 мг/мл, раствор ам-

миака (1:1).

Порядок выполнения работы.

1. Выбор длины волны. В мерную колбу емкостью 50 мл внести 14 мл стандартного раствора Cu2+, добавить 15 мл аммиака и довести водой до метки. Перемешать и замерить оптическую плотность раствора D в зависимости от длины волны λ. Заполнить табл. 1. В качестве оптимальной принимается та длина волны λ0, при которой величина оптической плотности максимальна для данного раствора (рис. 3).

11

Таблица 1

Результаты определения оптической плотности

2. Построение калибровочного графика. В мерных колбах ем-

костью 50 мл приготовить 5–6 растворов Cu+2 с различной концен- трацией–от1до7мг/мл.Объемкаждогорастворадолженсостав- лять 15 мл. В каждую колбу добавить 15 мл аммиака и довести водой до метки. Перемешать и замерить оптическую плотность D при выбранной длине волны λ0. Заполнить табл. 2 и построить график зависимости оптической плотности D от концентрации раствора C (рис. 4).

Рис. 3. График зависимости оптической плотности D от длины волны λ

12

Рис. 4. Калибровочный график

Таблица 2

Результаты определения оптической плотности для построения калибровочного графика

В колбу с контрольным раствором добавить 10 мл воды и 15 мл аммиака. Водой довести до метки и перемешать. Замерить оптическую плотность раствора. По калибровочному графику (рис. 4) определить С0 – содержание Cu+2 в растворе.

4. Сделать выводы по работе.

Опыт2.ОпределениесодержанияNi+2 врастворефотоколориметрическим методом.

Приборы: фотометр КФК-3, кювета 3 см, колбы мерные емкостью 50 мл, пипетки Мора на 5 и 10 мл.

13

Реактивы: стандартный раствор Ni+2 – 0,01 мг/мл, 1 %-ный спиртовой раствор диметилглиоксима, йодная вода, раствор аммиака (1:1).

Порядок выполнения работы.

1.Выбор длины волны. В мерную колбу емкостью 50 мл внести 10 мл стандартного раствора Ni+2, добавить 5 мл йодной воды, 6 мл аммиака и 2 мл диметилглиоксима. Довести водой до метки, перемешать. Через 5–7 мин замерить оптическую плотность раствора при различных длинах волн. Заполнить табл. 1 (см. опыт 1). Построить график зависимости оптической плотности раствора D от длины волны λ. В качестве оптимальной принимается та дли-

на волны λ0, при которой величина оптической плотности максимальна для данного раствора (рис. 3).

2.Построение калибровочного графика. В мерных колбах ем-

костью 50 мл приготовить 5–6 растворов Ni++ с различным содержанием от 0,01 до 0,1 мг/мл. Объем каждого раствора 10 мл. Затем

вкаждую колбу добавить реактивы, как указано в п. 1. Довести водой до метки, перемешать. Через 5–7 мин замерить оптическую плотностьрастворапривыбраннойдлиневолны.Заполнитьтабл.2 и построить график зависимости оптической плотности D от концентрации раствора C (рис. 3).

3.Определение содержания Ni+2 в контрольном растворе.

В колбу с контрольным раствором добавить 10 мл воды, а затем

долить раствор реактива, как указано в опыте 1. Замерить D0 – оптическую плотность раствора. По калибровочному графику (рис. 4) определить C0 – содержание Ni+2 в растворе.

4.Сделать выводы по работе.

Рефрактометрия

Метод рефрактометрии – старейший из применяемых оптических методов исследования. Получил широкое распространение вследствие высокой точности, технической простоты и до­ ступности.

14

Особенно большое практическое значение имеет применение рефрактометрии для исследования сложных систем. С помощью существующих методик, таблиц и справочных устройств рефрактометр можно применять:

–в пищевой промышленности: для измерения содержания сахара и сухих веществ по сахарозе в напитках, плодах, ягодах, содержания алкоголя и экстракта в винах, водке, пиве, ликерах, сгущенном молоке; для определения сухого обезжиренного молочного остатка, белка в молоке и молочных продуктах; для конт­ роля качества растительного масла и т. д.;

–в медицине для определения белка в сыворотке крови, конт­ роля концентрации веществ и т. д.;

–в химической промышленности для контроля концентрации различных продуктов химии и нефтехимии.

Показатель преломления относится к числу немногих физических величин, которые можно измерить с очень высокой точностью и небольшой затратой времени, располагая малым количеством образца. Для определения показателя преломления используют рефрактометры.

Луч света при пересечении границы раздела двух прозрачных однородных сред 1 и 2 изменяет направление в соответствии с законом преломления (рис. 5). Согласно этому закону отношение

синусов углов падения i1 и преломления i2 есть величина постоянная (6):

Величина n21 называется относительным показателем (или коэффициентом) преломления второго вещества по отношению к первому.

Волновая теория света устанавливает простую связь показателя преломления со скоростью распространения световых волн в двух средах V1 и V2:

15

Рис. 5. Преломление и отражение света на границе раздела двух прозрачных сред

Показатель преломления вещества по отношению к вакууму называется абсолютным показателем преломления, который ра-

вен отношению скорости распространения световых волн в вакууме (С = 3 . 1010 см/с) и скорости распространения световых волн в веществе (8):

Относительный показатель преломления n21, согласно (7) и (8), равен отношению абсолютных показателей преломления веще-

ства 1 и 2 (9):

16

В обычной практике при применении показателей преломления жидких и твердых тел определяются их показатели преломления по отношению к воздуху. Соотношение между абсолютным показателем преломления и показателем преломления по отношению к воздуху, согласно определению этих величин и формуле (9), имеет вид (10):

Такимобразом,дляполученияабсолютныхпоказателейпреломления достаточно умножить определенные величины показателя преломления на абсолютный показатель преломления воздуха.

При атмосферном давлении и комнатной температуре nвозд = 1,00027, отсюда (11):

Соотношение (11) приблизительное, так как не учитывает зависимости абсолютного показателя преломления воздуха от давления и температуры. В подавляющем большинстве случаев, когда не требуется особой точности измерения n, превышающей 1 . 10–4, такое упрощение вполне допустимо. При очень точных измерениях температура и давление воздуха учитываются, а величины n приводятся к нормальному давлению и стандартной температуре воздуха.

Показатель преломления вещества определяется его природой, но зависит также от внешних условий: длины волны света, температуры и давления.

Для стандартизации измерений показателя преломления длину волны указывают подстрочным индексом справа (nλ), а температуру – надстрочным индексом справа (nt), т. е. nλt .

Вместо величин длин волн, часто употребляемых спектральных линий, обычно указывают их буквенное обозначение. Так, например, индексами D(nD), C(nC) и F(nF) обозначают показатели преломления для линии натрия (lD = 589,3 нм) и линий C и F водорода (lС = 656,3 нм и lF = 589,3 нм) их испускания.

17

Зависимость показателя преломления oт давления связана с коэффициентом сжимаемости. Для жидких и твердых веществ, сжимаемость которых очень мала, увеличение давления на 105 Па вызывает обычно повышение n на величину порядка 10–5. Следовательно, колебания атмосферного давления так незначительно отражаются на рефракции твердых и жидких веществ, что обычно не принимаются во внимание.

Пересчет показателя преломления газов на стандартные температуру Т0 и давление P0 производится по формуле (12):

где nT0, P0 иnT, P – показатели преломления при нормальных условиях и при температуре Т и давлении P.

Показатель преломления при данной температуре и длине волны (наряду с плотностью, температурами плавления и кипения) является величиной, характеризующей химические соединения. Значения показателя преломления соединений приведены в справочниках. Этим пользуются для установления идентичности исследуемого вещества с ранее описанным.

Любая исследуемая система определенного состава характеризуется соответствующими значениями показателя преломления, которые могут быть использованы для идентификации смесей так же, как и для индивидуальных соединений.

Спомощьюрефрактометрииможнопроизводитьоценкусостава двухкомпонентной смеси, определять содержание примесей, рассматривая загрязненный препарат как разбавленный раствор примесей (С) по соотношению (13):

18

Коэффициент k лучше установить для анализируемого вещества экспериментально, но для приблизительной оценки можно воспользоваться определением величины С, исходя из правила аддитивности (14):

где С – содержание примеси в объемных (15) и массовых (16) процентах, а ρп и ρ – плотность примеси и исследуемого образца.

Аналогичным образом по величине показателя преломления двухкомпонентного раствора можно установить его концентрацию.

Рефрактометрический анализ растворов предполагает, что известна зависимость между их составом и показателем преломления. Для ряда объектов имеются подробные таблицы.

Устройство рефрактометра

Принцип действия рефрактометра основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления. Измерения проводят при дневном свете или при включенном осветителе в проходящем через исследуемую среду света, или в отраженном свете, когда исследуемая среда существенно поглощает (рассеивает) свет.

Основныесборочныеединицысмонтированывметаллическом корпусе (рис. 6). В верхней части корпуса закреплен окуляр. Он может перемещаться вдоль оптической оси для установления резкости в пределах ±5 диоптрий.

19

Рис. 6. Внешний вид рефрактометра ИРФ-454 Б2М: 1 – штуцер с термометром; 2 – застежка; 3 – нониус; 4 – маховик; 5 – окуляр; 6, 8, 14 – штуцер; 7 – заслонка; 9 – шарнир; 10 – крышка; 11, 19 – зеркало; 12 – контрольная пластина; 13 – упаковка с принадлежностями;

15 – ключ; 16 – корпус; 17 – основание; 18 – блок рефрактометрический; 20 – осветитель;

21 – блок питания

Порядок работы с рефрактометром и его подготовка к работе

Перед началом работы необходимо проверить установку нульпункта рефрактометра. Установку нуль-пункта измерения на рефрактометренеобходимопроводитьприоднойитойжетемпературе.

20