Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование сорбции смесей жидкостей в нанопористых материалах. Лабораторная работа
.pdf
11
энергетическое состояние, т. е. при длине волны равной λ
ℎ
,
где Е1 и Е2 – уровни энергетического спектра; с – скорость света.
Интенсивность монохроматического излучения, прошедшего
через слой раствора толщиной х определяется законом Бугера–
Ламберта–Бера:
I = I0e
–α(λ)xc
, (5)
где I0 – интенсивность падающего на образец электромагнитного
излучения; α(λ) – коэффициент экстинкции, который зависит от
длины волны. Оптическую плотность, или поглощательную
способность вещества, характеризует коэффициент:
k = log
= α(λ)·c·x. (6)
Из (6) следует, что коэффициент поглощения пропорционален
концентрации исследуемого образца при постоянном значении
коэффициента экстинкции [14]. При высоких концентрациях
возможны отклонения от закона (5), связанные с взаимодействием
рассеивающих молекул и изменением коэффициента экстинкции.
Поглощение излучения в видимой и УФ-области связано с
переходами электронов внешней электронной оболочки. В
спектроскопии различают молекулярные связывающие и
разрыхляющие - и -орбитали, и поглощение излучения
сопровождается переходом со связывающих - или -орбиталей на
разрыхляющие (* или *). Не участвующие в образовании
химических связей электроны образуют несвязанные n-орбитали,
локализованные на отдельных атомах. Поглощение излучения
молекулой в основном состоянии возможно при переходе с занятых
-, - и n- на свободные *- и *-орбитали (рис. 6). Наибольшей
энергии требует -* переход, характерный для насыщенных
молекул и соответствующих поглощению в УФ-диапазоне
( < 200 нм). Переходы –* происходят в молекулах с
сопряженными связями и ароматических молекулах. Они связаны с
поглощением в видимой области или ближнем УФ. Переходы n–*
и n–* происходят в молекулах, содержащих гетероатомы (N, O, S и
т.п.). Для биологических макромолекул типичны переходы в
дальней УФ- области спектра.
12
Рис. 6. Основные типы электронных переходов
В табл. 1 приведены параметры характерных линий поглощения
в УФ-области, которые дают некоторые функциональные группы
атомов макромолекулярных соединений (органические
хромофоры), содержащие -электроны или свободные электронные
пары гетероатомов. В некоторых случаях на интенсивность и
положение полосы поглощения влияет природа растворителя или
окружение хромофора, причем в результате полоса может
сдвигаться как в длинноволновую (батохромный сдвиг), так и в
коротковолновую область (гипсохромный сдвиг). Применение УФспектроскопии для идентификации и анализа полимеров ограничено
соединениями, содержащими хромофорные группы. Это, в
частности, полиены, ароматические полимеры, содержащие -связи
и особенно сопряженные системы, а также полимеры с
карбонильными группами.
13
Таблица 1
Типичные хромофоры и их характеристики
Хромофор
Длина
волна,
нм
Коэффициент молярной
экстинкции (
мах
) и
интенсивность полосы
поглощения
Возбуждение
175
185
14000, сильная
8000, сильная
-электронов
175
195
223
10000, сильная
2000, сильная
150, слабая
-электронов
160
185
280
18000, сильная
5000, сильная
15, слабая
-электронов,
свободной
электронной
пары
кислорода
217
20 000 сильная
–*
184
200
255
60000, сильная
4400, средняя
204, слабая
–*
n–*
185
Полоса средней силы
Свободной
электронной
пары
кислорода
215
Полоса средней силы
Свободной
электронной
пары азота
340–370
Слабая полоса
Свободной
электронной
пары азота
14
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК
Определение оптических характеристик смесей производится на
автоматическом рефрактометре Abbemat HP – Anton Paar (рис. 7, а)
и спектрофотометре DR 5000 – HACH (рис. 7, б).
Рис. 7. Рефрактометр Abbemat HP (а): 1 – откидная крышка; 2 – ячейка и призма.
Спектрофотометр HACH DR 5000 (б): 1 – дисплей; 2 – отделение для кювет
Лабораторный рефрактометр Abbemat – оптический прибор, в
основу конструкции которого положен метод определения
показателя преломления (refractive index, RI) исследуемой жидкости
по предельному углу преломления или углу полного внутреннего
отражения. Оптическая схема рефрактометра представлена на
рис. 8. Помещенный на измерительную призму образец облучается
светом с длиной волны 589,3 нм (линия D натрия), и определяется
предельный угол полного отражения с помощью пространственного
сенсора. Постоянная температура образца и измерительной призмы
поддерживается системой термостатирования на элементах
Пельтье. Показатель преломления находится по величине
предельного угла полного отражения n1 = n2∙sinβ2 (закон Снелла) не
зависит от цвета или мутности образца.
Технические характеристики прибора Abbemat HP
Диапазон измерения коэффициента преломления ..................................... 1,32–1,56
Диапазон измерения Brix, ° ............................................................................... 0–100
Диапазон измерения температуры, °С .............................................................. 10–70
15
Разрешение коэффициента преломления .......................................................... 1∙10-6
Разрешение Brix, ° ................................................................................................. 0,01
Разрешение по температуре, °С ........................................................................... 0,01
Точность измерения коэффициента преломления ............................................ 2∙10-5
Точность измерения Brix, ° ................................................................................ 0,015
Точность измерения температуры,°С .................................................................. 0,03
Стабильность температуры,°С ........................................................................... 0,002
Рис. 8. Оптическая схема рефрактометра
Лабораторный спектрофотометр HACH DR 5000 предназначен
для исследования спектрального состава поглощения излучения при
длинах волн от 190 до 1100 нм. Источник видимого излучения от 320
до 1100 нм, газонаполненная лампа с вольфрамовой нитью,
источник ультрафиолетового излучения от 190 до 360 нм –
дейтериевая лампа [15]. Оптическая схема прибора показана на
рис. 9. Для выделения нужной длины волны используется
монохроматор, который располагается перед образцом.
Технические характеристики HACH LANGE DR 5000
Диапазон длин волн, нм .................................................................................. 190–1100
Воспроизводимость, нм .......................................................................................... < 0,5
Разрешение, нм ........................................................................................................... 0,1
Ширина спектральной линии, нм ................................................................................ 2
Светорассеяние, % ................................................................................................ < 0,05
Фотометрическая погрешность при 0,0–0,5 абс, абс ........................................ ±0,005
Фотометрическая погрешность при 0,5–2,0 абс, % ................................................... 1
Фотометрическая линейность при 2 абс, % .......................................................... < 0,5
Фотометрическая линейность при > 2 абс, % ...................................................... < 1,0
16
Рис. 9. Оптическая схема: 1 – дейтериевая лампа; 2 – зеркало для выбора
источника излучения; 3 – вольфрамовая лампа; 4 – зеркало; 5 – дифракционная
решетка; 6 – эталонный элемент; 7 – зеркало; 8 – лучерасщепляющее зеркало;
9 – фильтр; 10 – выходная щель; 11 – отделение для кювет; 12 – линза;
13 – отделение для пробирок; 14 – измерительный элемент; 15 – монохроматор;
16, 17 – зеркало; 18 – входная щель
17
РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
1. Ознакомиться с приборами измерения коэффициентов
преломления (рефрактометр Abbemat HP) и поглощения
(сепектрофотометр HACH DR 5000).
2. Получить на спектрофотометре калибровочную кривую
оптической плотности и сопоставить полученные данные с
значениями коэффициентов преломления, измеренными на
рефрактомере для водно-спиртового раствора.
3. Приготовить растворы заданных составов, и определить
изменение оптических свойств раствора при взаимодействии с
образцом полимера.
4. Расчитать сорбционные характеристики полимера и сорбата.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Определение состава водно-спиртовой смеси
1.1. Получить у преподавателя водно-этанольный раствор с
неизвестным составом. Провести измерения коэффициента
преломлени и спектра поглощения.
1.2. Разделить полученный раствор на две части и разбавить одну
из частей водой, для уменьшения предполагаемой концентрации
этанола в 2 раза. Провести измерения коэффициента преломлени и
спектра поглощения. Повторить данную процедуру 3–4 раза.
1.3. Построить калибровочную кривую куоэффициента
преломления от концентрации этанола и сопоставить полученные
значения с литературными данными (табл. 2). Определить состав
исходного раствора и погрешность измерений.
1.4. Построить графики коэффиента поглощения от длины волны
для исследованных растворов (рис. 10). Определить длины волн, для
которых наблюдается наиболее интенсивное изменение
спектральных характеристик раствора, и построить для данных длин
волн калибровочные кривые оптической плотности при различной
концентрации растворенного вещества, используя данные о составе
раствора, полученные в п. 1.3 (рис. 11).
18
Таблица 2
Коэффициент преломления водно-этанольных смесей
(Т = 20 оС) [16]
см,
С2Н5ОН
,
%
n
см,
С2Н5ОН
,
%
n
см,
С2Н5ОН
,
%
n
см,
С2Н5ОН
,
%
n
0,00
1,3330
9,00
1,3388
32,00
1,3546
68,00
1,3650
0,50
1,3333
9,50
1,3392
34,00
1,3557
70,00
1,3652
1,00
1,3336
10,00
1,3395
36,00
1,3566
72,00
1,3654
1,50
1,3339
11,00
1,3403
38,00
1,3575
74,00
1,3655
2,00
1,3342
12,00
1,3410
40,00
1,3583
76,00
1,3657
2,50
1,3345
13,00
1,3417
42,00
1,3590
78,00
1,3657
3,00
1,3348
14,00
1,3425
44,00
1,3598
80,00
1,3658
3,50
1,3351
15,00
1,3432
46,00
1,3604
82,00
1,3657
4,00
1,3354
16,00
1,3440
48,00
1,3610
84,00
1,3656
4,50
1,3357
17,00
1,3447
50,00
1,3616
86,00
1,3655
5,00
1,3360
18,00
1,3455
52,00
1,3621
88,00
1,3653
5,50
1,3364
19,00
1,3462
54,00
1,3626
90,00
1,3650
6,00
1,3367
20,00
1,3469
56,00
1,3630
92,00
1,3646
6,60
1,3370
22,00
1,3484
58,00
1,3634
94,00
1,3642
7,00
1,3374
24,00
1,3498
60,00
1,3638
96,00
1,3636
7,50
1,3377
26,00
1,3511
62,00
1,3641
98,00
1,3630
8,00
1,3381
28,00
1,3524
64,00
1,3644
100,0
1,3614
8,50
1,3384
30,00
1,3535
66,00
1,3647
19
Рис. 10. Спектры поглощения для водно-этанольных растворов различных
составов (нормировка по воде)
Рис. 11. Оптическая плотность водно-этанольных растворов при длине волны
969 нм (нормировка по воде)
2. Проведение измерений оптической плотности
и коэффициента преломления растворов
2.1. Подготовить приборы (спектрофотометр и рефрактометр) к
проведению измерений: включить питание приборов, запустить на
компьютере программу Abbemat PC, и установить необходимую
температуру. Перед проведением измерений необходимо выждать
20
не менее 30 мин для выхода источников излучения приборов на
рабочую мощность.
Спектрофотометр HACH DR 5000
2.2. Измерительную кювету, заполенную калибровочной
жидкостью (обычно, дистиллированная вода), поместить в
соответствующую измерительное отделение. В главном меню на
дисплее спектрофотометра выбрать раздел «Спектральный анализ»
(рис. 12), и в открывшемся меню нажать раздел «Ноль» для
определения базового уровня сигнала.
Рис. 12. Главное меню спектрофотометра HACH DR 5000
2.3. Удалить калибровочную жидкость из кюветы, просушить и
заполнить исследуемым водно-спиртовым раствором. После
установки кюветы в прибор выбрать в главном меню раздел
«Спектральный анализ» и в открывшемся меню раздел
«Измерение». В течение 2 мин будет измерен спектр поглощения.
После окончания измерений для сохранения полученных спектров
последовательно нажать разделы «Настройки» (рис. 13),
«Сохранить», и выбрать номер спектра.
2.4. ВАЖНО! При выходе из режима «Спектральный анализ»
не сохраняются настройки прибора, и для дальнейших
измерений необходимо снова установливать базовый уровень
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]