методички для заочников / Колориметрия

В.Т. КАЗУБ, Р.А. ВОДОЛАЖЕНКО,

С.В. ВОРОНИНА, А.Г. КОШКАРОВА

КОЛОРИМЕТРИЯ

2

3

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Пятигорская государственная фармацевтическая академия

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, С.В. Воронина, А.Г. Кошкарова

КОЛОРИМЕТРИЯ

Методические указания для студентов 2 курса по дисциплинам С2.Б.2 - «Физика» (очная и заочная форма обучения) и

С3.В.ОД.3- «Физические основы технологических процессов и методов фармацевтического анализа» (очная и заочная форма обучения)

Пятигорск 2011

4

УДК 535.37:543.426 (078)

ББК 22.535 я 73

К 61

Рецензент: к. ф.-м. н., доцент кафедры информатики и математики ГОУ ВПО Пятигорского филиала Российского государственного торгово-экономического университета Болгова Ю. А.

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, С.В. Воронина, А.Г. Кошкарова.

К 61 Колориметрия: методические указания к лабораторным занятиям по физике, физическим основам технологических процессов и методам фармацевтического анализа для студентов 2 курса очного и заочного отделений/ В.Т. Казуб [и др.]. - Пятигорск: Пятигорская ГФА, 2011. – 26 с.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой по физике для студентов фармацевтических вузов и содержит теоретический материал по теме «Колориметрия», раздел, посвященный практическому использованию колориметра концентрационного КФК-2, а также задание к лабораторным работам.

УДК 535.37:543.426(078)

ББК 22.345 я 73

Допущено к внутривузовскому изданию Председатель ЭМС Проф. В.В. Гацан

Протокол № 334 от 9 сентября 2011 г.

© Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2011

5

Теоретическая часть

Фотометрические методы анализа

Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излуче-

ния анализируемыми веществами, составляют обширную группу абсорбцион-

ных оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализи-

руемых веществ переходят в новое, возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:

атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении свето-

вой энергии атомами анализируемых веществ;

молекулярный абсорбционный анализ это анализ поглощения све-

та молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и ин-

фракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-

спектроскопия);

турбидиметрия, нефелометрия – анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества;

люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбуж-

денными молекулами анализируемого вещества.

Фотоколориметрия и спектрофотомерия основаны на взаимодействии из-

лучения с однородными системами, и их обычно объединяют в одну группу

фотометрических методов анализа.

В фотометрических методах используют избирательное поглощение света молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энер-

гия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате по-

глощения излучения молекула поглощающего вещества переходит из основно-

го состояния с минимальной энергией E1 в более высокое энергетическое со-

стояние Е2. Электронные переходы, вызванные поглощением строго опреде-

6

ленных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго опреде-

ленных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул.

Причем поглощение света происходит только в том случае, когда энергия по-

глощаемого кванта совпадает с разностью энергий Е между квантовыми энер-

гетическими уровнями в конечном (E2) и начальном (E1) состояниях погло-

щающей молекулы:

hv = Е = Е2 – E1,

где h – постоянная Планка (h = 6,625 10–34 Дж с); v – частота поглощае-

мого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выра-

жается отношением скорости распространения излучения с (скорости световой волны в вакууме) к длине волны λ; v = с/λ. Частота излучения v измеряется в герцах (Гц). 1 Гц = 1 с –1.

Природа полос поглощения в ультрафиолетовой (10 400 нм) и видимой

(400 760 нм) областях спектра одинакова и связана главным образом с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. В инфра-

красной области (0,8 1000 мкм) она в большей степени связана с колебаниями атомов в молекулах поглощающего вещества.

В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе различают спектрофотометрический метод – анализ по поглощению моно-

хроматического света и фотоколориметрический – анализ по поглощению по-

лихроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра.

Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглоще-

нием и концентрацией поглощающего вещества.

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за его поглощения и рассеяния. Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие пре-

вращения световой энергии в другие виды энергии. При поглощении света мо-

гут происходить нагревание вещества, ионизация и фотохимические процессы.

7

Закон, описывающий поглощение, называют законам Бугера. Закон опре-

деляет ослабление пучка монохроматического света при его прохождении через поглощающее вещество. Если интенсивность пучка света, падающего на слой вещества толщиной , равна J0 (рис.1), то, согласно закону Бугера интенсив-

ность пучка на выходе из слоя будет равна

где k - показатель поглощения, различный для разных длин волн , но не зависящий от интенсивности света J. Следует отметить, что данный закон спра-

ведлив не только для интенсивности света J, но и для силы света I и светового потока .

Рис. 1. Ослабление интенсивности света за счет поглощения

вательно, коэффициент поглощения вещества есть величина, обратная толщине такого слоя данного вещества, при прохождении которого интенсивность света ослабляется в е раз. Для различных веществ коэффициент поглощения различ-

ный, например, для воздуха при нормальном давлении k имеет порядок 10-3 м-1,

а для стекла 1 м-1. Коэффициент поглощения обладает селективным (избира-

тельным) поглощением, т. е. значение коэффициента поглощения зависит от длины волны света. Так, например, обыкновенное стекло хорошо пропускает видимый свет, но значительно ослабляет инфракрасное излучение и почти пол-

ностью поглощает ультрафиолетовое излучение (загорать за стеклом нельзя).

Для растворов показатель поглощения k можно представить в виде про-

изведения концентрации поглощающего вещества C на удельный показатель

8

поглощения ' , характеризующий ослабление пучка света в растворе единич-

ной концентрации и зависящий от природы, состояния вещества и длины све-

товой волны . Тогда закон Бугера примет вид (закон Бугера – Ламберта – Бе-

ра):

J J0 e ' C .

Закон Бугера-Ламберта-Бера открыт экспериментально французским уче-

ным П. Бугером в 1729 г., выведен теоретически немецким ученым К. Ламбер-

том в 1760 г., а для растворов сформулирован немецким ученым А. Бером в

1852 г.

В лабораторной практике закон Бугера–Ламберта–Бера обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:

J J010 C ,

где – молярный показатель поглощения 0,43 ' . Обычно относят к какой-либо длине волны и называют монохроматическим молярным показате-

лем поглощения .

Физический смысл закона состоит в утверждении независимости процес-

са потери фотонов от их плотности в световом пучке, т.е. от интенсивности све-

та, проходящего через вещество. Это утверждение справедливо в широких пре-

делах, однако, когда интенсивность света очень велика (например, излучение лазера), становится зависящим от интенсивности и закон перестает быть справедливым. Это имеет место и при высоких значениях концентрации в газах и растворах. Вследствие взаимодействий между молекулами поглощающего вещества уже не будет постоянной величиной.

Отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное тело или рас-

твор, к потоку излучения, упавшего на это тело, называют коэффициентом про-

пускания:

T J .

J0

9

Десятичный логарифм величины обратной коэффициенту пропускания называют оптической плотностью раствора:

Таким образом, оптическая плотность раствора линейно зависит от его концентрации.

Определение концентрации растворов одна из многочисленных исследо-

вательских задач. С величиной концентрации связано большое количество раз-

личных параметров, представляющих практический интерес для специалистов аналитического профиля. Превышение или недостаток растворенного вещества в растворе лекарственного препарата грозит нарушением качества лекарства, а,

следовательно, может нанести вред здоровью пациента.

Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Фотоэлементы

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) элек-

тронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света

(видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называ-

ется внешним (открыт в 1887 г. Герцем и подробно исследован в 1888 г. Л. Г.

Столетовым). Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропровод-

ность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г. аме-

риканским физиком У. Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Если, например, цинко-

вую пластинку, соединенную с электроскопом и заряженную отрицательно,

осветить ультрафиолетовыми лучами, то электроскоп быстро разрядится; в

случае положительно заряженной пластинки разрядки не происходит. Отсюда следует, что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы; оп-

ределение величины их заряда (выполненное в 1898 г. Дж. Дж. Томсоном) по-

10

казало, что эти частицы являются электронами.

Экспериментальные исследования, выполненные Столетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I прямо пропорционален световому потоку Ф: I k ,

где коэффициент пропорциональности k называется фоточувствитель-

ностью освещаемой поверхности (измеряется в микроамперах на люмен, со-

кращенно - мкА/лм).

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты па-

дающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, назы-

ваемой «красной границей» фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определя-

ется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на по-

верхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с од-

ним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (первый закон фотоэффекта).

Энергия фотона h , поглощенная электроном, расходуется на соверше-

ние электроном работы выхода А из металла; оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона m 2 /2 (где т —

масса электрона, — его скорость). Тогда, согласно закону сохранения энер-

Эта формула, предложенная в 1905 г. Эйнштейном и подтвержденная за-

тем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна.

Из уравнения Эйнштейна непосредственно видно, что скорость фото-

электрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интен-