Физико-химические методы анализа 2011

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)

Кафедра общей и неорганической химии

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор –

проректор по научной работе

________ Е.А. Кудряшов «___» _____________ 2011 г.

Физико-химические методы анализа

Методические указания по выполнению лабораторных и самостоятельных работ

по дисциплине «Аналитическая химия» для студентов специальностей 280700.62 «Техносферная безопасность» и 260100.62

«Продукты питания из растительного сырья»

Курск 2011

УДК 540

Составили: В.С. Мальцева, А.В. Сазонова

Рецензент Кандидат химических наук, ст. преподаватель Н.В. Кувардин

Физико-химические методы анализа: методические указа-

ния по выполнению лабораторных и самостоятельных работ по дисциплине «Аналитическая химия» / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: В.С. Мальцева, А.В. Сазонова. Курск, 2011. 68 с.: ил. 11, табл. 9. Библи-

огр.: с. 68.

Излагаются методические рекомендации к лабораторным работам по основным методам физико-химического анализа: фотометрии, турбидиметрии, потенциометрии и кондуктометрии. Приведены домашние индивидуальные задания для студентов.

Предназначены для студентов специальности 280700.62 «Техносферная безопасность» и 260100.62 «Продукты питания из растительного сырья»

Текст печатается в авторской редакции

Юго-Западный государственный университет 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

2

3

4

Введение

Методические указания предназначены для студентов специальностей 280700.62 «Техносферная безопасность» и 260100.62 «Продукты питания из растительного сырья». Они посвящены описанию лабораторных работ по физико-химическим методам анализа.

Физико-химические методы анализа основаны на зависимости между физико-химическим свойством системы (аналитическим сигналом) и составом системы. Эти методы имеют ряд преимуществ по сравнению с химическими методами: быстрота анализа, высокая чувствительность, возможность одновременного определения нескольких компонентов, возможность автоматизировать анализ.

Различают прямые и косвенные методы. В прямых методах свойство системы служит непосредственно для определения ее состава по диаграмме состав-свойство.

В косвенных методах свойство системы используют для определения точки эквивалентности при титровании анализируемого раствора титрантом.

Среди многочисленных физико-химических методов наибольшее распространение получили оптические и электрохимические методы. Данные указания содержат описания работ именно по этим методам анализа.

Тематика лабораторных работ по основным методам анализа выбрана с учётом современного состояния аналитической химии и лабораторий по контролю состояния окружающей среды и пищевых предприятий.

Перед выполнением лабораторной работы студент должен ознакомиться с теоретическими основами метода, содержанием лабораторной работы и правилами работы на приборе. В лаборатории студент проходит допуск к лабораторной работе. Выполнение лабораторной работы заканчивается сдачей результата количественного определения и защитой работы.

По каждой изучаемой теме студент должен выполнить домашнее индивидуальное задание (ДИЗ), содержание которого приведено в данных методических указаниях, разработаны варианты решения типовых примеров.

5

1. Фотометрический метод анализа

Любые вещества поглощают электромагнитные колебания с определенной длиной волны. Некоторые вещества поглощают колебания с длинами волн от 400 до 700 нм (видимый свет) - такие вещества являются окрашенными. На измерении светопоглощения окрашенных веществ в видимой области спектра основан фотометрический анализ; это разновидность молекулярно-абсорбционной

Ja

Рисунок 1 - Схема фотометрического анализа

Если пропустить через раствор окрашенного вещества свет с интенсивностью J0, то после прохождения через раствор интенсивность уменьшится до Jt. Отношение Jt/J0=Т характеризует пропускание (поглощение) света и, отнесенное к толщине слоя в 1 см, называется коэффициентом пропускания. Эта величина может изменяться от 0 до 1, иногда ее выражают в процентах.

Светопоглощение характеризуют также оптической плотно-

стью А:

Величина оптической плотности может принимать любые положительные значения от 0 до ∞; однако, современные приборы могут регистрировать изменение только от 0 до 2.

Зависимость между оптической плотностью раствора и содержанием в нем окрашенного вещества выражается законом све-

ε - коэффициент поглощения, постоянная величина, зависящая от природы вещества, длины волны и температуры;

с - концентрация раствора.

Если толщина слоя раствора выражена в см, а концентрация в моль/л, ε называют молярным коэффициентом светопоглащения.

6

Закон Бера справедлив только для монохроматического излучения (т.е. для света с данной длиной волны), для сред с постоянным показателем преломления, а также для таких сред, в которых с изменением концентрации вещества не происходит никаких химических превращений данного вещества.

Молярный коэффициент светопоглащения - мера чувстви-

тельности фотометрических методов. Чем больше ε, тем выше чувствительность метода, тем меньшую концентрацию вещества можно определить.

Физический смысл ε: при концентрации С=1 моль/л и толщине слоя l=1 см ε=А.

Графический смысл ε: ε=tgα, где α - угол наклона градуировочного графика.

Молярный коэффициент светопоглощения зависит от природы вещества (ауксохромных и хромоформных групп), от природы растворителя, рН среды и длины волны света. Он не зависит от концентрации и толщины поглощающего слоя.

Графическая зависимость между оптической плотностью раствора и длиной волны поглощаемого света называется спектром поглощения. По спектру поглощения выбирают рабочую длину волны для измерения светопоглощения, это обычно длина волны максимального светопоглащения λmах.

Анализ состоит из следующих стадий:

1.Переведение анализируемого вещества в раствор и отделение при необходимости от мешающих компонентов;

2.Если анализируемое вещество не имеет собственной окраски, его переводят в окрашенную форму, применяя фотометрический реагент;

3.Готовят раствор сравнения - растворитель, содержащий все компоненты, кроме определяемого вещества;

4.Изучают спектр поглощения и выбирают оптимальную длину волны света и светофильтр; окраска светофильтра должна дополнять окраску анализируемого раствора до белой (таблица 1);

Таблица 1 - Области поглощения видимого света

7

5.Для выбора оптимальной толщины поглощающего слоя (длины кюветы) проверяют выполнение закона Бугера-Ламберта- Бера, в наборе к фотометрическим приборам имеются кюветы с длиной от 1 до 5 мм. При этом учитывается диапазон значений А, где погрешность измерений минимальна: 0,1<А<0,8;

6.Выбирают интервал концентраций, при которых соблюдается закон Бугера-Ламберта-Бера.

Основным приёмом фотометрического анализа является метод градуировочного графика. Измеряют оптическую плотность нескольких стандартных растворов с известной концентрацией.

Строят градуировочный график в координатах Аст-Сст. В случае подчинения растворов закону Бера все точки укладываются на одну прямую. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора и по градуировочному графику находят его концентрацию.

Устройство фотоколориметра

Фотоэлектроколориметр необходимо включить в сеть за 10-15 мин до выполнения измерений.

Рисунок 2 - Схема фотоэлектроколориметра

Общий принцип работы

Световой поток от источника 1 проходит через диафрагму 2 и попадает на систему светофильтров. Теплозащитный светофильтр 3 поглощает инфракрасные (тепловые) лучи, нейтральный светофильтр 4 поглощает ультрафиолетовое излучение. Цветной светофильтр 5 преобразует полихроматический свет в монохроматический. Этот свет попадает в кювету 6 с раствором, при этом часть

8

света поглощается. Прошедший через раствор свет поступает на фотоэлемент 7, где энергия света преобразуется в электрическую. Аналитический сигнал регистрируется на шкале 8.

Лабораторная работа № 1

Определение меди (II) в водном растворе в виде аммиаката

Цель работы: изучить фотометрический метод анализа на примере определения содержания меди (II) в водном растворе методом градуировочного графика.

Метод определения меди (II) в водном растворе основан на образовании комплексного соединения ионов меди (II) с аммиа-

ком:

Сu2+ + 4 NН3 →[Сu (NН3)4]2+,

обладающего сине-фиолетовой окраской за счет осуществления переходов электронов вследствие расщепления основного электронного состояния иона меди (II) в поле лиганда. Для аммиаката меди (II) при λ=640 нм ε=1,0·102, что обуславливает относительно невысокий, но достаточный для практики предел обнаружения.

Оборудование

1. Фотоэлектроколориметр с набором кювет.

Реактивы

1.Стандартный раствор соли меди (II), содержащий 1 мг меди в 1 мл;

2.Аммиак, NH4OH, 5%-ный раствор.

Порядок выполнения работы Построение градуировочного графика

Готовят шесть стандартных растворов, содержащих 0,01-0,2 мг/мл Сu2+. С этой целью в мерные колбы емкостью 50 мл отбирают 2,5; 5,0; 7,5; 10,0; 12,5; и 15,0 мл стандартного раствора, содержащего 1 мг/мл Сu2+. В каждую колбу добавляют 10 мл 5%-ного раствора аммиака и доводят объём каждого раствора до 50 мл дистиллированной водой. Через 10 минут приступают к измерению относительно дистиллированной воды. Результаты измерений записывают в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты измерений

9

Оптическая плотность, А

По найденным величинам строят градуировочный график в координатах: оптическая плотность - концентрация ионов меди

(II).

Определение содержания меди в контрольном растворе

К анализируемому раствору задачи, содержащему соль меди (II), прибавляют 10 мл 5%-ного раствора аммиака и доводят объем раствора до 50 мл дистиллированной водой. Приготовленный раствор через 10 минут фотометрируют при λ=640 нм.

Пользуясь градуировочным графиком, находят содержание меди (II) в анализируемом растворе.

Обрабатывают данные с учётом истинного значения массы Сu2+ в растворе, определяя абсолютную и относительную погрешности анализа.

Лабораторная работа №2 Определение крахмала в муке, зерне и кондитерских изделиях

Цель работы: определить содержания крахмала в муке, зерне или кондитерских изделиях (пастила, зефир, лукум и др.).

Определение основано на переведении крахмала в светопоглощающее (окрашенное) соединение и фотометрирование полученного соединения. Находящаяся в крахмале амилоза образует с йодом адсорбционное комплексное соединение, окрашенное в интенсивно синий цвет. Оттенок окраски зависит от происхождения крахмала - картофельный, пшеничный, рисовый и др.

Оборудование

1.Фотоэлектроколориметр с набором кювет;

2.Аналитические весы;

3.Водяная баня.

Реактивы

1.Стандартный раствор крахмала с концентрацией 0,250 г/л;

2.Раствор йода в водном растворе йодида калия с концентрацией 0,040 г/мл

Порядок выполнения работы Выбор светофильтра

10