физика леч / методичка / цикл 3 / фэк 2
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРОМ»
ЦЕЛЬ. Изучить законы поглощения света в веществе, научиться определять концентрации окрашенных растворов фотоэлектроколориметром.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Фотоэлектроколориметр КФК- 2, дистиллированная вода, раствор метилоранжа неизвестной концентрации, раствор метилоранжа известной концентрации.
ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ
1.Поглощение света.
2.Законы Бугера-Ламберта; Бера; Бугера-Ламберта-Бера.
3.Прозрачность раствора, оптическая плотность.
4.Устройство фотоэлектроколориметра и принцип действия.
6.Правило построения градуировочной кривой.
7.Применение фотоэлектроколориметра в медицине.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Если на прозрачную среду, имеющую толщину слоя l, направить параллельный пучок света с интенсивностью I0, то в результате поглощения света в данной среде интенсивность вышедшего света I уменьшается, т.е.
I<I0.
Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии (тепловую и энергию возбужденных электронов).
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0 |
|
dx |
|
I |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.
Поглощение света подчиняется закону Бугера. Вывод формулы Бугера
Выберем систему координат. Поместив начало координат на лицевой поверхности среды, направим ось Y параллельно этой поверхности, а ось X – вдоль распространения света (рис. 1). Выделим в веществе бесконечно тонкий слой толщиной dx. Очевидно, что уменьшение интенсивности света в слое толщиной dx будет пропорционально величине интенсивности падающего на этот слой света и толщине поглощаемого слоя, т.е.
dI kIdx, |
(1) |
где k - натуральный показатель поглощения – коэффициент, характеризующий свойства вещества, не зависящий от интенсивности света.
K зависит от длины волны поглощающего света, концентрации и природы вещества, эта зависимость называется спектром поглощения вещества. Знак минус показывает, что с увеличением толщины слоя интенсивность прошедшего через него света уменьшается.
С целью получения выражения для интенсивности света, прошедшего слой толщины l мы должны интегрировать выражение (1) в пределах 0 до l
I |
dI |
|
||
|
kdx |
|||
I |
||||
I |
0 |
0 |
||
|
||||
|
|
|
||
Т.к. среда однородна и в каждом слое поглощается одна и та же часть падающей энергии, то коэффициент, характеризующий поглощательную способность среды, не будет зависеть ни от координаты X, ни от интенсивности. Следовательно, k можно вывести из под знака интеграла как постоянную. Тогда получаем:
ln I ln I0 k
или:
I I |
0 |
e k |
|
(2) |
Формула (2) была экспериментально установлена и теоретически обоснована Бугером в 1729 году и называется законом Бугера.
Натуральный показатель поглощения (k) зависит от длины волны света, поэтому закон (2) лучше записать для монохроматического света:
(3)
где k - монохроматический натуральный показатель поглощения. Бугер и независимо от него Бер (1852) установили, что поглощение света раствором пропорционально молекулярной концентрации с растворенного вещества, т.е.
k с - закон Бера, |
(4) |
где - натуральный молярный показатель поглощения. Используя закон (6), можно записать закон Бугера - Ламберта - Бера:
I I0e |
c |
(5) |
|
||
В лабораторной практике закон Бугера - Ламберта - Бера обычно |
||
выражают через показательную функцию с основанием 10: |
|
|
I I010 / c , |
(6) |
|
где - молярный показатель поглощения;
с – концентрация;
/ |
|
l – толщина. 0.43 |
Отношение интенсивности потока, прошедшего через данное тело или раствор, к потоку излучения, упавшего на это тело, называют коэффициентом пропускания (прозрачностью).
I I0
Десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания, называется оптической плотностью раствора.
|
1 |
|
I |
0 |
|
I |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
||||
D lg |
|
lg |
|
|
lg |
|
|
|
lg10 |
|
c |
|
I |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
I010 |
c |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На основе закона Бугера - Ламберта - Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в слабоокрашенном растворе (концентрационная колориметрия).
УСТРОЙСТВО И РАБОТА КОЛОРИМЕТРА ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КФК-2
Принцип измерения коэффициента пропускания состоит в том, что на фотоприемник направляются поочередно световые потоки - прошедший
через прозрачную (эталонную) среду Фо λ и прошедший через исследуемую среду Фλ и определяется отношение этих потоков.
На колориметре это отношение определяется следующим образом: вначале световой пучок пропускают через кювету с растворителем или контрольным раствором. Изменением чувствительности колориметра добиваются, чтобы отсчет по шкале оптической плотности был равен 0. Полный световой поток Фо условно принимается равным 100%. Затем в
световой поток помещают кювету с исследуемым раствором. Полученный отсчет по шкале D оптической плотности исследуемого раствора колориметра будет соответствовать Ф1λ.
ВНЕШНИЙ ВИД КОЛОРИМЕТРА
Рис. 2.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА КФК-2
Рис. 3.
1 - лампа; 2 - конденсор; 3 - диафрагма; 4 - набор светофильтров; 5 - защитные стекла; 6 - кювета; 7 - фотоэлемент.
Световой поток Ф, пройдя через исследуемый раствор, воздействует на фотоприемники (фотоэлементы).
Ток фотоэлемента усиливается и подается на измерительный прибор, показания которого пропорциональны световому потоку, проходящему через исследуемый раствор.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какие явления наблюдаются при прохождении света через раствор?
2.Напишите закон Бугера - Ламберта; Бера; Бугера – Ламберта - Бера.
3.Как зависит поглощение света от концентрации?
4.Что такое оптическая плотность вещества?
5.Что называется прозрачностью растворов?
6.Как определить концентрацию окрашенных растворов на ФЭКе?
7.С какой целью строится градуировочная кривая?
8.Для чего предназначен ФЭК?
9.Какие биологические жидкости можно исследовать с помощью
ФЭКа?
ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Последовательность |
Способ выполнения задания |
|
действий |
|
|
1. Подготовка прибора |
1. |
Установите минимальную чувствительность колориметра. |
к работе. |
Для этого ручку "ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ" установите в |
|
|
положение (1), ручку "УСТАНОВКА ГРУБО" - в крайнее |
|
|
левое положение. |
|
|
2. |
Включите колориметр и дайте прогреться 5-6 мин. |
|
3. |
Крышка кюветного отделения остаѐтся открытой. Закрывать |
|
|
отделение только в момент измерений. Это условие |
|
|
необходимо выполнять для того, чтобы увеличить ресурс |
|
|
фотоэлемента. |
|
|
|
2. Выбор светофильтра. |
1. Наполните одну кювету растворителем (дистиллированной |
|||||||
|
водой) и установите ее в кюветное отделение (положение |
|||||||
|
ручки 1). Вторую кювету заполните раствором наименьшей |
|||||||
|
концентрации (или по указанию преподавателя) и установите |
|||||||
|
ее в кюветное отделение (положение 2). Закройте крышку |
|||||||
|
кюветного отделения. |
|
|
|
||||
|
2. Установите минимальную длину волны (315 нм). |
|
||||||
|
3. Ручками "Чувствительность" и "Грубо", "Точно" установите |
|||||||
|
на 0 оптическую плотность по шкале прибора (ручка кюветы в |
|||||||
|
положении 1). |
|
|
|
||||
|
4. Поворотом ручки (в положение 2) кювету с растворителем |
|||||||
|
замените кюветой с исследуемым раствором. |
|
||||||
|
5. Запишите значение оптической плотности для данной длины |
|||||||
|
волны (D). |
|
|
|
|
|
||
|
6.Снимите показание оптической плотности D данного |
|||||||
|
исследуемого раствора для других длин волн (364 ... до 540 |
|||||||
|
нм). |
|
|
|
|
|
||
|
7. Данные измерений запишите в таблицу. |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
8. Постройте график зависимости D = f ( ). |
|
||||||
3. Построение |
1. Установите светофильтр, при котором оптическая |
плотность |
||||||
градуировочной |
исследуемого вещества имеет наибольшее значение. |
|||||||
кривой. |
2. Проведите |
измерение |
оптической плотности |
растворов |
||||
|
различной концентрации аналогично пунктам 3-5 задания 2. |
|||||||
|
3. Данные занесите в таблицу. |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
С |
|
Сср |
|
D |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
4. Постройте график зависимости оптической плотности от |
|||||||
|
концентрации D= f (c). |
|
|
|
||||
|
1. Используя графический метод погрешности измерений, |
|||||||
5. Анализ результатов |
найдите величину абсолютной погрешности |
|
||||||
измерений. |
Cср |
C1 C |
2 .... Cn |
|
|
|
||
|
|
|
n |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
6. Определение |
1. Измерьте оптическую плотность Dх раствора неизвестной |
|||||||
неизвестной |
концентрации. |
|
|
|
||||
концентрации раствора. |
2. По градуировочному графику определите концентрацию |
|||||||
|
неизвестного раствора. |
|
|
|
||||
7. Сделайте |
|
|
|
|
|
|
|
|
вывод. |
|
|
|
|
|
|
|
|