Лабораторная работа №22 Определение оптической плотности и концентрации окрашенных растворов с помощью фотоэлектроколориметра
Студент должен знать: оптическую схему фотоэлектроколориметра; механизм поглощения света веществом; закон поглощения света (вывод); коэффициент поглощения и его физический смысл; от чего зависит коэффициент поглощения; коэффициент пропускания, оптическую плотность и связь между ними; рассеяние света, закон Релея, нефелометрия.
Студент должен уметь: пользоваться фотоэлектроколориметром, правильно определять оптическую плотность и концентрацию окрашенных растворов, оценивать погрешность измерения.
Краткая теория
При прохождении параллельного пучка монохроматического света через поглощающее вещество (если ослабление света определяется только числом поглощающих молекул, находящихся на пути лучей и не зависит от абсолютной величины потока, а также от взаимного влияния молекул) выполняется закон поглощения света, открытый французским ученым Бугером (1729) и подробно проанализированный Ламбертом (1760). Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество, вследствие прекращения световой энергии в другие виды энергии.
Каждый бесконечно тонкий слой однородной среды поглощает долю входящего в него светового потока, пропорциональную его величине. Вторая закономерность была установлена Бером (1852): поглощение света тонким слоем однородной среды пропорционально концентрации поглощающих молекул.
Установленные опытным путем Бугером, Лимбертом и Бергом закономерности можно выразить одним математическим выражением:
,
(1)
где I0 – входящий световой поток, I – выходящий световой поток,
α – показатель поглощения света, в общем случае зависящий от длины волны, С – концентрация, dl – элементы толщины слоя.
Интегрируя выражение (1) получим закон Бугера-Ламберта-Бера:
(2)
Закон справедлив для монохроматического света. Поэтому приборы для определения концентрации растворенного вещества снабжаются монохроматорами или светофильтрами.
Отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное тело или раствор, к потоку излучения, упавшего на это тело, называют коэффициентом пропускания. Выразим его как отношение интенсивностей:
(3)
При количественных измерениях следует учитывать, что часть светового потока отражается от стенок кюветы. Для разных кювет величина отраженного светового потока будет различна, а, следовательно, будет различен и световой поток I0. Это приводит, в конечном счете, к получению несопоставимых данных. Поэтому в фотоколориметрах чаще всего используют одну и туже кювету, поочередно заполняя ее раствором исследуемого вещества и растворителем.
На практике поглощение определяют оптической плотностью D, которая по определению равна
(4)
В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера
,
(5)
где α/ - десятичный показатель поглощения.
Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой поток отклоняется по всевозможным направлениям.
Необходимое условие для возникновения рассеяния света – наличие оптических неоднородностей, т.е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.
Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или неоднородности и длины волны. Отличие между этими явлениями заключается в том, что дифракция обусловливается интерференцией вторичных волн, а рассеяние – сложением (а не интерференцией!) излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в неоднородностях под воздействием света.
Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2λ, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Релея):
.
(8)
Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т.д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размеров макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т.д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы – нефелометрами.
Приборы, используемые для фотометрии (спектрофотометры) растворов обычно имеют шкалу, проградуированную в единицах оптической плотности. Поэтому для определения неизвестной концентрации раствора предварительно строят калибровочный график (зависимости, измеренной на данной длине волны света оптической плотности D от известной концентрации растворов С). В соответствии с выражением (5) (если соблюдаются все предположения, заданные при выводе формулы закона Бугера-Ламберта-Бера) калибровочный график представляет собой прямую в некотором диапазоне концентраций растворенного вещества. Измерив оптическую плотность Dy раствора с неизвестной концентрацией Сy по калибровочному графику находят неизвестную концентрацию Сx.