Лабораторна робота № 2.

Фотоколориметричний аналіз суміші барвників

Мета роботи: визначити концентрації кожного з двох барвників у їхній суміші колориметричним методом.

Обладнання і реактиви: колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2 або колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2МП, колби мірні об’ємом 25 мл, піпетки на 1 мл, набір кювет, еталонні розчини з концентрацією барвників 1 г/л.

Колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2 призначується для вимірювань в окремих ділянках діапазону довжин хвиль від 315 до 980 нм, які виділяються за допомогою 11 світлофільтрів. Границі вимірювань оптичної густини від "0" до "2,0". Джерело випромінювання – галогенова лампа.

6 5 1 3 4 2 7 8 9

Рис. 5. Колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2

1 – тумблер "Сеть"; 2 – амперметр; 3 – кришка робочої камери; 4 – важіль управління столиком тримача кювет; 5 – світловий індикатор; 6 – ручка перемикача світлофільтрів; 7 – ручка управління чутливістю; 8 – ручка "Установка грубо"; 9 – ручка встановлення "Точно".

 

Правила роботи з фотоелектроколориметром КФК-2

1. Перед початком роботи прилад увімкнути у мережу і прогріти протягом 15 хвилин. При цьому кюветне відділення повинно бути відкрито.

2. Встановити кольоровий світлофільтр, який зазначений у методиці.

3. У світловий пучок встановлюють кювету з контрольним розчином (дистильована вода).

4. Закрити кришку кюветного відділення.

5. Ручками "Чувствительность" і "Установка 100 грубо", а потім "Точно" встановити відлік 100 по шкалі колориметра (Т) або "0" по шкалі оптичної густини D. Ручка "Чувствительность" може знаходитися у положенні 1, 2, 3.

6. Замінити кювету з контрольним розчином на кювету з досліджуваним розчином.

7. Зняти показання по шкалі оптичної густини (D).

8. Виміри проводять не менше трьох разів і знаходять середнє арифметичне значення (Dсер.).

9. По закінченні роботи вимкнути прилад.

Колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2МП. Особливістю конструкції цього приладу є мікропроцесорна система (МПС), яка поширює його експлуатаційні можливості. На передній панелі МПС розташовані клавіатура, цифрове табло та 2 сигнальні світлодіода. Клавіатура складається з 24 клавіш, які призначені для оперативного управління фотометром.

 

5 6 а в 3 4 2 б 7 1

Рис. 6. Колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2МП

1 – тумблер "Сеть"; 2 – мікропроцесорна система: а – циф­рове табло, б – сигнальні світлодіоди, в – клавіатура управління; 3 – кришка робочої камери; 4 – важіль управління столиком тримача кювет; 5 – світловий індикатор; 6 – ручка перемикача світлофільтрів; 7 – ручка управління чутливістю світлоприймача.

 

Правила роботи з колориметром КФК-2МП

1. Вмикають прилад у мережу, тумблер "сеть", кнопку "пуск"; на цифровому табло з’являється миготлива кома. Прогрівають прилад 30 хвилин з відкритою робочою камерою.

2. Встановлюють необхідну довжину світлової хвилі ручкою "Светофильтры" і відповідне значення чутливості фотоприймача.

3. У світловий потік вміщують кювету з контрольним розчином.

4. При відчиненій кришці робочої камери натиснути кнопку "ц/р" – режим роботи "р" – ручний, загоряється світлодіод "р". При віджатій кнопці "ц/р" – режим роботи "ц" – циклічний, загоряється світлодіод "ц" (вимірювання через кожні 5 секунд).

5. Натиснути кнопку "Ш(О)" – нульовий відлік. На цифровому табло зліва від коми висвітлюється цифра "0", справа – значення нульового відліку, допустимі межі від 0,001 до 1,0.

6. Закрити кришку робочої камери. Натиснути кнопку "К(1)" – вимірювання контрольного розчину. На цифровому табло зліва від миготливої коми загоряється символ "1".

7. Ввести у світловий потік кювету з дослідним розчином. Для вимірювання оптичної густини треба натиснути кнопку "Д(5)". На цифровому табло зліва від миготливої коми з’являється символ "5". Справа від миготливої коми – значення виміряної оптичної густини.

8. Виміри проводять не менше трьох разів і знаходять середнє арифметичне значення. По закінченні роботи вимкнути прилад.

Методика виконання роботи

Послідовність роботи: 1) вибір світлофільтра; 2) побудова калібрувального графіка для даної речовини; 3) вимір оптичної густини досліджуваного розчину і визначення концентрації речовини в розчині.

Вибір світлофільтра. Із запропонованих барвників вибрати два такі, що мають найбільшу різницю між максимумами оптичних густин на спектральних характеристиках. Необхідно одержати спектральні характеристики кожного барвників у водяному розчині. Для чого готують і вимірюють оптичну густину стандартних розчинів з концентрацією досліджуваних барвників 0,02 г/л. Розчин порівняння –дистильована вода. Дані оптичних густин для кожного барвника заносять у таблицю 4, записують назви барвників, які досліджують. За отриманими даними для двох вибраних барвників на міліметровому папері будують криві, відкладаючи по осі абсцис – довжини хвиль l, а по осі ординат - відповідні значення оптичної густини розчину. За графіком залежності D від l знаходять максимум поглинання для обох барвників і відповідні світлофільтри. При цьому можуть бути два варіанти: барвник А при довжині хвилі світлофільтра l₁, має максимальну оптичну густину D^A; барвник В при цій же довжині хвилі l₁ має оптичну густину D = 0, і навпаки (рис. 7). Проте значно частіше зустрічається другий варіант, у якому барвник А при довжині хвилі світлофільтра l₁ має максимальну оптичну густину D^А, а барвник В при цей же довжині хвилі має оптичну густину D^В, відмінну від 0.

Побудова калібрувального графіку. Готують 2-3 стандартних розчинів обох барвників з концентраціями, наприклад 0,01 г/л і 0,03 г/л. Вимірюють оптичні густини розчинів з обраними світлофільтрами, дані записують у табл.5. Будують градуйовані криві, відкладаючи по осі абсцис – відомі концентрації, а по осі ординат – відповідні їм значення оптичної густини (рис. 8).

Таблиця 4

Залежність оптичної густини стандартних розчинів барвників

від довжини хвилі

№ з/п	l, нм	Оптична густина барвника
А –	В –

№ з/п	l, нм	Оптична густина барвника
С –	Д –

Для аналізу суміші вибрано: барвники А –________________________________

В –______________________________________, l₁ =, l₂ =

 

Рис. 7. Спектральна характеристика розчинів барвників А і В

(варіант 1) (варіант 2)

 

Таблиця 5

Оптична густина стандартних розчинів барвників А і В

(для побудови калібрувальних графіків)

Концентрація стандартних розчинів, г/л	Оптична густина
барвника А	барвника В
D(l1) сер.	D(l2) сер.	D(l1) сер.	D(l2) сер.
0,01
0,02
0,03

Визначення концентрації речовини в розчині. Використовуючи калібрувальні графіки, визначають молярні коефіцієнти поглинання за формулою:

ε , де D - приведена густина на одиницю товщини шару розчину .

Задають певні концентрації барвників у суміші. Розраховують об’єми барвників за законом еквівалентів (С₁V₁ = С₂V₂). Готують суміш з відомими концентраціями кожного з барвників. У мірну колбу (25 мл) вносять аліквоту кожного з барвників, розводять дистильованою водою до мітки. Визначають оптичні густини розчину суміші барвників D₁ і D₂ з обраними світлофільтрами (l₁ і l₂). Дані заносять у таблицю 6.

або ; ,

де - оптичні густини відповідно барвника А і В; - сумарна оптична густина двох барвників при довжині хвилі відповідно l₁ і l₂; , - молярні коефіцієнти поглинання барвника А відповідно при довжині хвилі l₁ і l₂; , - молярні коефіцієнти поглинання барвника В відповідно при довжині хвилі l₁ і l₂; і - концентрація в розчині барвників А і В. Вирішуючи систему рівнянь визначають концентрацію барвників у розчині ( і ). ;

.

; .

 

Рис. 8. Калібрувальні криві

барвників А і В

 

 

За формулами обчислюють концентрації кожного з барвників у суміші і порівнюють це значення з теоретичним (взято) шляхом визначення похибки (%).

Проводять аналіз суміші барвників у контрольному розчині. У викладача отримують суміш барвників, фотоколориметрують і за формулами визначають концентрації кожного з барвників. Отримані дані оформлюють у вигляді таблиці 7.

Таблиця 6

Оптична густина суміші барвників А і В

№ з/п суміші	барвник	Взято барвника	Довжина хвилі, нм	Оптична густина суміші барвників
Концентрація С,г/л	Об’єм V, мл	D1	D2	D3	Dсер.
Відпрацювання методики
	А			l1
В			l2
	А			l1
В			l2
	А			l1
В			l2
Контрольні задачі
	А			l1
В			l2

 

Таблиця 7

Результати сумісного визначення барвників

№ з/п	Концентрація, г/л	Похибка, %
Взято барвника	Знайдено барвника	барвника А	барвника В
А	В	А	В
Відпрацювання методики
Контрольні задачі

 

За результатами роботи зробити висновок. _______________________________

_____________________________________________________________________________________

Питання та вправи для самоконтролю

1. У чому сутність фотометричного аналізу? Сформулюйте основний закон фотометрії.

2. Визначте поняття – оптична густина розчину. В якому випадку вона лінійно залежить від концентрації розчину?

3. Поясніть, які розчини називають еталонні, стандартні, контрольні, дослідні?

4. Охарактеризуйте принцип роботи фотоколориметрів. Наведіть оптичну схему приладів. Сформулюйте правила проведення фотометричних вимірювань.

6. Поясніть, чому оптичні методи аналізу частіше використовують в медицині.

7. Що загальне і що відрізняється у приведених типах фотоелектроколориметрів?

8. Вміст антрацену у розчині визначали за власним поглинанням при λ_еф.=253 нм. Відносна оптична густина стандартного розчину, який містить 35,0 мг/л антрацену, дорівнює 0,412. У досліджуваного розчину ця величина дорівнює 0,396. У кюветі порівняння в обох випадках був розчин з вмістом 30,0 мг/л антрацену. Обчисліть концентрацію (мг/л) антрацену у досліджуваному розчині.

9. Визначте молярну концентрацію йонів Стануму, якщо оптична густина досліджуваного розчину дорівнює 0,250, а стандартного розчину, який містить 0,0576 мг йонів Стануму в об’ємі 50 мл, 0,820.

10. Оптична густина розчину речовини у кюветі товщиною 3 см дорівнює 0,750. Стандартний розчин, який містить 5 мг/л цієї речовини має оптичну густину 0,550 у кюветі з товщиною 5 см. Обчисліть концентрацію розчину у мг/л.

2.2. Нефелометрія і турбідиметрія

 

Нефелометричний метод аналізу заснований на спроможності колоїдних систем розсіювати світло. Визначаючи інтенсивність опалесценції даної системи, можна визначити розмір колоїдних часток або концентрацію дисперсної фази.

В основі нефелометрії – рівняння Релея: ,

де , - інтенсивність відповідно розсіяного світла та світла, що падає; К - величина стала для даного колоїду, вона залежить від показників переломлення дисперсної фази і дисперсійного середовища; N - число часток в одиниці об'єму; V - об’єм колоїдної частки; l - довжина хвилі світла, що падає.

Добуток NV пропорційний масовій частці даного золю. Якщо об'єднати всі постійні для даного золю величини в К, можна написати рівняння: .

Це співвідношення дозволяє використовувати вимірювання інтенсивності розсіяного світла для визначення масової концентрації досліджуваного колоїду (якщо розміри часток не змінюються і дорівнюють розмірам часток стандартного золю). Метод використовується, зокрема, для аналізу аніонів (наприклад, SO₄^2–, PO₄^3– та інші).

При власне нефелометрії джерело і приймач світла у фотометрі розташовані взаємно перпендикулярно. Таким чином, вимірюється розсіяне світло. Схема спостереження в нефелометрії зображена на рис. 9:

 

 

Рис. 9. Схема спостереження в нефелометрії:

Д. в.- джерело випромінювання, К - кювета, ФЕ - фотоелемент, Г - гальванометр.

 

Турбідиметричним методом аналізу називається метод, який заснований на вимірюванні послаблення інтенсивності світлового потоку, який пройшов крізь розчин, що містить тверді частки. Теоретичним обґрунтуванням турбідиметрії є закон Бугера-Ламберта-Бера: ,

де К – коефіцієнт каламутності. При турбідиметрії джерело і приймач світла знаходяться на одній осі, тому вимірюється послаблення світлового потоку, що пройшов крізь мутний (колоїдний) розчин.

Схема спостереження в турбідиметрії наступна (рис.10):

 

Д.в.

 

 

Рис. 10. Схема спостереження в турбідиметрії.

 

При нефелометричних і турбідиметричних вимірюваннях можна використовувати фотоколориметри.

Лабораторна робота № 3

Нефелометричний аналіз

Мета роботи: визначити вміст йонів SO₄^2- у досліджуваних розчинах нефелометричним методом.

Принцип методу: йони барію та сульфат-йони утворюють дисперсну систему малорозчинного в кислих розчинах барій сульфату (добуток розчинності BaSO₄ ДР*= 1,1 · 10^–10): SO₄^2– + Ba²⁺ → BaSO₄↓.

Для забезпечення вибірковості визначення сульфатів відносно карбонатів, фосфатів, хроматів реакцію проводять у кислому середовищі.

Обладнання і реактиви: фотометр ЛМФ-72, технохімічні ваги, мірні колби об’ємом 100 мл, 500 мл, мірні пальчики, піпетки на 1 мл, 2 мл, циліндр на 25 мл, желатин, барій хлорид (BaCl₂) кристалічний, розчин сульфатної кислоти (H₂SO₄) з молярною концентрацією еквівалентів 0,05 моль/л.

Готування розчинів

Барій хлорид, насичений розчин. Розчиняють при нагріванні 4,4 г BaCl₂ у 10 мл води, розчин охолоджують і фільтрують.

Готування желатину. У 25 мл води, яка нагріта до 60°С, розчиняють 0,1 г желатину, розчин фільтрують і охолоджують. Желатин є стабілізатором суспензії.