1. Лабораторная работа. Определение содержания меди (ΙΙ) в растворе методом градуировочного графика

Абсорбционный фотометрический анализ

Оглавление

• Теоретическая часть
• Экспериментальная часть
•         1. Сущность метода
•         2. Принцип работы фотоэлектроколориметра
• КФК-2
•         3. Порядок выполнения работы

 

Теоретическая часть 

Оптические методы анализа основаны на использовании явлений испускания электромагнитного излучения атомами или молекулами исследуемого вещества или взаимодействия этого излучения с веществом. Так как природа излучения зависит от качественного и количественного состава вещества, то это позволяет проводить его анализ.

По характеру взаимодействия излучения с исследуемым веществом (по поглощению излучения) и способу его измерения различают: абсорбционную спектроскопию; нефелометрию; турбидиметрию; люминесцентный анализ.

В фотометрическом анализе используют поглощение электромагнитного излучения в УФ, видимой и ИК-областях спектра. Наибольшее распространение получили фотометрические методы анализа, основанные на поглощении в видимой области спектра, т.е. в интервале длин волн 400 − 780 нм. Это объясняется возможностью получения множества интенсивно окрашенных органических и неорганических соединений, пригодных для их фотометрического определения в видимой области спектра с помощью достаточно несложных и относительно недорогих приборов.

Химические реакции, используемые в фотометрическом анализе, несмотря на различия в их химизме, должны обязательно сопровождаться возникновением или ослаблением светопоглощения раствора. Как и каждая реакция, используемая в количественном анализе, цветная реакция должна протекать избирательно, быстро, полностью и воспроизводимо. Кроме того, окраска образующейся аналитической формы должна быть устойчивой во времени и к действию света, а поглощение раствора, несущее информацию о концентрации поглощающего вещества, должно подчиняться физическим законам, связывающим поглощение и концентрацию, конкретно закону Бугера – Ламберта – Бера.

При прохождении потока излучения через частично поглощающую среду интенсивность прошедшего потока I согласно закону Бугера − Ламберта − Бера равна

 I = I₀ *10^−εlc

 где I₀ − интенсивность падающего потока;

      ε − молярный коэффициент поглощения при данной длине волны;

      l − толщина поглощающего слоя;

      c − концентрация поглощающего вещества, моль/дм³.

Или в логарифмической форме:

lgI = lgI₀ − ε l c;

lg (I₀ / I) = A = ε l c

Величину lg (I₀ / I), характеризующую поглощающую способность вещества в растворе, называют оптической плотностью. В аналитической практике, стремясь подчеркнуть сущность процесса, лежащего в основе фотометрического определения, а именно поглощение квантов электромагнитного излучения оптического диапазона аналитической формой, эту величину называют поглощением или светопоглощением и обозначают буквой А. Для раствора поглощающего вещества при постоянных концентрациях и толщине поглощающего слоя А зависит от длины волны. Серию аналитических определений выполняют при постоянной толщине поглощающего слоя.

На основе закона Бугера − Ламберта − Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе.

 

Экспериментальная часть

 Цель работы: изучение явления поглощения света веществом, устройства и принципа действия однолучевого фотоколориметра и определение с его помощью концентрации растворов.

 Задача: Определить массу меди в растворе сульфата меди методом градуировочного графика.

 Приборы и реактивы:

Фотоэлектроколориметр КФК – 2, кюветы с рабочей поверхностью 1 см, мерная колба на 1000 мл, 7 мерных колб на 50 мл, пипетка, фильтровальная бумага; сульфат меди СuSO₄·5Н₂О, концентрированная серная кислота, раствор аммиака, дистиллированная вода.

 

Сущность метода

Определение меди Cu²⁺ в растворах представляет большой практический интерес: оно проводится на предприятиях текстильной промышленности, цветной металлургии, при анализе промышленных сточных вод и др. Соли меди (ІІ) широко применяют в сельском хозяйстве как ядохимикаты. Кроме того, ион Cu²⁺ входит в состав медных микроудобрений.

Фотометрические определения меди выполняют аммиачным, ферроцианидным и другими методами. Аммиачный метод основан на образовании ионом Cu²⁺ с аммиаком комплекса [Cu(NH₃)₄]²⁺, окрашенного в интенсивно-синий цвет.

 

Принцип работы фотоэлектроколориметра КФК - 2

Фотоэлектроколориметр КФК-2 работает по однолучевой схеме, предназначен для определения концентрации вещества в окрашенных или коллоидных растворах путем сравнения их оптической плотности с оптической плотностью стандартных растворов в диапазоне длин волн от 315 – 980 нм.

 Оптическая схема однолучевого фотоэлектроколориметра КФК - 2

 

1-лампа накаливания; 2-конденсатор; 3-щель диафрагмы; 4,5-объектив; 6,7-теплозащитные фильтры; 8,14-светофильтры; 9,11-защитное стекло; 10-кювета; 12-фотодиод; 13,16-матовое стекло; 15-делитель светового потока; 17-фотоэллемент.

Свет от лампы накаливания 1 направляется конденсором 2 в щель диафрагмы 3, из которой узкий пучок полихроматического света попадает через объектив 4, 5 и теплозащитный фильтр 6 и 7 на светофильтры 8, служащие для выделения узких участков спектра из сплошного спектра излучения лампы. В дальнейшем световой поток с узким диапазоном длин волн, пройдя защитное стекло 9, направляется в кювету с раствором 10, из которой ослабленный раствором световой поток попадает через защитное стекло 11 на регистрирующий фотоэлемент Ф-26 17, работающий в пределах 315-540 нм, или фотодиод ФД-7К 12 при измерении в пределах спектра 590-980 нм. Пластина 15 делит световой поток на две части, из которых примерно 90% направляется на фотоэлемент Ф-26 и 10% - на фотодиод ФД-7К. Для уравновешивания фототоков при работе с различными цветными светофильтрами перед фотодиодом установлен светофильтр 14, а более равномерная освещенность фотоприемников (фотодиода и фотоэлемента) достигается с помощью матовых стекол 13 и 16. Для предохранения фотоприемников от попадания дневного света при открывании крышки кюветной камеры установлена металлическая шторка, автоматически закрывающаяся при открывании крышки.

Внешний вид фотоэлектроколориметра КФК - 2

         

1-микроамперметр со шкалой, оцифрованной в коэффициентах пропускания  Т и оптической плотности Д;2-источник света; 3-ручка переключения светофильтров; 4-ручка переключения кювет; 5-ручка переключения фотоприемников (чувствительности); 6,6'-чувствительность «ГРУБО» и «ТОЧНО»; 7-тумблер включения прибора; 8-кюветная камера.

Общие правила эксплуатации прибора

1. Измерения на приборе можно начинать спустя 10-15 минут после включения питающего устройства, так как это время необходимо для установления стабильного режима работы электросхемы прибора.

2. Рабочие поверхности кювет должны перед каждым измерением тщательно протираться. При  установке кювет в кюветодержатели нельзя касаться пальцами рабочих участков поверхностей (ниже уровня жидкости в кювете). Наличие загрязнений или капель раствора на рабочих поверхностях кюветы приводит к получению неверных результатов измерений.

3. Если в процессе работы светофильтр меняется на другой, то измерения следует производить не ранее, чем через 1 минуту после смены светофильтра. При переключениях светофильтров ручка ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ должна находится в положении «1» , а ручка -УСТАНОВКА 100 ГРУБО – на минимальной чувствительности. Этим предохраняется от перегрузки регистрирующий прибор и возможность его порчи.

4. При измерении со светофильтрами 315, 364, 400, 440, 490, 540 нм, отмеченными на лицевой панели колориметра черным цветом, ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ устанавливать в одно из положений «1», «2», «3», отмеченных на лицевой панели также черным цветом.

При измерении со светофильтрами 590, 670, 750, 870, 980 нм, отмеченными на лицевой панели колориметра красным цветом, ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ устанавливать в одно из положений «1», «2», «3», отмеченных на лицевой панели также красным цветом.

5. После завершения работ на колориметре до его выключения ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ установить в положение «1», обозначенное красным цветом, а ручку УСТАНОВКА 100 ГРУБО – в крайнее левое положение, и только после этого выключить тумблер СЕТЬ колориметра.

6. После выполнения работы вымыть кюветы проточной водой.

 Техника безопасности

1. Приступить к выполнению работы только после изучения методической разработки.

2. Не открывать кюветную камеру при открытой шторке.

3. Работать только с заземленным прибором. При поражении током обесточить цепь: вынуть вилку из розетки либо выключить рубильник.

 

Порядок выполнения работы

Перед определением концентраций меди в растворе необходимо построить градуировочный график, пользуясь раствори­телем и стандартным раствором соли меди.

 1. Приготовление стандартного раствора соли меди

3,927 г химически чистого сульфата меди СuSO₄·5Н₂О переносят в мерную колбу вмести­мостью 1000 мл, растворяют, приливают 5 мл концентрированной серной кислоты (пл. 1,84 г/см³) и доводят водой до метки. В 1 мл этого раствора содержится 1 мг иона Сu²⁺.

 2. Построение градуировочного графика

В шесть мерных колб вмес­тимостью по 50 мл отмерьте пипеткой соответственно 25, 20, 15, 10, 5 и 2,5 мл стандартного раствора соли меди. В каждую из колб прибавь­те по 10 мл разбавленного (1:3) раствора аммиака и доведите объемы дистиллированной водой до метки.

 Измерение оптической плотности стандартных растворов

1. Колориметр включить в сеть за 15 минут до начала измерений. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто (при этом шторка перед фотоприемниками перекрывает световой пучок).

2. Установить минимальную чувствительность колориметра. Для этого ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ установить в положение «1», ручку УСТАНОВКА 100 ГРУБО — в крайнее левое положение.

3. Ввести необходимый по роду измерения цветной светофильтр (540 нм).

4. Перед измерениями и при переключении фотоприемников проверить установку стрелки колориметра на «0».

5. В световой пучок поместить кюветы с водой и первым стандартным раствором (имеющий наибольшую концентрацию меди).

6. Закрыть крышку кюветного отделения.

7. Ручками ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ и УСТАНОВКА 100 ГРУБО и ТОЧНО установить отсчет 100 по шкале колориметра. Ручка ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ может находиться в одном из трех положений: «1», «2» или «3».

8. Затем, поворотом ручки (4)  кювету с водой заменить кюветой с исследуемым раствором.

9. Снять отсчет по шкале D в единицах оптической плотности.

10. Измерение проводить 3 раза и окончательное значение измеренной величины определить как среднее арифметическое из полученных значений. Данные занести в таблицу.

11. Аналогично определить оптическую плотность остальных стандартных растворов. 

  Таблица. Оптическая плотность растворов

	1	2	3	4	5	6	Исп. р-р
С, мг/мл	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,06
А

 

Измерив оптическую плотность А всех растворов, постройте градуировочный график. При этом по горизонтали оси откладывайте известные концентрации ионов Сu²⁺ (т.е. 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,06 мг меди в 1 мл), а по вертикальной — соответствующие им оптические плотности растворов.

 3. Определение меди в исследуемом  растворе

В колбу с исследуемым раствором (получить у лаборанта) прилейте разбавленный раствор (1:3) аммиака в объеме 10 мл и доведите объем в колбе водой до метки.

Раствор тщательно перемешайте, наполните им кювету с рабочей шириной 1 см и измерьте его оптическую плотность при тех же условиях, при каких был полу­чен градуировочный график.

Зная величину оптической плотности, найдите по градуировочному графику кон­центрацию иона Сu²⁺ в миллиграммах на 1 мл раствора. Умножив ее на объем всего анализируемого раствора (50 мл), вычислите общую массу меди. 

2. Лабораторная работа. Определение железа (III) в растворе методом добавок

Абсорбционный фотометрический анализ

Оглавление

• Теоретическая часть
• Экспериментальная часть
•       1. Сущность метода
•       2. Принцип работы фотоэлектроколориметра КФК-2
•       3. Порядок выполнения работы
•       4. Обработка результатов

 

Теоретическая часть [ссылка] 

 

Экспериментальная часть

Цель работы: определить  массу железа (III)  в выданном растворе методом добавок на фотоэлектроколориметре КФК-2.

 Приборы и реактивы:

Фотоэлектроколориметр КФК – 2, 2 мерные колбы объемом 100 мл, содержащие анализируемый раствор соли железа (III), кюветы с рабочей поверхностью 50 мм, раствор азотной кислоты, раствор серной кислоты, раствор сульфосалициловой кислоты, дистиллированная вода.

Сущность метода

Железо (III)   образует с сульфосалициловой кислотой ряд комплексных соединений в зависимости от кислотности раствора.

1. При рН 1,8-2,5 образуется комплексное соединение фиолетового цвета, имеющее состав 1:1. Моносульфосалицилат железа имеет λ = 510 нм и молярный коэффициент поглощения ε₅₁₀= 1,8*10³ 

2. При увеличении рН до 4-8 образуется комплексное соединение, имеющее состав 1:2.

3. При рН 9-11,5 образуется комплекс состава 1:3, растворы которого окрашены в желтый цвет. Трисульфосалицилат железа имеет λ = 416 нм молярный коэффициент поглощения ε₄₁₆= 5,8*10³   

При рН больше 12 происходит разложение  комплексного соединения с выделением в осадок гидроксида железа (III) .

Железо (III)   не дает  с сульфосалициловой кислотой   интенсивной окраски, но вследствие легкой окисляемости железа (II) в железо (III) в щелочной среде можно определять сумму железа (II) и  железа (III). Комплексные соединения железа с сульфосалициловой кислотой более устойчивы, чем роданидные комплексы железа, что позволяет применять рассматриваемый метод для определения железа в присутствии фосфатов, ацетатов и боратов.

В присутствии магния, алюминия, марганца и некоторых других элементов более применим способ определения железа в кислой среде.

 Сульфосалициловая кислота.

*2 Н₂О

 М=254 г/моль

Β(FeL₃ ⁶)=3, 98*10³² , где Β(FeL)=1, 05*10¹⁵

 Для определения концентрации железа (III) измеряют оптические плотности испытуемого раствора и испытуемого раствора с добавкой стандартного раствора. В качестве раствора сравнения используют растворитель. Расчет концентрации испытуемого раствора проводят по формуле.

Измерение оптической плотности проводят на фотоэлектроколориметре.

 

Принцип работы фотоэлектроколориметра КФК-2 [ссылка]

 

Порядок выполнения работы

 1. Приготовление стандартного раствора соли железа

Навеску железоаммонийных квасцов NH₄Fe(SO₄)₂ * 12 H₂O массой 0,8640 г переносят в мерную колбу вмести­мостью 1000 мл, растворяют, приливают 25 мл концентрированной азотной кислоты (пл. 1,19 г/см³) и доводят водой до метки. В 1 мл этого раствора содержится 0,1 мг (концентрация раствора равна 0,0001 г/мл) иона Fe³⁺.

 Расчет:

m (Fe) = m (навески) *((М (Fe) / M (NH₄Fe(SO₄)₂ * 12 H₂O))                       (1)

m (Fe) = 0,8640 * (55,85 / 481,85) = 0,1 г (масса Fe, содержащаяся в 1 литре раствора).

Отсюда в 1 мл раствора содержится 0,0001 г Fe (или 0,1 мг).

  2. В мерную колбу объемом 100 мл, содержащую анализируемый раствор (выдается лаборантом), добавить раствор азотной кислоты объемом 2 мл, раствор серной кислоты объемом 2 мл, раствор сульфосалициловой кислоты объемом 10,00 мл (последнюю отобрать пипеткой). Содержимое колбы довести до метки  дистиллированной водой.

  3. В другую  мерную колбу (С_х+а) объемом 100 мл, содержащую также  анализируемый раствор (выдается тоже лаборантом), добавить те же реактивы и в тех же объемах, что и в первую, и стандартный раствор соли железа (III) определенного объема (2 мл). Содержимое второй колбы довести  до метки дистиллированной  водой (получен анализируемый раствор с добавкой стандартного).

 4. Измерение оптической плотности приготовленных растворов

1. Колориметр включить в сеть за 15 минут до начала измерений. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто (при этом шторка перед фотоприемниками перекрывает световой пучок).

2. Установить минимальную чувствительность колориметра. Для этого ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ установить в положение «1», ручку УСТАНОВКА 100 ГРУБО — в крайнее левое положение.

3. Ввести необходимый по роду измерения цветной светофильтр (540 нм).

4. Перед измерениями и при переключении фотоприемников проверить установку стрелки колориметра на «0».

5. В световой пучок поместить кюветы с водой и первым анализируемым раствором.

6. Закрыть крышку кюветного отделения.

7 Ручками ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ и УСТАНОВКА 100 ГРУБО и ТОЧНО установить отсчет 100 по шкале колориметра. Ручка ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ может находиться в одном из трех положений: «1», «2» или «3».

8. Затем, поворотом ручки (4)  кювету с водой заменить кюветой с исследуемым раствором.

9.Снять отсчет по шкале D в единицах оптической плотности.

10.Измерение проводить 3 раза и окончательное значение измеренной величины определить как среднее арифметическое из полученных значений. Данные занести в таблицу.

11.Аналогично определить оптическую плотность анализируемого раствора с добавкой стандартного.

12. По окончании работы вынуть кюветы из кюветодержателей, растворы вылить. Промыть кюветы сначала водопроводной, затем дистиллированной водой и протереть фильтровальной бумагой наружные стенки.  

 Обработка результатов

Применяя основной закон светопоглощения, к сравниваемым растворам имеем:

 А_х =  ε С_х l _х   ;    А_х+а =  ε С_х+а  l _х+а  ,

 где А_х – оптическая плотность анализируемого раствора;

А_х+а  - оптическая плотность анализируемого раствора  с добавкой стандартного раствора

ε- молярный коэффициент поглощения;

С_х – концентрация исследуемого раствора;

С_х+а   - концентрация раствора  с добавкой  стандартного;

l_х, l_х+а  - толщина поглощающего слоя.

  Решая эти уравнения относительно неизвестной концентрации, получают расчетную формулу:

 С_х = А_х  С_а / (А_х+а  - А_х),             (2)

 С_а – концентрация добавки.

 1. Рассчитываем концентрацию добавки

 С_а = (V(добавки) * С (раствора)) /  V (колбы)                                                 (3)

 2. По формуле (2) вычисляем концентрацию анализируемого вещества в г/мл.

 3. Полученную концентрацию иона умножаем на объем анализируемого раствора (100 мл), вычисляем общую массу железа.

Вывод:

В выданном растворе определено железо (III) с массой, равной…. 

 

3. Лабораторная работа. Определение хрома (VΙ) в растворе методом сравнения

Абсорбционный фотометрический анализ

Оглавление

• Теоретическая часть
• Экспериментальная часть
•       1. Сущность метода
•       2. Принцип работы фотоэлектроколориметра КФК-2
•       3. Порядок выполнения работы
•       4. Обработка результатов

 

Теоретическая часть [ссылка]

 

Экспериментальная часть

Цель работы: определить концентрацию хрома в выданном растворе методом сравнения на фотоэлектроколориметре.

 Приборы и реактивы:

Фотоэлектроколориметр КФК – 2, кюветы с рабочей поверхностью 50 мм, мерная колба на 50 мл, колба с исследуемым раствором, колба со стандартным раствором, пипетки на 10 мл, фильтровальная бумага; дихромат калия K₂Cr₂O₇, дистиллированная вода.

 

Сущность метода

Для колориметрирования используется светопоглощение ионами, образованными шестивалентным хромом. Измеряют оптические плотности стандартного раствора известной концентрации и исследуемого раствора. Максимальное поглощение света растворами дихромата наблюдается при 400-450 нм.

Оптические плотности исследуемого и стандартного растворов измеряют по отношению к нулевому раствору (дистиллированной воде) на фотоколориметре или фотометре. Измерение проводят несколько раз и по средним значениям А_х и А_ст вычисляют с_х.

 

Принцип работы фотоэлектроколориметра КФК-2 [ссылка]

 

Порядок выполнения работы

1. Приготовление стандартного раствора дихромата калия

Растворяют 0,2818 г К₂Cr₂O₇ в дистиллированной воде и объем раствора доводят водой до литра. Стандартный раствор содержит 0,1 мг Сr в 1 мл.

 2. Заполнить бюретку стандартным раствором и отобрать из нее 10 мл в мерную колбу на 50 мл. Довести объем до метки дистиллированной водой и тщательно перемешать. Рассчитать концентрацию стандартного раствора.

3. Получить исследуемый раствор. Довести до метки дистиллированной водой, перемешать.

4. Измерить оптическую  плотность приготовленных растворов.

1. Колориметр включить в сеть за 15 минут до начала измерений. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто (при этом шторка перед фотоприемниками перекрывает световой пучок).

2. Установить минимальную чувствительность колориметра. Для этого ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ установить в положение «1», ручку УСТАНОВКА 100 ГРУБО — в крайнее левое положение.

3. Ввести необходимый по роду измерения цветной светофильтр (440 нм).

4. Перед измерениями и при переключении фотоприемников проверить установку стрелки колориметра на «0».

5. В световой пучок поместить кюветы с водой и стандартным раствором

6. Закрыть крышку кюветного отделения.

7 Ручками ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ и УСТАНОВКА 100 ГРУБО и ТОЧНО установить отсчет 100 по шкале колориметра. Ручка ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ может находиться в одном из трех положений: «1», «2» или «3».

8. Затем, поворотом ручки (4)  кювету с водой заменить кюветой со стандартным раствором.

9.Снять отсчет по шкале D в единицах оптической плотности.

10.Измерение проводить 3 раза и окончательное значение измеренной величины определить как среднее арифметическое из полученных значений. Данные занести в таблицу.

11.Заменить кювету со стандартным раствором кюветой с исследуемым раствором. Аналогично определить оптичесчкую плотность исследуемого раствора.

12. По окончании работы вынуть кюветы из держателя, а растворы вылить. Промыть кюветы сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой и досуха протереть фильтровальной бумагой.

13. Выключить прибор: рукоятку чувствительности поставить в положение «1» красного цвета. Выключить прибор из сети.

 

Обработка результатов

Применяя основной закон светопоглощения к сравниваемым растворам, имеем:

 А_х = ε с_х l_х;        А_ст = ε с_ст l_ст ,

 где  А_х – оптическая плотность исследуемого раствора;

А_ст - оптическая плотность стандартного раствора;

ε – молярный коэффициент поглощения;

с_х – концентрация исследуемого раствора, мг/мл;

с_ст - концентрация стандартного раствора, мг/мл;

l_х = l_ст - толщина поглощаемого слоя.

 Решая эти уравнения относительно неизвестной концентрации, получают расчетную формулу:

 с_х = А_{х *} с_ст / А_ст   [мг/мл]

По этой формуле вычисляют концентрацию элемента в исследуемом растворе, учитывая разбавление стандартного раствора.