Основной закон светопоглощения. Закон Бугера- Ламберта-Бера

Г. И. Зорина, Першин В. В., Г.. Курунина

 

 

Лабораторная работа №7

Проверка закона Бугера -Ламберта -Бера

 

 

Методические указания к лабораторному практикуму

по дисциплинам «Аналитическая химия и ФХМА»

и «Технический анализ и контроль производства»

 

Волгоград, 2008

 

 

УДК 541. 1

 

Проверка закона Бугера –Ламберта -Бера. Методические указания к лабораторному практикуму по дисциплинам «Аналитическая химия и ФХМА» и «Технический анализ и контроль производства» / Сост. Г.И. Зорина, В. В Першин.,Г.М. Курунина; - ВПИ (филиал) ВолгГТУ - Волгоград, 2008. - 22 с.

 

Рассмотрены теоретические вопросы фотометрического метода анализа. Описан ход выполнения лабораторной работы, методика расчета, приведены контрольные вопросы для оценки качества усвоения материала.

 

Предназначены для студентов, обучающихся по направлениям 550800 “Химическая технология и биотехнология”, и 521600 «Экономика» и по специальностям 250500 “Химическая технология высокомолекулярных соединений”, 250600 “Технология переработки пластических масс и эластомеров”, 061100 «Менеджмент организации», 060800 «Экономика и управление на предприятиях по отрасли»

 

Р е ц е н з е н т:

К.х.н., доцент кафедры ВХТ Романова Марина Юрьевна

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

 

Табл. 4. рис. 6. Библиогр. 15 назв.

 

 

Ó Волгоградский государственный

технический университет, 2008

 

Цель работы: 1. Ознакомление с теоретическими законами фотометрии.

2.Проверка закона Бугера –Ламберта -Бера.

3. освоить работу на фотоэлектроколориметре.

Реактивы и оборудование:

1. Фотоэлектроколориметр КФК- 3 - 1 шт.

2. Мерная колба, 50 мл - 6 шт.

3. 0,1М раствор CuSO₄ в 0,5н H₂SO₄.

4. Раствор аммиака.

Теоретическая часть

Свет представляет собой электромагнитное излучение с определённым диапазоном длин волн.

Весь набор электромагнитных колебаний простирается от радиоволн до рентгеновских и γ-лучей с диапазонами:

10 ^-10 10 ^-8 10 ^-6 10 ^-4 10 ^-2 1 10 ² 10 ⁴ 10 ⁶ 10 ⁸ 10 ¹⁰ см

 

___ 1 _____ __ 3 __ _ 5 __ ___ 7 __

 

___ 2 ____ __ 4 __ __ 6 ___ _______ 8 ___________

 

1 - γ – излучение, 2 - рентгеновские лучи, 3 - ультрафиолетовое излучение,

4 - видимая область, 5 - инфракрасное излучение, 6 - микроволны,

7 - ультракоротковолновое излучение, 8 - радиоволны.

Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитные колебания в очень узком интервале (частично ультрафиолетовая, видимая и часть инфракрасной).

Для фотометрического анализа наиболее важное значение электромагнитное излучение со следующим интервалом длин волн (λ):

Длина волны (λ, нм)
200 -300 400 750	300-400	400-700	Выше 700
Ультрафиолетовая	Видимая	Инфракрасная
"дальний" ультрафиолет	"ближний" ультрафиолет

 

Длины волн измеряются по системе СИ в нанометрах (нм) или, что то же самое, в миллимикронах (ммк). Единицы эти численно равны:

1 ммк = 0,001 мк или 10^-9м и 1 нм = 10^{-9 м.}

Граница видимости фиолетовой части спектра несколько изменяется в зависимости от индивидуальности зрения того или иного человека. Большинство людей не способно воспринимать лучи света короче 400 нм. Границей видимости красной части спектра считается свет с длиной волны 750 нм. В видимой области спектра с изменением длины волны электромагнитного излучения изменяется и его цветовой тон. Цвет вещества, воспринимаемый человеком, является дополнительным к тому цвету (то есть к тем длинам волн), который поглощает вещество. В табл. 1 приведены "цвета" поглощаемого света и цвета веществ, в который они кажутся окрашенными.

Таблица 1

Зависимость цветового тона от длины волны электронного излучения

Длина волны, λ, нм	Энергия, Е,кДж/моль	Цвет поглощенного света	Цвет вещества
400-435	299-275	Фиолетовый	Жёлто-зелёный
435-480	274-249	Голубой	Жёлтый
480-490	249-244	Зеленовато-голубой	Оранжевый
490-500	244-238	Голубовато-зелёный	Красный
500-560	238-214	Зелёный	Пурпурный
560-580	214-206	Жёлто-зелёный	Фиолетовый
580-595	206-200	Жёлтый	Голубой
595-605	200-198	Оранжевый	Зеленовато-голубой
605-750	198-149	Красный	Голубовато-зелёный

Основной закон светопоглощения. Закон Бугера- Ламберта-Бера

Закон Бугера-Ламберта-Бера связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией этого вещества и толщиной слоя.

Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивность света, прошедшего через раствор исследуемого вещества и растворитель (рис. 1).

 

Рис. 1. Прохождение света через кюветы с раствором и растворителем

 

При одинаковой толщине кювет, изготовленных из одинакового материала и содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы в обоих пучках, и уменьшение интенсивности света будет зависеть практически только от концентрации вещества. Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:

, (1)

где I и I₀ - соответственно интенсивность света, прошедшего через раствор и растворитель.

Десятичный логарифм коэффициента светопропускания, взятый с обратным знаком, называется оптической плотностью (А):

. (2)

Уменьшение интенсивности при прохождении света через раствор подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

, (3)

 

или , (4)

или , (5)

где ε- молярный коэффициент погашения,

b - толщина светопоглощающего слоя,

с - концентрация раствора.

Если принять b = 1cм, а с = 1 моль/л, то становится понятным смысл молярного коэффициента поглощения: молярный коэффициент светопоглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине его слоя в 1 см (ε = А). Значение ε определяется природой вещества.

Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности, которое выражается законом аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет иметь свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность:

, (6)

где - оптические плотности веществ 1, 2,..., n-го вещества.

С учетом уравнения (5) получают: (7)

В соответствии с уравнением (5) зависимость оптической плотности от концентрации раствора графически выражается выходящей из начала координат прямой линией, тангенс угла наклона которой равен коэффициенту светопоглощения (светопогашения) (рис. 2).

На практике, однако, закон Бугера-Ламберта-Бера соблюдается не всегда (рис.2). При практическом применении электронной спектроскопии и фотометрии необходимо учитывать следующие ограничения закона Бугера-Ламберта-Бера:

1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы отметить это ограничение, в уравнение (5) вводят индекс λ и записывают его в следующем виде: . (8)

Индекс указывает, что значения оптической плотности (А) и молярного коэффициента светопоглощения ε относятся к монохроматическому

излучению с длиной волны λ.

 

	A

 

 

			C
	О

 

Рис. 2. Зависимость оптической плотности от концентрации раствора

Раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта -Бера

Растворы отклоняются от закона Бугера –Ламберта - Бера

(а - положительное отклонение, б - отрицательное отклонение)

2. Коэффициент ε зависит от показателя преломления среды (n). Если концентрация раствора невелика, то его n остаётся таким же, как у растворителя и отклонения от закона не наблюдается. Изменение n в концентрированных растворах может явиться причиной отклонения от основного закона светопоглощения.

3. Пучок света должен быть параллельным.

4. Температура раствора при записи спектра должна быть постоянной.

5 Уравнение (5) соблюдается только для растворов, в которых светопоглощающими центрами являются частицы одного вида. Если при изменении концентрации будет изменяться природа этих частиц (вследствие, например, кислотно-основного равновесия, ассоциации, полимеризации, диссоциации), то зависимость А от с не будет линейной, так как молярные коэффициенты погашения вновь образующихся и исходных частиц будут разными.

Законы фототока

Фотоэлектрические методы измерения интенсивности окраски связаны с использованием фотоэлементов. В отличие от визуальных колориметров, в фотоэлектроколориметрах приёмником световой энергии является прибор -фотоэлемент.

Фотоэлементом называется устройство, в котором световая энергия преобразуется в электрическую. Фотоэлементы позволяют проводить исследования не только в видимой части, но и в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Измерение световых потоков с помощью фотоэлементов более точно и не зависит от особенностей глаза наблюдателя. Применение фотоэлементов позволяет автоматизировать определение концентраций при химическом контроле технологических процессов. Преобразование световой энергии в электрическую в фотоэлементе связано с явлением фотоэффекта.