Теоретическая часть.
I. Сущность метода
Фотоколориметрический анализ основан на законе светопоглощения света видимой области исследуемым веществом. Для монохроматического электромагнитного излучения закон светопоглощения (закон Бугера – Ламберта – Бера) имеет вид:
А = -lg(I/I0) = -lgT = ε∙ ℓ∙ C (1)
I – интенсивность прошедшего излучения;
I0 –интенсивность падающего излучения;
ℓ – толщина светопоглощающего слоя;
А – оптическая плотность вещества;
Т – коэффициент (степень) светопропускания;
ε – молярный коэффициент светопоглощения;
C – концентрация оптически активного вещества.
Поглощение света зависит от длины волны излучения. Эта зависимость называется спектром поглощения.
Рис. 1. Спектры поглощения: А – хром (6+); В – хром (3+)
Основным методом фотоколориметрии является графический метод или метод градуировочной кривой. Сущность метода заключается в построении зависимости оптической плотности А от концентрации вещества С для серии стандартных растворов. Далее оптическая плотность исследуемого раствора сравнивается с этой зависимостью и находится соответствующая концентрация вещества.
Рис. 2. Зависимость оптической плотности от концентрации
В ряде случаев может наблюдаться отклонение от закона светопоглощения. Оно может быть вызвано физическими и химическими причинами. Основной физической причиной является немонохроматичность излучения, измерение оптических плотностей проводят при длинах волн, соответствующих пологим участкам спектра. Измерение при максимальных значениях оптических плотностей важно потому, что при этом определение происходит с наибольшей чувствительностью. Погрешность в измерении оптической плотности приемлема в интервале оптических плотностей от 0,15 до 1,2. Погрешность минимальна при значении оптической плотности 0,4. Химической причиной является несоответствие заявленного и действительного химического состава исследуемого раствора. Например, в растворе хрома (6+) имеет место равновесие:
2CrO42- + 2H+ = Cr2O72- + H2O
Спектры поглощения хромата и бихромата сильно различаются, поэтому будет наблюдаться отклонение от линейной зависимости, если вы измеряете оптическую плотность раствора бихромата. Однако можно подкислить раствор и поддерживать кислотность на одном уровне, чтобы соотношение хромат-бихромат оставалось постоянным. При этом оптическая плотность раствора будет изменяться пропорционально общей концентрации хрома (6+). Здесь проявляется важная закономерность оптических плотностей – принцип аддитивности:
Aобщ. = ℓ∙∑(εi∙Ci) (2)
Иначе говоря, оптическая плотность раствора смеси окрашенных веществ равна сумме оптических плотностей каждого вещества.
На практике придерживаются следующего алгоритма работы:
1. Изучение спектра поглощения каждого вещества и выбор светофильтров.
2. Измерение оптических плотностей стандартных растворов каждого вещества при выбранных светофильтрах.
3. Построение градировочных графиков.
По сути, анализ смеси двух окрашенных соединений вещества А и В (в нашем случае А – это хром (6+), а В – хром (3+)) сводится к решению системы двух уравнений типа (2) для двух длин волн 1 и 2:
A1 oбщ = ℓ∙ [ελ1(A) ∙ C(A) + ελ1(B) ∙ C(B)]
A2 oбщ = ℓ∙ [ελ2(A) ∙ C(A) + ελ2(B) ∙ C(B)] (3)
Если известны молярные коэффициенты поглощения, а общие оптические плотности найдены экспериментально, то остается только рассчитать концентрации веществ в смеси. Значения молярных коэффициентов поглощения находят по градуировочным графикам как тангенсы углов наклона соответствующих прямых. Задача сильно упрощается, если при одной из длин волн одно из веществ не поглощает излучение.
Рис. 3. Зависимость оптической плотности от концентрации веществ А и В: I – при длине волны 1; II – при длине волны 2
Так как при длине волны 1 вещество А не поглощает излучение, то система уравнений (3) сводится к следующему:
A1 = ℓ∙ ελ1(B) ∙ C(B)
A2 oбщ = ℓ∙ [ελ2(A) ∙ C(A) + ελ2(B) ∙ C(B)] (4)
Первое уравнение в системе (4) соответствует первому графику на рис. 3, второе, соответственно, – второму.
Математический метод
Построив градуировочные графики, мы можем найти тангенсы углов наклона каждой прямой, которые численно будут равны молярным коэффициентам поглощения каждого вещества при длине волны, при которой проводились измерения. Значения тангенсов подставляют в систему уравнений (4). В эту же систему поставляют значения оптических плотностей исследуемого раствора смеси веществ и решают систему.
Графический метод
После построения градуировочных графиков (рис.3) оптическую плотность вещества В, измеренную при длине волны 1, соотносят с концентрацией вещества В, при длине волны 2. Полученное значение оптической плотности вычитают из общей оптической плотности смеси А и B при длине волны 2. Найденное значение оптической плотности вещества А на графике соотносят с его концентрацией.
II. Реактивы и оборудование
1. Стандартный раствор хрома (3+), 0,332М.
2. Стандартный раствор хрома (6+), 0,02М.
3. Раствор серной кислоты, 1:1.
4. Колбы мерные емкостью 50мл, 6шт.
5. Стаканы емкостью 50 мл, 6шт.
6. Пипетки с делениями емкостью 5 мл, 2 шт.
7. Фотоколориметр КФК-2.
Цель работы: изучение спектров поглощение растворов хрома (6+) и хрома (3+), определение содержания хрома (6+) и хрома (3+) при их совместном присутствии в контрольном растворе.
Практическая часть.
1. Изучение спектра поглощения хрома (6+) и хрома (3+).
Выбор светофильтров
В мерную колбу емкостью 50 мл поместили 2 мл стандартного раствора хрома (6+), добавили 3 мл серной кислоты и довели объем раствора до метки дистиллированной водой. Сняли спектры поглощения этого раствора, измеряя оптическую плотность (А) при различных светофильтрах, от 315 до 960 нм в кюветах с толщиной поглощающего слоя 10 мм. В качестве раствора сравнения использовали дистиллированную воду. Результаты занесли в таблицу.
Оптическую плотность рассчитали по формуле A = -lg(T).
| λ, нм | Т (Cr+6),% | Т (Cr+3),% | A (Cr+6) | A (Cr+3) |
| 0,677781 | 0,055517 | |||
| 17,5 | 0,756962 | 0,055517 | ||
| 0,161151 | 0,200659 | |||
| 0,124939 | 0,148742 | |||
| 0,045757 | 0,055517 | |||
| 0,154902 | ||||
| 0,070581 | ||||
Построили на одном графике спектры поглощения растворов хрома (3+) и хрома (6+). Выбрали первый светофильтр (λ1), при котором светопоглощение раствора хрома (3+) максимально, а светопоглощением хрома (6+) мы пренебрегли. Второй светофильтр (λ2) выбрали так, чтобы светопоглощение раствора хрома (6+) было максимально.
𝜆1 (𝐶𝑟3+) = 400 нм, 𝜆2 (𝐶𝑟6+) = 360 нм