Міністерство освіти і науки України уральський державний університет
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРІВНИХ РОБОТ «СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧНИЙ АНАЛІЗ» ЗА СПЕЦКУРСОМ «ОПТИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ» ДЛЯ СТУДЕНТІВ 4 КУРСУ ХІМІЧНОГО ФАКУЛЬТЕТУ. СПЕЦІАЛЬНІСТЬ «ХІМІЯ»
Методичні вказівки підготовлені кафедрою аналітичної хімії
Уральський державний університет
При вивченні спеціального курсу «Оптичні методи аналізу» студенти освоюють найпоширеніші методи якісного та кількісного емісійного спектрального аналізу, спектрофотометричного аналізу. У цих методичних вказівках описані лабораторні роботи, виконання яких дозволяє студентам отримати певні навички щодо точного аналітичного експерименту та обробки експериментальних даних. У посібнику описана необхідна апаратура, що використовується при різних вимірах, правила її експлуатації та порядок вимірів. Опису лабораторних методик передує короткий виклад теоретичних основ методу, що полегшує виконання конкретних аналітичних завдань. Методичні вказівки поділені на дві частини: спектральний аналіз та спектрофотометричний аналіз.
Виконуючи практичні роботи, студент повинен виконувати такі правила:
Ознайомитись з інструкцією з техніки безпеки під час роботи в лабораторії
Ознайомитись з описом конкретної роботи, усвідомити мету роботи та методику її виконання.
Ознайомитись з описом приладу, на якому виконується робота та методикою вимірювань на ньому.
Приготувати у строгій відповідності до методики необхідні прилади, матеріали, реактиви та посуд.
Отримати у викладача чи чергового лаборанта дозвіл на включення приладу.
Отримати у викладача чи чергового лаборанта контрольне завдання та необхідні матеріали.
зазакінчення роботи вимкнути прилад, упорядкувати і здати робоче місце лаборанту.
Оформити та здати викладачеві звіт про виконану роботу.
Методи аналізу, засновані на вимірі поглинання випромінювання молекулярним середовищем у видимій та УФ-областях, називають спектрофотометричними. Єдиною теоретичною базою всіх різновидів спектрофотометрії є закон Бугера–Ламберта–Бера:
Коефіцієнт поглинанняkв даному виразі дорівнює оптичній щільності при одиничній концентрації і товщині шару і в залежності від способу вираження останніх може мати різні одиниці вимірювання. У кількісному аналізі зазвичай виражають концентрацію в молях на літр, а товщину шару–у сантиметрах, тодіkназиваютьмолярним коефіцієнтом поглинанняі позначають буквою . Молярний коефіцієнт поглинання–найважливіша молекулярна характеристика, яка залежить від концентрації та товщини поглинаючого шару. Вона може бути об'єктивним критерієм чутливості фотометричного визначення. Світлопоглинання підпорядковується також закону адитивності: оптична щільність суміші речовин дорівнює сумі оптичних щільностей кожного з них (за умови підпорядкування закону Бугера-Ламберта-Бера). Для однієї і тієї ж довжини хвилі та товщини шару для суміші речовин
Відхилення від закону Бугера–Ламберта–Бера.Поведінка поглинаючих світло систем підпорядковується закону Бугера–Ламберта>–Бера за певних умов. За порушення цих умов молярний коефіцієнт поглинання змінюється. Якщо він зменшується, спостерігаються негативні відхилення від закону, якщо зростає позитивні відхилення. Причини відхилень від основного закону світлопоглинання можуть бути здаються іістинними.Здається причини, обумовлені немонохроматичності світлового потоку, розсіюванням світла і випадковими випромінюваннями, називаютьінструментальними,а викликані хімічними взаємодіями–хімічними.Справжні причини пов'язані зі змінами в оточенні поглинаючих частинок при підвищенні концентрації та припущеннями, зробленими при виведенні основного закону світлопоглинання.
Подання спектрів поглинання.Спектр поглинання речовини–графічне зображення розподілу енергії, що поглинається, по довжинах хвиль. Способи подання спектрів різняться величинами, що відкладаються по осях абсцис та ординат. По осі ординат відкладають оптичну густину, логарифм оптичної густини, пропускання (у частках пропускання або у відсотках). По осі абсцис відкладають довжину хвилі, частоту, хвильове число. Вибір тієї чи іншої величини визначається завданнями, що стоять перед дослідником, областю спектра; величиною поглинання тощо.
Для цілей якісного аналізу зручно уявити спектр у координатах довжина хвилі–молярний коефіцієнт поглинання. У разі підпорядкування закону Бугера–Ламберта–Бера незалежно від концентрації спектр зберігає свій вигляд. При відхиленнях від закону спостерігається усунення максимуму поглинання чи інші зміни.
Для виявлення всіх характерних особливостей спектральних кривих їх можна продиференціювати (2) (похідна спектрофотометрія). Тоді спектр буде являти собою залежність першої, другої і т.д. Похідні оптичної щільності від():Для перших і взагалі непарних похідних замість звичайної смуги поглинання виходять криві види дисперсійної функції. Ці похідні дозволяють легше виявити та визначити положення точок перегинута замаскованих піків, оскільки в максимумах поглинання
Вимірювання поглинання.Прилад для вимірювання світлопоглинання складається з ряду вузлів, з'єднаних у певній послідовності. Прилад повинен виконувати дві основні завдання: 1) розкласти поліхроматичне світло по довжинах хвиль та виділити необхідний інтервал довжин хвиль; 2) оцінити поглинання світла речовиною за обраної довжини хвилі.
Кожен прилад включає: джерело випромінювання, пристрій виділення потрібного інтервалу довжин хвиль (монохроматор або світлофільтр), кюветне відділення, детектор, перетворювач сигналу, індикатор сигналу (шкалу або цифровий лічильник). Порядок розташування вузлів може бути різним (наприклад монохроматор може стояти до кювети або після неї).
Типові джерела випромінювання у спектрофотометрії–лампа розжарювання з вольфрамовою ниткою, дейтерієва (воднева) лампа або галогенокварцова лампа. Ці джерела випромінюють у широкій області спектру, тому випромінювання потрібно монохроматизувати. Прилади, в яких для монохроматизації використовують монохроматори називають спектрофотометрами (звідси–спектрофотометричний метод аналізу), а ті, в яких необхідний інтервал довжин хвиль виділяють світлофільтром, називають фотоелектроколориметрами (ФЕК).
В абсорбційній спектроскопії вимірюється не абсолютне значення оптичної густини, арізниця оптичних, щільностей досліджуваного розчину та розчину, оптична щільність якого прийнята за нуль (розчин порівняння). Кювета, яку поміщають досліджуваний розчин, називається робочої, а кювета для розчину порівняння–кюветою порівняння. Обидві кювети мають бути ідентичні. Основна вимога до кюветів–прозорість у сфері спектра, у якій ведеться вимір оптичної щільності. Для роботи у видимій ділянці кювети виготовляють зі скла. В ультрафіолетовій області скло непридатне: кювети роблять із кварцу. За формою кювети бувають прямокутними та циліндричними.
Для деяких робіт потрібні кювети спеціальної конструкції. Для дослідження кінетики реакцій застосовують термостатовані кювети (з "сорочкою" із скла, через яку циркулює вода з певною температурою). В автоматичних установках використовують проточні кювети.
Для прийому сигналу у видимій та УФ-областях зазвичай застосовують фотоелементи та фотопомножувачі. Найбільш уживані сурм'яно–цезієві (в діапазоні 180 – 650 нм) та киснево–цезієві (в діапазоні 600–1100 нм) фотоелементи.
Залежно від способу вимірювання розрізняють одно- та двопроменеві прилади, від способу монохроматизації–фотоелектроколориметри та спектрофотометри, від способу реєстрації–візуальні, реєструючі та нереєструючі прилади.
Фотоелектроколориметри мають просту конструкцію та придатні для вимірювань у видимій та ближній (до 300 нм) УФ-областях. Оптичні деталі цих приладів виготовлені зі скла чи просвітленого скла. Фотоелектроколориметр використовують найчастіше для проведення серійних визначень концентрацій речовин.
Спектрофотометри мають більш складну конструкцію і часто мають електронніпристроями (підсилювачами фотоструму, дисплеями). Оптичні деталі виготовлені із кварцу. Спектрофотометри застосовують для отримання спектрів поглинання, а також вимірювань концентрацій речовин з вузькою смугою поглинання або речовин з близькими довжинами хвиль поглинання.