Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 19.
Исследование спектров поглощения
растворов с помощью монохроматора

Цель работы: знакомство со спектрофотометрическим методом исследования растворов.

Литература: §§ 187.

Приборы и материалы: монохроматор универсальный малогабаритный, набор растворов, набор светофильтров.

Спектрофотометрический анализ,
это широко используемый в практике метод исследования вещества. Метод основан на измерении светопоглощения растворов в узком пучке монохроматического света. Все окрашенные соединения оптически активны, т.е. не пропорционально поглощают энергию разных длин волн спектра видимого света. Цвет раствора обуславливается той частью светового потока, которая проходит через раствор, не поглощаясь. Поэтому при исследовании светопоглощения любого вещества необходимо исследовать его спектр поглощения, установить длину волны светового потока, при которой наблюдается максимальное поглощение раствором электромагнитной энергии световой волны. Количество поглощаемой веществом энергии пропорционально концентрации оптически активных молекул в растворе и длине пути, проходимого волной в веществе, т.е. толщине поглощающего слоя. Таким образом, с помощью спектрофотометрического анализа можно исследовать химический состав растворов, их концентрацию и толщину поглощающего слоя. Математическая основа фотометрического метода - это закон Ламберта-Бугера-Бера:

(1.1)

где j₀ - интенсивность светового потока, падающего на кювету с исследуемым раствором; j - интенсивность потока, прошедшего через раствор; l - толщина слоя раствора; Е - коэффициент поглощения, зависящий от природы исследуемого вещества и частоты падающего света; С - концентрация исследуемого раствора.

Чаще для характеристики поглощения света веществом используется оптическая плотность раствора (D):

(1.1)

Как видно из выражения, оптическая плотность растворов прямо пропорциональна концентрации раствора. Следовательно, если построен градуировочный график - D(С), можно, измерив оптическую плотность раствора, определить его концентрацию по графику.

Устройство и принцип работы универсального малогабаритного монохроматора (МУМ)

МУМ предназначен для выделения монохрамотического излучения, исследования источников света, приемников излучения, решения аналитических задач в области спектра 200... 800 нм. Оптическая схема монохроматора приведена на рис.1.

Рис. 1.

1 - лампа;

2 - конденсор;

3 - входная щель;

5 - дифракционная решетка;

6-, 4 - зеркала;

7 - выходная щель;

8 - выходная щель.

Вся установка состоит из пяти блоков: источник питания, источник излучения, монохроматор, приемник излучения, вольтметр. В качестве источника излучения применена галогенная лампа накаливания, приемником излучения служит фотоэлемент Ф-25. Свет от лампы попадает в монохроматор, где разлагается в спектр, на передней панели монохроматора есть ручка для установки длины волны выходящего света. Эта ручка связана с механизмом поворота дифракционной решетки и позволяет направлять на выходную щель монохроматора свет определенного участка спектра. Между монохроматором и приемником излучения устанавливается исследуемый объект - раствор в кювете. Свет, прошедший через вещество, попадает на фотоэлемент и создает в нем электрический ток, пропорциональный интенсивности светового потока; обычно измеряют не силу тока, протекающего через фотоэлемент, а падение напряжения на сопротивлении в цепи фотоэлемента. Для определения величины оптической плотности раствора мы с помощью вольтметра должны измерить три напряжения:

1. U_T - напряжение темнового тока фотоэлемента - напряжение при выключенном источнике излучения ;
2. U_о - напряжение, пропорциональное интенсивности потока, падающего на исследуемый образец (при исследовании окрашенного раствора - с растворителем в кювете такой же толщины, что и исследуемый окрашенный раствор);
3. U - напряжение, пропорциональное интенсивности светового потока, прошедшего через раствор или светофильтр. И далее по формуле: рассчитать оптическую плотность раствора.

Упражнение 1. Исследование спектра поглощения окрашенного раствора (или светофильтра)

В этом упражнении, вам необходимо исследовать зависимость интенсивности прошедшего через исследуемый объект излучения от частоты падающего света, т.е. исследовать зависимость напряжения от длины волны света U(λ).

Включите источник питания и вольтметр в сеть, установите кювету с исследуемым раствором (или светофильтр) между монохроматором и фотоприемником, изолируйте фотоэлемент от попадания солнечного света (с помощью черной ткани). Установите на монохроматоре длину волны 200 нм, включите фотоэлемент, измерьте напряжение с помощью вольтметра. Далее, меняя длину волны на 10 нм до 800 нм, записывайте длины волн и соответствующие напряжения в таблицу, проведите расчет оптической плотности раствора при каждой длине волны и постройте графики зависимостей U(λ) и D(λ). (U₀=30В, U_т=0В).

По графикам определите длину световой волны (или диапазон длин волн), при которой происходит максимальное поглощение падающего излучения, на графике это будет соответствовать минимальному напряжению или максимальной оптической плотности.

Примечание: если для исследования вам будет предложено два светофильтра, добавьте в таблицу 1 еще два столбца для U₂ и D₂.

Упражнение 2. Определение концентрации раствора спектрофотометрическим методом

Как следует из закона Л-Б-Б, оптическая плотность раствора линейно зависит от его концентрации. Прежде всего, необходимо, используя растворы известной концентрации, построить градуировочный график D(С). Получите у преподавателя набор кювет с растворами известной концентрации. Установите на монохроматоре длину волны максимального поглощения для данного раствора. Далее, устанавливая кюветы с растворами разной концентрации, измерьте U и рассчитайте D. Представьте результаты в виде таблицы, постройте график D(С). Измерьте U для раствора неизвестной концентрации, рассчитайте D и по графику определите концентрацию неизвестного раствора.

Таблица 1 № λ U D Ед.изм. нм B б/р 1. 200

Таблица 2 № С Um U0 U D Ед.изм. 1.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит поглощение света веществом?
2. Сформулируйте закон Ламберта-Бугера-Бера. Что такое оптическая плотность раствора?
3. Какие исследования можно проводить спектрофотометрическим методом?
4. Начертите схему и объясните принцип работы монохроматора.
5. Как с помощью спектрофотометрического метода определять концентрацию растворов?