Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физико-химические методы анализа»

Скачать 0.55 Mb.

Название	Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физико-химические методы анализа»
страница	2/7
Тип	Методические указания

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Методические указания

1 2 3 4 5 6 7

4. Рассчитывают:

1). Среднее арифметическое значение

измеренных величин

2). Выборочную дисперсию S² для ограниченного числа измерений

3). Стандартное отклонение отдельного измерения

4). Стандартное отклонение от среднего арифметического

5). Точность определения при выбранной доверительной вероятности

или с учётом приборной погрешности измерений

, где

- приборная погрешность, равная половине цены наименьшего деления шкалы прибора.

6). Относительную ошибку прямого определения

7). Относительное стандартное отклонение

8). Доверительный интервал определяемой величины

, A - истинное значение измеряемой величины.

5. Результат измерений записывают в стандартной форме:

Приближённые вычисления

Численные значения физической величины принято записывать в стандартной форме: k10ⁿ, где

включает все значащие цифры (значащими цифрами приближённого числа называют все его цифры и нули, записанные явно в конце десятичной дроби. Нули, записанные в начале числа, значащими не являются). Например, число 0.007350 в стандартном виде записывается как 7.35010^-3.

Результат вычисления, полученный путем арифметических действий, должен содержать столько значащих цифр, сколько их имеет число с наименьшим количеством значащих цифр.

Погрешность измерений необходимо округлить до двух значащих цифр, если первая из них 1, и до одной – во всех остальных случаях. При записи в стандартной форме необходимо указать все цифры вплоть до десятичного разряда, использованного для записи погрешности. Например, при расчёте получены следующие результаты:

;

=0.0156. Стандартная форма записи результата:

.

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Теоретические основы фотометрии

Фотоэлектроколориметрия - один из методов фотометрического анализа, в котором определяемый компонент при помощи реактива переводят в растворимое окрашенное соединение и измеряют светопоглощение полученного раствора фотоэлектроколориметром. Величина поглощения света находится в прямой зависимости от концентрации компонента и от толщины слоя раствора. Между интенсивностью падающего света I₀ , интенсивностью прошедшего через раствор светового потока I_t, молярной концентрацией окрашенного вещества в растворе с и толщиной слоя раствора l существует зависимость (основной закон светопоглощения или закон Бугера-Ламберта-Бера):

где ε – молярный коэффициент поглощения, зависящий от природы вещества, длины волны падающего света, температуры и т.д. Величину lg (I₀ / I_t) называют оптической плотностью раствора и обозначают D:

Таким образом, оптическая плотность раствора зависит только от молярного коэффициента поглощения, толщины слоя раствора и концентрации вещества в растворе.

Отношение (I_t / I₀) называют пропусканием и обозначают Т :

или

Между оптической плотностью и пропусканием существует связь:

Величина пропускания T изменяется от 0 до 1 (или от 0% до 100%), а величина D – от 0.1 до 1.0 (теоретически она меняется от 0 до ).
Принципы работы фотоэлектроколориметра

Фотоэлектроколориметры предназначены для измерения светопоглощения окрашенных растворов в видимой части спектра (400нм ÷ 750нм). При измерении оптической плотности оценивают различие интенсивности световых потоков, выходящих из раствора сравнения или нулевого раствора (содержащего все компоненты, кроме определяемого) и исследуемого окрашенного раствора. В фотоэлектроколориметрах луч света от лампы накаливания проходит через светофильтр, пропускающий волны в узком интервале длин волн, попадает в кюветное отделение. Далее монохроматизированный луч проходит через кювету с исследуемым раствором и падает на фотоэлемент. Степень поглощения света окрашенным раствором определяется с помощью фотоэлемента, преобразующего световую энергию в электрическую (явление фотоэффекта). Сила фототока пропорциональна интенсивности освещения фотоэлемента. Возникающий ток регистрируется чувствительным микроамперметром и отражается на шкале, калиброванной в единицах светопропускания от 0 до 100% и величинах оптической плотности от 0 до ∞.

Измеряя величину оптической плотности исследуемых окрашенных растворов D при фиксированной толщине раствора l и длине волны λ, соответствующей максимальному молярному коэффициенту поглощения ε, определяют концентрацию вещества в растворе. Измерению оптической плотности растворов всегда предшествует выбор оптимальных условий определения, а именно, выбор светофильтра и кюветы.

Подбор светофильтра. Чувствительность и погрешность фотометрического определения зависят от выбранного интервала длин волн поглощаемого света. Чем больше степень поглощения света данной длины волны, тем чувствительнее и точнее будет проведен анализ. Следовательно, измерение оптической плотности раствора необходимо производить в области спектра, для которой наблюдается максимальное поглощение света исследуемым раствором. Для нахождения этой области снимают спектральную характеристику.

Снятие спектральной характеристики раствора заключается в определении зависимости оптической плотности раствора D от длины волны светофильтров λ (рис.1, кривая 1). Светофильтр обладает свойством пропускать лучи с определенным диапазоном длин волн и задерживать остальные (рис.1, кривая 2). Для определения выбирают светофильтр, пропускающий свет с длиной волны λ_х, которому соответствует максимальное светопоглощение раствора D_max (рис. 1).

Рисунок 1. Спектральная характеристика раствора (1) и светофильтра (2).

λ_x – длина волны светофильтра, соответствующего максимальному светопоглощению раствора D_max .

Подбор кюветы. Измерение оптической плотности производят в кюветах, в которые помещают исследуемый раствор и раствор сравнения. Кюветы изготовлены из стекла и имеют разное расстояние между рабочими гранями (рабочая длина), а, следовательно, и объем.

Предварительный выбор кювет производится визуально, соответственно интенсивности окраски раствора: чем интенсивнее окраска раствора, тем меньше рабочая длина кюветы. Теоретические расчеты показывают, что ошибка при определении концентрации исследуемого вещества минимальна, если оптическая плотность раствора равна 0.44. Наилучшие результаты получаются при измерении оптической плотности в интервале от 0.2 до 1. Поэтому при выборе кюветы используют калибровочный раствор средней концентрации и измеряют его оптическую плотность, введя в ход лучей предварительно выбранный светофильтр. Выбирают кювету, для которой значение D находится в пределах от 0.3 до 0.5. Перед тем как поставить кюветы в кюветодержатели фотоэлектроколориметра, кюветы промокают снаружи фильтровальной бумагой. Наличие загрязнений или капель на рабочих поверхностях кювет приведет к получению неверных результатов измерений.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ

1. Определение концентрации вещества с помощью градуировочного (или калибровочного) графика. Сущность метода заключается в измерении оптической плотности приготовленных стандартных окрашенных растворов и построении градуировочного графика, по которому определяют неизвестную концентрацию вещества в растворе. Градуировочный график строят в координатах оптическая плотность D (ось ординат) – концентрация определяемого вещества в растворе с (ось абсцисс). При условии выполнения основного закона светопоглощения градуировочный график представляет собой прямую, выходящую из начала координат. Измерив оптическую плотность анализируемого раствора, по калибровочному графику находят концентрацию определяемого вещества.

2. Определение концентрации вещества методом сравнения оптических плотностей эталонного и исследуемого растворов. В этом методе используют два раствора: стандартный с точно известной концентрацией вещества С_ЭТ и исследуемый с концентрацией С_Х . По результатам измерения вычисляют концентрацию определяемого вещества:

где D_Х и D_ЭТ – оптическая плотность анализируемого и эталонного растворов.

3. Определение концентрации вещества в растворе по значению молярного коэффициента поглощения. Готовят эталонный раствор исследуемого вещества определенной концентрации С_ЭТ и измеряют значение оптической плотности D_ЭТ этого раствора при длине волны λ. Значение ε_λ вычисляют по формуле:

. Определив значение оптической плотности анализируемого раствора D_Х , при той же длине волны, находят концентрацию раствора С_Х по формуле:

ПРАВИЛА РАБОТЫ НА ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРЕ КФК-2

1. Измерение начинать через 15 минут после включения прибора в сеть. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто, при этом шторка перед фотоприемниками перекрывает световой поток.

2. Кюветы брать за нерабочие грани, ополаскивать рабочим раствором и заполнять до метки. Внешние стороны кюветы тщательно промокать фильтровальной бумагой. Следить за тем, чтобы в гнезда кюветодержателей не проливался раствор!

3. После включения фотоэлектроколориметра ручка “ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ” должна находиться в положении “1”, а ручка “УСТАНОВКА 100 ГРУБО” – в крайнем левом положении (минимальная чувствительность).

4. При измерениях со светофильтрами 400, 440, 490 и 540 нм, отмеченных на цветовой панели фотоэлектроколориметра черным цветом, ручку “ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ” необходимо установить в одно из положений “1”, “2”, “3”, отмеченных на лицевой панели фотоэлектроколориметра также черным цветом. При измерениях со светофильтрами 590, 670 и 750 нм, отмеченных на цветовой панели фотоэлектроколориметра красным цветом, ручку “ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ” необходимо установить в одно из положений “1”, “2”, “3”, отмеченных на лицевой панели фотоэлектроколориметра также красным цветом.

5. После завершения работы и до выключения прибора ручку “ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ” установить в положение “1”, обозначенное красным цветом, а ручку “УСТАНОВКА 100 ГРУБО” – в крайнее левое положение, только после этого выключают тумблер “СЕТЬ” на фотоэлектроколориметре.

6. По окончании работы кюветы необходимо тщательно вымыть, промокнуть фильтровальной бумагой насухо снаружи, проверить чистоту гнезда кюветодержателя.
ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ РАСТВОРА

1. Работу проводят на подобранных кюветах и светофильтре при открытой шторке прибора.

2. Перед измерениями проверьте установку стрелки фотоэлектроколориметра на “0” по шкале пропускания (Т) при открытом кюветном отделении. При смещении стрелки от нулевого положения подведите ее к “0”.

3. Поместите в световой поток кювету с растворителем или раствором сравнения, по отношению к которому производятся измерения.

4. Закройте крышку кюветного отделения.

5. Ручками “ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ” и “УСТАНОВКА 100 ГРУБО” установите отсчет “100” по шкале пропускания, что соотвествует “0” по шкале оптической плотности. Ручка “ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ” может находиться в одном из трех положений “1”, “2”, “3”.

6. Поворотом ручки кюветодержателя (каретки) кювету с растворителем замените на кювету с исследуемым раствором.

7. Произведите отсчет по шкале прибора, соответствующей оптической плотности раствора (D).

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ

ТИОЦИАНАТА ЖЕЛЕЗА (III) В РАСТВОРЕ

ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Необходимое оборудование и реактивы:

1. Фотоэлектроколориметр.

2. Мерные колбы емкостью 50 мл – 6 шт.

3. Бюретки емкостью 25 мл – 2 шт.

4. Пипетки на 5 или 10 мл.

5. Цилиндры мерные на 10 мл.

6. Стандартный раствор соли железа (III) с титром Т = 0,1 мг/мл.

7. Раствор азотной кислоты (1:1).

8. Раствор тиоцианата калия ( (КSCN) = 10 %)

Сущность работы

Ионы железа (III) образуют с тиоцианат-ионами интенсивно окрашенное кроваво-красное комплексное соединение, имеющее переменный состав в зависимости от концентрации тиоцианат-ионов. Химизм процесса выражается, например, следующей реакцией:

Fe³⁺ + 6SCN^- [Fe(SCN)₆]^3-

Интенсивность окраски возрастает с увеличением концентрации тиоцианат-ионов. Поэтому для выполнения основного закона светопоглощения определение следует проводить при большом избытке тиоцианата калия. Кроме того, вследствие гидролиза раствор соли железа (III) содержит относительно мало ионов Fe³⁺. Добавление же сильной кислоты подавляет гидролиз и, следовательно, усиливает получаемую в результате реакции окраску раствора. Показано, что наиболее устойчивой окраска получается в присутствии азотной кислоты. В связи с достаточно сложным характером протекания исследуемой химической реакции необходимо фотометрировать растворы сразу же после их приготовления.
Снятие спектральной характеристики раствора

Подбор светофильтра ведется по калибровочному раствору средней концентрации (табл. 2, колба № 4). В мерную колбу на 50 мл, содержащую 3 мл стандартного раствора хлорида железа (III), добавляют 1 мл азотной кислоты, 5 мл тиоцианата калия и доливают дистиллированную воду до метки. Готовят раствор сравнения: в колбу на 50 мл отмеряют 1 мл азотной кислоты, 5 мл тиоцианата калия и доливают дистиллированную воду до метки.

Для измерения берут две одинаковые кюветы. Одну из них заполняют исследуемым окрашенным раствором, а другую – раствором сравнения. Кюветы устанавливают в гнезда кюветодержателя. Ручкой регулировки светофильтров устанавливают первую длину волны, соответствующую видимой области спектра - 400 нм и измеряют величину оптической плотности раствора. Измерения повторяют при всех длинах волн до 750 нм включительно для кювет разной рабочей длины. Результаты измерений заносят в таблицу 1. По полученным данным строят график, откладывая по оси абсцисс длины волн (, нм), а по оси ординат – соответствующие им значения оптической плотности раствора (D). Выбирается светофильтр, которому соответствует максимальное значение оптической плотности.

Таблица 1.

№ n/n	Длина волны , нм	Цвет светофильтра	Оптическая плотность растворов D, для кювет c рабочей длиной l, мм
№ n/n	Длина волны , нм	Цвет светофильтра	5	10	20
1.	400
2.	440
3.	490
4.	540
5.	590
6.	670
7.	750