ФИО Наименование лабораторной работы
Факультет:
Информатики и прикладной математики Изучение спектров поглощения с помощью спектрофотометра. Курс, группа: III курс, 2 группа
Цель лабораторной работы:
Ознакомление с устройством и работой спектрофотометра. Определение оптической плотности и концентрации вещества в растворе. Этап работы Оценка Дата Преподаватель Допуск Принадлежности: Лабораторная установка. Окончание Итоговая оценка
Наименование лабораторной работы
Изучение спектровпоглощения с помощью спектрофотометра
Факультет информатики иприкладной математики
Курс III, группа 2
Цель лабораторнойработы
Ознакомление сустройством и работой спектрофотометра. Определение оптической плотности иконцентрации вещества в растворе.
Этапы работы
Оценка
Дата
Преподаватель
Допуск
Принадлежности: лабораторнаяустановка
Окончание
Итоговая оценка
Теоретическое введение
Метод анализа, основанныйна сравнении качественного и количественного изменения световых потоков при ихпрохождении через исследуемый и стандартный растворы, называется колориметрическимметодом анализа.
Правильнее этот видхимического анализа называть абсорбционным спектральным анализом, так как он, всущности, основан на измерении ослабления светового потока и происходящегоизбирательного поглощения света определяемым веществом.
Различаютспектрофотометрический и фотометрический методы абсорбционного анализа.Спектрофотометрический метод основан на измерении в монохроматическом потокесвета (света определенной длины волны). Фотометрический метод основан наизмерениях в не строго монохроматическом пучке света. При такой классификацииколориметрией называют метод, основанный на измерении в видимой части спектра.Однако очень часто термином «колориметрия» называют все методы определенияконцентрации вещества в растворе по поглощению света.
В большинстве случаевсущность колориметрических определений состоит в следующем: определяемыйкомпонент (простой ион, сложный ион, органическое соединение) при помощихимической реакции переводят в окрашенное соединение, после чего каким-либо способомизмеряют интенсивность окраски полученного раствора.
Для цветовойхарактеристики окрашенных растворов веществ пользуются кривыми светопоглощенияили так называемыми спектрами поглощения (спектры абсорбции). Для получениякривой светопоглощения производят серию измерений оптических плотностейокрашенного раствора при различных длинах волн проходящего света, т.е.пользуются для освещения каждый раз другим участком спектра. Затем строятграфик зависимости оптической плотности раствора от длины волны падающего света(в нанометрах).
На рис.1 показаны кривыесветопоглощения растворов перманганата калия, хромата и бихромата калия.
Максимум светопоглощениямногих окрашенных соединений лежит в видимой области спектра (например,раствора перманганата калия), некоторых – в ультрафиолетовой области, как,например, растворов хромата и бихромата калия. Длину волны, соответствующуюмаксимуму светопоглощения, принято обозначать lмакс; так, для перманганата калия lмакс = 525 нм, для хромата калия lмакс = 380 нм, для бихромата калия lмакс = 350 нм.
/>
Позднее Бером былоустановлено, что при прохождении света через газы и растворы степень поглощениясвета зависит от числа частиц в единице объема, встречающихся на пути световогопотока, т.е. поглощение света зависит от концентрации вещества:
I0
D= lg ¾ =e bC
I
где
e- коэффициент поглощения, величина постоянная для растворов при прохождениисвета с определенной длиной волны,
b – толщина слоя,
С – концентрациявещества.
/>
Эта зависимостьоптической плотности от концентрации вещества в растворе и толщины поглощающегослоя известна под названием закона Бугера–Ламберта-Бера: оптическая плотностьрастворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрациивещества и толщине поглощающего слоя.Спектральные приборы
Назначением спектральныхприборов является выделение излучения в узких спектральных интервалах впределах заданной области спектра с разрешением обычно 102-107.В основу действия спектральных приборов могут быть положены самые разнообразныепринципы, поэтому схемы действия конструкции приборов могут быть весьмаразличными.
Давно известны и наиболеераспространены спектральные приборы с пространственным разделением длин волн.Такие приборы называют «классическими», а используемый метод разделенияизлучения по длинам волн – методом селективной фильтрации. Обязательным вспектральных приборах этого класса является диспергирующий элемент,пространственно разделяющий по длинам волн падающее на него излучение.
Для измерения оптическойплотности используют приборы, называемые СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ.
Спектрофотометр – это прибор, позволяющийпроизводить измерения светопоглощения образцов в узких по спектральному составупучка света (монохроматический свет). Спектрофотометры позволяют разлагатьбелый свет в непрерывный спектр, выделять из этого спектра узкий интервал длинволн, в пределах которого световой пучок можно считать монохроматическим(ширина выделяемой полосы спектра 1 – 20 нм), пропускать изолированный пучоксвета через анализируемый раствор и измерять с высокой степенью точностиинтенсивность этого пучка. Поглощение света окрашенным веществом в раствореизмеряют, сравнивая его с поглощением нулевого раствора. В фотометрическомспектрофотометре сочетаются два основных прибора: монохроматор, служащий дляполучения монохроматического светового потока, и фотоэлектрический фотометр,предназначенный для измерения интенсивности света.
Монохроматор состоит изтрех основных частей: источника света, диспергирующего устройства (устройства,разлагающего белый свет в спектр) и приспособления регулирующего величинуинтервала длин волн светового пучка, падающего на раствор.
Наиболее употребительнымисточником света является лампа накаливания с вольфрамовой нитью, длины волнизлучения которой лежат в пределах 350 – 2000 нм. Этот источник света пригодендля большинства аналитических целей, так как позволяет производить измерения вближайшей ультрафиолетовой, видимой, а также в ближней инфракрасной областяхспектра.
Для разложения света вспектр применяются стеклянные и кварцевые призмы, а также дифракционные решетки.Призмы обладают довольно большой дисперсией и большой светосилой. Кварцевыепризмы дают возможность работать в ультрафиолетовой области спектра. Оченьважной деталью спектрофотометра является щель, с помощью которой можнорегулировать интенсивность светового потока: чем меньше ее раскрытие, темменьше света проходит через нее и тем уже интервал длин волн светового пучка,пропускаемого щелью.
Фотоэлектрическийфотометр состоит из вакуумных фотоэлементов, усилителя постоянного тока икомпенсирующего устройства (потенциометра), шкала которого проградуирована вединицах оптической плотности и процентах светопропускания.Оптическая схемаспектрофотометра
Излучение от источника 1(рис 3) или 1* падает на зеркальный конденсор 2, который направляет его наплоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскостилинзы 4, расположенной вблизи входной щели монохроматора 5.
Прошедшее через входнующель падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом икриволинейным штрихом. Решетка изготавливается на сферической поверхности,поэтому, помимо диспергирующих свойств, она обладает свойством фокусироватьспектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительноуменьшает аберрационные искажения вогнутой дифракционной решетки и позволяетполучить высокое качество спектра во всем рабочем спектральном диапазоне.
Дифракционный пучокфокусируется в плоскости выходной щели монохроматора 7, расположенной надвходной щелью 5. Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки,при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит черезвыходную щель 7, линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и спомощью поворотного зеркала 10 попадает на светочувствительный слойфотоэлемента 11 или 12.
Для уменьшениярассеянного света и срезания высших порядков дифракции в спектрофотометреиспользуются два светофильтра: из стекла ПС 11 для работы в области спектра 230– 450 нм и из стекла ОС 14 для работы в области спектра 600 – 1100 нм. Сменасветофильтров производится автоматически.
Линзы изготовлены изкварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафиолетовойобласти спектра.
Для обеспечения работыспектрофотометра в широком спектральном диапазоне используются два фотоэлементаи два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент сокном из кварца применяется для измерений в области спектра от 190 до 700 нм,кислородно-цезиевый фотоэлемент – для измерений в области спектра от 600 до1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с однимфотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указана в паспортеспектрофотометра.
Дейтериевая лампапредназначается для работы в области спектра от 190 до 350 нм, лампанакаливания — для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Для проверкиградуировки используется ртутно-гелиевая лампа ДРГС-12./>Принцип действия
В основу работыспектрофотометра положен принцип измерения отношения двух световых потоков:потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего наисследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).
Структурная схемаспектрофотометра представлена на рис. 4
/>
Световой пучок изосветителя попадает в монохроматор через входную щель и разлагаетсядифракционной решеткой в спектр. В монохроматический поток излучения,поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятсяконтрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через образец, попадаетна катод фотоэлемента в приемно-усилительном блоке. Электрический ток,проходящий через резистор RН, который включен в анодную цепьфотоэлемента, создает на резисторе падение напряжения, пропорциональное потокуизлучения, падающему на фотокатод.
Усилитель постоянноготока с коэффициентом усиления близким к единице, обеспечивает передачу сигналовна вход микропроцессорной системы (далее — МПС), МПС по команде оператора поочередноизмеряет и запоминает напряжения UTи U,пропорциональные темновому потоку фотоэлемента, потоку, прошедшему черезконтрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. Послеизмерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания Т исследуемого образца поформуле
оптическийплотность концентрация спектрофотометр
U-UT
T= ¾¾¾ *100 (1)
U0–UT
/>
Значение измереннойвеличины высвечивается на цифровом фотометрическом таблоВключениеспектрофотометра
Закрыть фотоэлемент,установить рукоятку 49 переключения шторки в положение ЗАКР, переключателем 21установить ширину щели 0,15 нм.
Клавиатуре МПС, послечего должна высветиться запятая на табло МПС.
При установке рычага 34 вположение H лампа накаливания загорается сразупосле нажатия кнопки СЕТЬ, при установке этого рычага в положение Д дейтериеваялампа загорается автоматически после минутного прогрева.
Стабильная работаспектрофотометра обеспечивается через 30 мин. после его включения.
Выключениеспектрофотометра производить нажатием кнопки СЕТЬ.
Стабильная работадейтериевой лампы обеспечивается через 30 мин. после ее включения.
Порядок работы
Подготовка к измерению
Включить спектрофотометр(см. выше)
Установить в держатель отодного до трех исследуемых образцов, в четвертую позицию держателя может бытьустановлен контрольный образец. Установить держатель на каретку в кюветномотделении.
Установить требуемуюдлину волны, вращая рукоятку длин волн в сторону увеличения длин волн. Если приэтом шкала повернется на большую, чем нужно, величину, то надо возвратить ееназад на 5 – 10 нм и снова подвести к требуемому делению.
Установить рукояткой 41 ирычагом 34 фотоэлемент и источник излучения в рабочее положение,соответствующее выбранному спектральному диапазону измерения.
Перед каждым новымизмерением, когда неизвестна величина выходного напряжения, следуетустанавливать ширину щели 0,15 нм во избежание засвечивания фотоэлементов.
Снимать показания следуетпри плотно закрытой крышке кюветного отделения.
Открывать крышкукюветного отделения следует только при установленной в положение ЗАКР рукояткепереключения шторки.
Измерение оптическойплотности
Установить рукоятку 49 вположение ЗАКР.
Подключить вольтметр.
Установить рукояткой 50НУЛЬ значение на вольтметре, равное нулю.
Установить на пути потокаизлучения контрольный образец в положение 1, перемещая каретку рукояткой 40.При отсутствии контрольного образца измерение будет проводиться относительновоздуха (I0). Установить кювету с исследуемымраствором в положение 4.
Установить рукоятку 49 вположение ОТКР.
Рукоятку ЩЕЛЬ установитьв положение 2,5.
Установить поочередно напути потока излучения измеряемые образцы, перемещая каретку рукояткой 40. Снятьпоказания с вольтметра (в положении 1 — I0,в положении 4 — I).
Выполнить операции, указанныев пп. 2.1 – 2.7 с шагом 10 нм, начиная с длины волны 550 нм до 800 нм.
Выполнить операции,указанные в пп. 2.1 – 2.8 для всех имеющихся растворов.
2.10. Построить графикзависимости оптической плотности (D) от длины волны (l).
Определениеконцентрации
Определение концентрацииисследуемого раствора на спектрофотометре возможно при линейной зависимостиоптической плотности Dисследуемого раствора от концентрации C.
Измерения производить придлине волны 650 нм.
Установить рукоятку 49переключения шторки в положение ЗАКР.
Установить в кюветноеотделение кювету с исследуемым раствором и кювету с растворителем.
Вращая рукоятку изменениядлины волны, установить необходимое значение (650 нм).
Установить рукояткой НУЛЬна вольтметре значение, равное 0.установить рукоятку ЩЕЛЬ в положение 2,25.
Установить рукоятку 49 вположение ОТКР. Снять показания с вольтметра для I и I0.
Выполнить пп. 3.1 – 3.5для всех имеющихся растворов.
Построить градуировочныйграфик зависимости оптической плотности (D) от концентрации (C). Градуировочный график построить следующим образом:
Приготовить ряд растворовданного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможныхизменений концентрации этого вещества в исследуемом растворе. Определитьоптическую плотность всех растворов и построить градуировочный график,откладывая по оси абсцисс известные концентрации, а по оси ординат –соответствующие им значения оптической плотности.
Контрольные вопросы
Что представляет собоймонохроматический свет?
Что представляет собоймонохроматор, для каких целей он используется?
Каков принцип работыспектрофотометра?