Изучение спектров поглощения с помощью спектрофотометра

Наименование лабораторной работы

Изучение спектров поглощения с помощью спектрофотометра

Факультет информатики и прикладной математики

Курс III, группа 2

Цель лабораторной работы

Ознакомление с устройством и работой спектрофотометра. Определение оптической плотности и концентрации вещества в растворе.

Этапы работы

Оценка

Дата

Преподаватель

Допуск

Принадлежности: лабораторная установка

Окончание

Итоговая оценка

Теоретическое введение

Метод анализа, основанный на сравнении качественного и количественного изменения световых потоков при их прохождении через исследуемый и стандартный растворы, называется колориметрическим методом анализа.

Правильнее этот вид химического анализа называть абсорбционным спектральным анализом, так как он, в сущности, основан на измерении ослабления светового потока и происходящего избирательного поглощения света определяемым веществом.

Различают спектрофотометрический и фотометрический методы абсорбционного анализа. Спектрофотометрический метод основан на измерении в монохроматическом потоке света (света определенной длины волны). Фотометрический метод основан на измерениях в не строго монохроматическом пучке света. При такой классификации колориметрией называют метод, основанный на измерении в видимой части спектра. Однако очень часто термином «колориметрия» называют все методы определения концентрации вещества в растворе по поглощению света.

В большинстве случаев сущность колориметрических определений состоит в следующем: определяемый компонент (простой ион, сложный ион, органическое соединение) при помощи химической реакции переводят в окрашенное соединение, после чего каким-либо способом измеряют интенсивность окраски полученного раствора.

Для цветовой характеристики окрашенных растворов веществ пользуются кривыми светопоглощения или так называемыми спектрами поглощения (спектры абсорбции). Для получения кривой светопоглощения производят серию измерений оптических плотностей окрашенного раствора при различных длинах волн проходящего света, т.е. пользуются для освещения каждый раз другим участком спектра. Затем строят график зависимости оптической плотности раствора от длины волны падающего света (в нанометрах).

На рис.1 показаны кривые светопоглощения растворов перманганата калия, хромата и бихромата калия.

Максимум светопоглощения многих окрашенных соединений лежит в видимой области спектра (например, раствора перманганата калия), некоторых – в ультрафиолетовой области, как, например, растворов хромата и бихромата калия. Длину волны, соответствующую максимуму светопоглощения, принято обозначать l_макс ; так, для перманганата калия l_макс = 525 нм, для хромата калия l_макс = 380 нм, для бихромата калия l_макс = 350 нм.

Позднее Бером было установлено, что при прохождении света через газы и растворы степень поглощения света зависит от числа частиц в единице объема, встречающихся на пути светового потока, т.е. поглощение света зависит от концентрации вещества:

I₀

D= lg ¾ =e bC

I

где

e - коэффициент поглощения, величина постоянная для растворов при прохождении света с определенной длиной волны,

b – толщина слоя,

С – концентрация вещества.

Эта зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя известна под названием закона Бугера–Ламберта-Бера: оптическая плотность растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя.

Спектральные приборы

Назначением спектральных приборов является выделение излучения в узких спектральных интервалах в пределах заданной области спектра с разрешением обычно 10²-10⁷. В основу действия спектральных приборов могут быть положены самые разнообразные принципы, поэтому схемы действия конструкции приборов могут быть весьма различными.

Давно известны и наиболее распространены спектральные приборы с пространственным разделением длин волн. Такие приборы называют «классическими», а используемый метод разделения излучения по длинам волн – методом селективной фильтрации. Обязательным в спектральных приборах этого класса является диспергирующий элемент, пространственно разделяющий по длинам волн падающее на него излучение.

Для измерения оптической плотности используют приборы, называемые СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ.

Спектрофотометр – это прибор, позволяющий производить измерения светопоглощения образцов в узких по спектральному составу пучка света (монохроматический свет). Спектрофотометры позволяют разлагать белый свет в непрерывный спектр, выделять из этого спектра узкий интервал длин волн, в пределах которого световой пучок можно считать монохроматическим (ширина выделяемой полосы спектра 1 – 20 нм), пропускать изолированный пучок света через анализируемый раствор и измерять с высокой степенью точности интенсивность этого пучка. Поглощение света окрашенным веществом в растворе измеряют, сравнивая его с поглощением нулевого раствора. В фотометрическом спектрофотометре сочетаются два основных прибора: монохроматор, служащий для получения монохроматического светового потока, и фотоэлектрический фотометр, предназначенный для измерения интенсивности света.

Монохроматор состоит из трех основных частей: источника света, диспергирующего устройства (устройства, разлагающего белый свет в спектр) и приспособления регулирующего величину интервала длин волн светового пучка, падающего на раствор.

Наиболее употребительным источником света является лампа накаливания с вольфрамовой нитью, длины волн излучения которой лежат в пределах 350 – 2000 нм. Этот источник света пригоден для большинства аналитических целей, так как позволяет производить измерения в ближайшей ультрафиолетовой, видимой, а также в ближней инфракрасной областях спектра.

Для разложения света в спектр применяются стеклянные и кварцевые призмы, а также дифракционные решетки. Призмы обладают довольно большой дисперсией и большой светосилой. Кварцевые призмы дают возможность работать в ультрафиолетовой области спектра. Очень важной деталью спектрофотометра является щель, с помощью которой можно регулировать интенсивность светового потока: чем меньше ее раскрытие, тем меньше света проходит через нее и тем уже интервал длин волн светового пучка, пропускаемого щелью.

Фотоэлектрический фотометр состоит из вакуумных фотоэлементов, усилителя постоянного тока и компенсирующего устройства (потенциометра), шкала которого проградуирована в единицах оптической плотности и процентах светопропускания.

Оптическая схема спектрофотометра

Излучение от источника 1 (рис 3) или 1* падает на зеркальный конденсор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскости линзы 4, расположенной вблизи входной щели монохроматора 5.

Прошедшее через входную щель падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом и криволинейным штрихом. Решетка изготавливается на сферической поверхности, поэтому, помимо диспергирующих свойств, она обладает свойством фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационные искажения вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем спектральном диапазоне.

Дифракционный пучок фокусируется в плоскости выходной щели монохроматора 7, расположенной над входной щелью 5. Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки, при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель 7, линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и с помощью поворотного зеркала 10 попадает на светочувствительный слой фотоэлемента 11 или 12.

Для уменьшения рассеянного света и срезания высших порядков дифракции в спектрофотометре используются 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. Смена светофильтров производится автоматически.

Линзы изготовлены из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафиолетовой области спектра.

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком спектральном диапазоне используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварца применяется для измерений в области спектра от 190 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент – для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указана в паспорте спектрофотометра.

Дейтериевая лампа предназначается для работы в области спектра от 190 до 350 нм, лампа накаливания - для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Для проверки градуировки используется ртутно-гелиевая лампа ДРГС-12.

Принцип действия

В основу работы спектрофотометра положен принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

Структурная схема спектрофотометра представлена на рис. 4

Световой пучок из осветителя попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через образец, попадает на катод фотоэлемента в приемно-усилительном блоке. Электрический ток, проходящий через резистор R_Н, который включен в анодную цепь фотоэлемента, создает на резисторе падение напряжения, пропорциональное потоку излучения, падающему на фотокатод.

Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (далее - МПС), МПС по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения U_Tи U, пропорциональные темновому потоку фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания Т исследуемого образца по формуле

оптический плотность концентрация спектрофотометр

U-U_T

T= ¾¾¾ *100 (1)

U₀ –U_T

Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло

Включение спектрофотометра

Закрыть фотоэлемент, установить рукоятку 49 переключения шторки в положение ЗАКР, переключателем 21 установить ширину щели 0,15 нм.

Клавиатуре МПС, после чего должна высветиться запятая на табло МПС.

При установке рычага 34 в положение H лампа накаливания загорается сразу после нажатия кнопки СЕТЬ, при установке этого рычага в положение Д дейтериевая лампа загорается автоматически после минутного прогрева.

Стабильная работа спектрофотометра обеспечивается через 30 мин. после его включения.

Выключение спектрофотометра производить нажатием кнопки СЕТЬ.

Стабильная работа дейтериевой лампы обеспечивается через 30 мин. после ее включения.

Порядок работы

Подготовка к измерению

Включить спектрофотометр (см. выше)

Установить в держатель от одного до трех исследуемых образцов, в четвертую позицию держателя может быть установлен контрольный образец. Установить держатель на каретку в кюветном отделении.

Установить требуемую длину волны, вращая рукоятку длин волн в сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую, чем нужно, величину, то надо возвратить ее назад на 5 – 10 нм и снова подвести к требуемому делению.

Установить рукояткой 41 и рычагом 34 фотоэлемент и источник излучения в рабочее положение, соответствующее выбранному спектральному диапазону измерения.

Перед каждым новым измерением, когда неизвестна величина выходного напряжения, следует устанавливать ширину щели 0,15 нм во избежание засвечивания фотоэлементов.

Снимать показания следует при плотно закрытой крышке кюветного отделения.

Открывать крышку кюветного отделения следует только при установленной в положение ЗАКР рукоятке переключения шторки.

Измерение оптической плотности

Установить рукоятку 49 в положение ЗАКР.

Подключить вольтметр.

Установить рукояткой 50 НУЛЬ значение на вольтметре, равное нулю.

Установить на пути потока излучения контрольный образец в положение 1, перемещая каретку рукояткой 40. При отсутствии контрольного образца измерение будет проводиться относительно воздуха (I₀). Установить кювету с исследуемым раствором в положение 4.

Установить рукоятку 49 в положение ОТКР.

Рукоятку ЩЕЛЬ установить в положение 2,5.

Установить поочередно на пути потока излучения измеряемые образцы, перемещая каретку рукояткой 40. Снять показания с вольтметра (в положении 1 - I₀, в положении 4 - I).

Выполнить операции, указанные в 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 график зависимости оптической плотности (D) от длины волны (l).

Определение концентрации

Определение концентрации исследуемого раствора на спектрофотометре возможно при линейной зависимости оптической плотности D исследуемого раствора от концентрации C.

Измерения производить при длине волны 650 нм.

Установить рукоятку 49 переключения шторки в положение ЗАКР.

Установить в кюветное отделение кювету с исследуемым раствором и кювету с растворителем.

Вращая рукоятку изменения длины волны, установить необходимое значение (650 нм).

Установить рукояткой НУЛЬ на вольтметре значение, равное 0.установить рукоятку ЩЕЛЬ в положение 2,25.

Установить рукоятку 49 в положение ОТКР. Снять показания с вольтметра для I и I₀.

Выполнить пп. 3.1 – 3.5 для всех имеющихся растворов.

Построить градуировочный график зависимости оптической плотности (D) от концентрации (C). Градуировочный график построить следующим образом:

Приготовить ряд растворов данного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможных изменений концентрации этого вещества в исследуемом растворе. Определить оптическую 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 собой монохроматический свет?

Что представляет собой монохроматор, для каких целей он используется?

Каков принцип работы спектрофотометра?