Курсовая работа (т): Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ

Закон Бугера - Ламберта - Бера является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа. Математически он выражается уравнением:

I =Ι₀·

или ln = fx,

где f - коэффициент поглощения,

x - толщина поглощающего слоя (размер кюветы).

Величину lnназывают оптической плотностью поглощающего вещества и обозначают буквой Е. Тогда закон можно записать так:

Е = ln = fx

Для разбавленных растворов:

fE = kdc,

где d - толщина поглощающего слоя (размер кюветы),

с - концентрация вещества,

k - коэффициент поглощения.

Отношение интенсивности потока монохроматического излучения, прошедшего через испытуемый объект, к интенсивности первоначального потока излучения называется прозрачностью, или пропусканием, раствора и обозначается буквой Т:

Т = -

Это соотношение может быть выражено в процентах. Величина Т, характеризующая пропускание слоя толщиной 1 см, называется коэффициентом пропускания. Оптическая плотность Е и пропускание Т связаны между собой соотношением:

Е = -lg Т.

Е и Т являются основными величинами, характеризующими поглощение раствора данного вещества с определенной его концентрацией при определенной длине волны и толщине поглощающего слоя.

Величина коэффициента поглощения k зависит от способа выражения концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Если концентрация выражена в молях на литр, а толщина слоя - в сантиметрах, то он называется молярным коэффициентом поглощения, или коэффициентом экстинкции и обозначается символом ε и равен оптической плотности раствора с концентрацией 1 моль/л, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см.

E = lg = εdc

Величина молярного коэффициента поглощения зависит:

от природы растворенного вещества;

длины волны монохроматического света;

температуры;

природы растворителя[7].

Поглощение света веществом характеризуется кривой поглощения (см. рис.2.1), которая строится на основе измерения интенсивностей поглощения света определенных длин волн, рассчитанных по закону Бугера-Ламберта-Бера. Если кривая поглощения построена в координатах ε - то положение ее максимума на оси абсцисс (λ,нм) характеризует спектральный цвет и является мерой энергии возбуждения, а положение максимума на оси ординат (ε_max) - интенсивность окраски и является мерой вероятности электронного перехода.

Рис.2.1 Спектральная кривая поглощения

С уменьшением энергии возбуждения λ_max смещается в длинноволновую часть спектра, при этом окраска изменяется от желтой к оранжевой, красной и т. д. Такое изменение цвета называется его углублением или батохромным сдвигом. Увеличение энергии возбуждения, приводящее к смещению λ_max в коротковолновую область и изменению окраски в обратной последовательности, называется повышением цвета или гипсохромным сдвигом [14].

Вид спектра поглощения определяется как природой образующих его атомов и молекул, так и агрегатным состоянием вещества. Спектр разреженных атомарных газов - ряд узких дискретных линий, положение которых зависит от энергии основного и возбужденных электронных состояний атомов. Спектры молекулярных газов - полосы, образованные тесно расположенными линиями, соответствующими переходам между колебательным и вращательным энергетическими уровнями молекул. Спектр вещества в конденсированной фазе определяется не только природой составляющих его молекул, но и межмолекулярными взаимодействиями, влияющими на структуру электронных уровней. Обычно такой спектр состоит из ряда широких полос различной интенсивности.

По спектрам поглощения проводят качественный и количественный анализ веществ. Абсорбционную спектроскопию широко применяют для изучения строения вещества. Она особенно эффективна при исследовании процессов в жидких средах. По изменениям положения, интенсивности и формы полос поглощения судят об изменениях состава и строения поглощающих свет частиц без их выделения из растворов.

Для наблюдения за процессами, происходящими в течение короткого промежутка времени (от нескольких секунд до ~ 10^-12 с), широко применяют методы кинетической спектроскопии. Они основаны на регистрации (с помощью фотопластинок или фотоэлектрических приемников) спектров поглощения или испускания исследуемой системы после кратковременного воздействия на нее, направленного быстрого смешения с реагентами или возбуждения внешним источником энергии - светом, потоком электронов, электрическим полем и т.п. Спектром сравнения служит спектр "невозбужденной" системы. Методы кинетической спектроскопии используют для изучения механизма реакций (в частности, для установления состава промежуточных продуктов), количественного определения скоростей реакций [11].

Причины несоблюдения закона Бyгера - Ламберта - Бера:

. закон выведен и справедлив только для монохроматического света, поэтому недостаточная монохроматизация может вызвать отклонение закона и тем в большей степени, чем меньше монохроматизация света.

. в растворах могут протекать различные процессы, которые изменяют концентрацию поглощающего вещества или его природу: гидролиз, ионизация, гидратация, ассоциация, полимеризация, комплексообразование и др.

. светопоглощение растворов существенно зависит от рН раствора. При изменении рН раствора могут изменяться:

степень ионизации слабого электролита;

форма существования ионов, что приводит к изменению светопоглощения;

состав образующихся окрашенных комплексных соединений.

Поэтому закон справедлив для сильно разбавленных растворов, и область его применения ограничена [8].

.2 Фотоколориметрический метод анализа

Интенсивность окраски растворов можно измерять различными методами. Среди них выделяют субъективные (визуальные) методы колориметрии и объективные, то есть фотоколориметрические.

Визуальными называют такие методы, при которых оценку интенсивности окраски испытуемого раствора делают невооруженным глазом. При объективных методах колориметрического определения для измерения интенсивности окраски испытуемого раствора вместо непосредственного наблюдения пользуются фотоэлементами. Определение в этом случае проводят в специальных приборах - фотоколориметрах, поэтому метод получил название фотоколориметрического.

Фотоколориметрия применяется для измерения поглощения света или пропускания окрашенными растворами. Приборы, используемые для этой цели, называются фотоколориметрами (ФК).

Фотоколориметрические методы измерения интенсивности окраски связаны с использованием фотоэлементов. В отличие от приборов, в которых сравнение окрасок производится визуально, в фотоколориметрах приемником световой энергии является прибор - фотоэлемент. В этом приборе световая энергия преобразуется в электрическую. Фотоэлементы позволяют проводить колориметрические определения не только в видимой, но также в УФ- и ИК-областях спектра. Измерение световых потоков с помощью фотоэлектрических фотометров более точно и не зависит от особенностей глаза наблюдателя. Применение фотоэлементов позволяет автоматизировать определение концентрации веществ в химическом контроле технологических процессов. Вследствие этого фотоэлектрическая колориметрия значительно шире используется в практике заводских лабораторий, чем визуальная [12].

Рис. 2.2

На рисунке 2.2 показан обычный порядок расположения узлов в приборах для измерения пропускания или поглощения растворов.

Основные узлы приборов для измерения поглощения излучения: 1 - источник излучения; 2 - монохроматор; 3 - кюветы для растворов; 4 - преобразователь; 5 - индикатор сигнала [13].

Фотоколориметры в зависимости от числа используемых при измерениях фотоэлементов делятся на две группы: однолучевые (одноплечие) - приборы с одним фотоэлементом и двухлучевые (двуплечие) - с двумя фотоэлементами.

Точность измерений, получаемая на однолучевых ФЭК, невелика. В заводских и научных лабораториях наиболее широкое распространение получили фотоэлектрические установки, снабженные двумя фотоэлементами. В основу конструкции этих приборов положен принцип уравнивания интенсивности двух световых пучков при помощи переменной щелевой диафрагмы, то есть принцип оптической компенсации двух световых потоков путем изменений раскрытия зрачка диафрагмы.

Свет от лампы накаливания 1 с помощью зеркал 2 разделяется на два параллельных пучка. Эти световые пучки проходят через светофильтры 3, кюветы с растворами 4 попадают на фотоэлементы 6 и 6', которые включены на гальванометр 8 по дифференциальной схеме. Щелевая диафрагма 5 изменяет интенсивность светового потока, падающего на фотоэлемент 6. Фотометрический нейтральный клин 7 служит для ослабления светового потока, падающего на фотоэлемент 6' [14].

Рис. 2.3 Схема двулучевого фотоэлектроколориметра

Для определения концентрации анализируемых веществ в фотоколориметрии применяют:

метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов;

метод определения по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения;

метод градуировочного графика;

метод добавок.

Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов.

Для определения готовят эталонный раствор определяемого вещества известной концентрации, которая приближается к концентрации исследуемого раствора. Определяют оптическую плотность этого раствора при определенной длине волны. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора при той же длине волны и при той же толщине слоя. Сравнивая значения оптических плотностей исследуемого и эталонного растворов, находят неизвестную концентрацию определяемого вещества.

Метод сравнения применим при однократных анализах и требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.

Метод градуировочноro графика.

Для определения концентрации вещества этим методом готовят серию из 5-8 стандартных растворов различной концентрации. При выборе интервала концентраций стандартных растворов руководствуются следующими положениями:

·        он должен охватывать область возможных измерений концентрации исследуемого раствора;

·        оптическая плотность исследуемого раствора должна соответствовать примерно середине градуировочной кривой;

·        желательно, чтобы в этом интервале концентраций соблюдался основной закон светопоглощения, то есть график зависимости был прямолинейным;

·        величина оптической плотности должна находиться в пределах 0, 14 - 1,3.

Измеряют оптическую плотность стандартных растворов и строят график зависимости Е(С). Определив Ех исследуемого раствора, по градуировочному графику находят Сх (рис. 2.4).

Рис.2.4 Зависимость оптической плотности раствора от концентрации (калибровочная кривая)

Этот метод позволяет определить концентрацию вещества даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. В таком случае готовят большое количество стандартных растворов, отличающихся по концентрации не более чем на 10%.

Разновидность метода сравнения - метод добавок - основан на сравнении оптической плотности исследуемого раствора и того же раствора с добавкой известно количества определяемого вещества.

Применяют его для устранения мешающего влияния посторонних примесей, определения малых количеств анализируемого вещества в присутствии больших количеств посторонних веществ. Метод требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Важным достоинством атомно-спектроскопического элементного анализа является возможность определения большого числа разных элементов одновременно. Это обстоятельство очень существенно для многоэлементного анализа проб малой массы и объема. Важной для анализа чистых веществ является возможность автоматизации всех основных звеньев аналитического процесса, благодаря чему повышается эспрессность, увеличивается производительность анализа. Не последнюю роль в оценке достоинств различных методов контроля высокочистых веществ и материалов играет экономичность этих методов - стоимость аппаратуры, расход энергии, трудовые затраты, продолжительность анализа.

В курсовой работе представлены теоретические основы и методика применения атомно-абсорбционного спектрохимического анализа. В работе решены следующие задачи:

раскрыта природа спектров, структура атомов;

изучены теоретические основы спектрального анализа и методика атомно-абсорбционного анализа.

В перспективе планируется апробация атомно-абсорбционного анализа на практике.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1.   http://www.uwms.artefactworkshop.ru/spectroscopia/Атомная спектроскопия и спектральный анализ.

2.      Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. Пособие для вузов - 3-е изд., М.: Высшая шк., 1990. - С. 386-389.,412-416.

.        Дозоров В.А. Спектральный анализ чистых веществ - 2-е изд., перераб. и дополн. - СПб: Химия, 1994. - С. 191-207.

.        http://dostup.at.ua/ Абсорбция.

.        http://www.xumuk.ru/encyklopedia/ Спектральный анализ.

.        http://www.myunivercity.ru/ Основной закон светопоглощения (Закон Бугера-Ламберта-Бера).

.        http://www.chemport.ru/ Абсорбционная спектроскопия.

.        http://dic.academic.ru/ Спектроскопия.

.        http://sharifulin.pstu.ru Лекция №22 Современная физика атомов и молекул.

.        http://www.ximicat.com Абсорбционная спектроскопия.

.        http://www.chemport.ru/data/chemipedia/ Химическая энциклопедия: Цветность органических соединений.

.        http://knowledge.allbest.ru/ Реферат «Спектрометрия и фотоколориметрия» Тамбов, 2009