Принципи фотометрії

                         Міністерство освіти і науки  України 

            Полтавський національний педагогічний  університет

                                         імені В.Г. Короленка

                                                                        Кафедра хімії 

 

 

 

 

 

                  Реферат

                 на тему: «Фотометрія»

 

 

 

             

                                                                                      Виконала студентка

                                                                                      Природничого ф-ту

                                                                                       Групи П-31

                                                                                        Кузіної Оксани

 

 

 

 

                                             Полтава 2013

                                    Зміст

Вступ

Розділ І. Історія

Розділ ІІ. Класифікація

Розділ ІІІ. Принципи фотометрії

Розділ ІV. Основні закономірності світо поглинання

Розділ V. Спектри поглинання

Розділ VI. Методика визначення концентрації речовини в розчині

Розділ VII. Устаткування для фотометричних вимірів.

Висновки

Списокикористаної літератури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       Вступ

Актуальність теми: Розроблені й з великою користю застосовуються фотометричні методи, засновані на використанні раніше відомих реагентів. Так И.П. Алімарин із співр. узвичаїли в обиход важливий метод визначення ніобію по реакції з роданідом; створено багато цікавих методів з використанням катіонних барвників - кристалічного фіолетового, брильянтового зеленого й аналогічних; антипірилметан застосований для фотометричного визначення титану - цей метод широко відомий. Створений  широко застосовуваний метод визначення кремнію, фосфору й миш'яку у вигляді гетерополісполук.

   У ряді аналітичних центрів синтезуються й випробовуються нові фотометричні реагенти.

   Більша роль у розвитку загальної теорії фотометричних методів належить відомим хімікам-аналітикам А.К. Бабко, А.Т. Пилипенко і їхнім колегам. Так, Н.П. Кромарь глибоко вивчив рівноваги в багатокомпонентних системах, застосовуваних у фотометрії, запропонував способи визначення молярних коефіцієнтів поглинання - основного показника, що характеризує межу виявлення. Метрологічні питання фотометрії досліджували А.К. Бланк, В.Ф. Барковський, І.А. Блюм.

    Найчастіше фотометричні методи використовують для визначення малих концентрацій речовин. Однак можна визначати й більші кількості, якщо використати так звану диференціальну фотометрію.

Мета дослідження: теоретичне вивчення, обґрунтування та узагальнення наявних відомостей з теми.

Об'єкти дослідження: абсорбції, емісії, рефрактометрія, поляриметрія.

Предмет дослідження: оптичні властивості фотометричних систем.

Методи дослідження: аналіз, синтез, узагальнення матеріалу.

Завдання дослідження:

• Охарактеризувати явище оптичного діапазону та поняття, які з ним пов’язані;
• Розглянути оптичні методи дослідження фотометричних систем;

Структура роботи: робота виконана на 19 сторінках комп’ютерного набору, складається з семи розділів, списку використаної літератури та висновків.

Розділ  І

    Вважають, що одним з перших фотометричні методи застосував російський мінералог і хімік В.М. Севергин, що працював наприкінці ХVIII - початку ХIX століть. У другій половині ХIХ століття деякі методи цього типу використали на заводах, наприклад у Нижньому Тагілі. Широке ж поширення фотометрія одержала в Радянському Союзі, починаючи з 30-х років ХХ століття. По числу наукових публікацій фотометричний метод посідає перше місце. У дуже великому масштабі метод використовують у практиці аналізу найрізноманітніших об'єктів. Особливості цих прийомів у досить низькій  межі виявлення, доступності й простоті, що сполучаються в багатьох випадках з достатньою вибірковістю й швидкістю; точність визначень також для ряду цілей цілком задовільна: відносна помилка звичайно становить 5-10 %. Важливо й те, що фотометричні методи розроблені практично для всіх елементів і дуже багатьох органічних сполук.

   Майже завжди виміру поглинання передує переклад обумовленого компонента в нову хімічну форму, що саме й відрізняє сильним поглинанням променистої енергії. Це може бути пофарбована сполука або сполуки, що поглинають випромінювання в ультрафіолетовій і інфрачервоній області спектра. Відшукання такої сполуки, вибір умов його утворення, знаходження прийомів усунення перешкод з боку інших компонентів - мета й істота хімічної теорії фотометричних методів. Найбільше поширення одержали прийоми, у яких використовують пофарбовані комплекси з органічними реагентами; наукові дослідження в основному  присвячені саме цим комплексам, з'ясуванню хімізму відповідних реакцій.

   Колись задовольнялися чисто утилітарним результатом: емпірично підібрана кольорова реакція служила цілям визначення елемента або сполуки, але істота процесів, що протікають при цьому, часом було незрозумілим. У переведеній на російську мову в 1935 р. книзі Йоу «Колориметричний аналіз» маса методик, але майже немає відомостей про хімічну істоту описаних реакцій. Наприклад, визначення заліза по реакції з роданідом використали широко, але сполука поглинаюче світло комплексу не знали. Однак з тих пор у хімії пофарбованих сполук досягнуть величезний прогрес. Відомий механізм майже всіх широко застосовуваних у фотометрії реакцій, при розробці нових прийомів обов'язковим вважається з'ясування природи сполук, що утворюються, і опис ряду їхніх фізико-хімічних властивостей, наприклад стійкості в розчині. Ці вимоги вироблені при активній участі відомих хіміків-аналітиків А.К. Бабко й А.Т. Пилипенко.

   У якості фотометричних реагентів використовують речовини різних класів. З неорганічних сполук - це галогеніди й роданіди, перекис водню, аміак, сполуки, що дають гетерополікислоти. З більш численних органічних реагентів можна назвати реагенти, що містять у певнім сполученні гідроксильну й карбоксильную групу, зокрема оксіазосполуки; реагенти з тіольної та тіонної групами. Дуже часто гарний аналітичний ефект дають багатокомпонентні сполуки, наприклад комплекси зі змішаною координаційною сферою.

   У більших масштабах ведуться успішні пошуки нових реагентів для фотометричного визначення елементів. Значний внесок внесли дослідження В.И. Кузнєцова й С.Б. Саввіна, які запропонували реагенти групи торона й арсеназо - арсеназо I, арсеназо Ш, сульфохлорфенол С та інші, що дозволяють визначати багато елементів з низькою межею виявлення й високою вибірковістю. Ці реагенти виробляються й застосовуються в багатьох країнах. Особливо ефективні вони при визначенні торія, урану, рідкісноземельних елементів, ніобію. В.П.Живописців увів у практику ефективні реагенти хромпиразол I і хромпиразол II, Ю.А. Банківський вивчив меркоптохінолин, що дозволяє досить вибірково фотометрувати реній і інші елементи. Запропонований також люмогалліон - реагент для фотометричного визначення галію, молібдену, ніобію. Літій зручно визначати з використанням реагенту хіназоліназо. В аналітичній хімії берилія важливі методи, засновані на використанні беррілона II і IV. Чутливе фотометричне визначення титану забезпечується дихлорхромотроповою кислотою, що описали В.И. Кузнєцов і Н.Н. Басаргін.

   Розроблені й з великою користю застосовуються фотометричні методи, засновані на використанні раніше відомих реагентів. Так И.П. Алімарин із співр. узвичаїли в обиход важливий метод визначення ніобію по реакції з роданідом; створено багато цікавих методів з використанням катіонних барвників - кристалічного фіолетового, брильянтового зеленого й аналогічних; антипірилметан застосований для фотометричного визначення титану - цей метод широко відомий. Створений  широко застосовуваний метод визначення кремнію, фосфору й миш'яку у вигляді гетерополісполук.

   У ряді аналітичних центрів синтезуються й випробовуються нові фотометричні реагенти.

   Більша роль у розвитку загальної теорії фотометричних методів належить відомим хімікам-аналітикам А.К. Бабко, А.Т. Пилипенко і їхнім колегам. Так, Н.П. Кромарь глибоко вивчив рівноваги в багатокомпонентних системах, застосовуваних у фотометрії, запропонував способи визначення молярних коефіцієнтів поглинання - основного показника, що характеризує межу виявлення. Метрологічні питання фотометрії досліджували А.К. Бланк, В.Ф. Барковський, І.А. Блюм.

    Найчастіше фотометричні методи використовують для визначення малих концентрацій речовин. Однак можна визначати й більші кількості, якщо використати так звану диференціальну фотометрію.

 

Розділ ІІ

   Методи аналізу, засновані на поглинанні електромагнітного випромінювання аналізованими речовинами, складають велику групу абсорбційних оптичних методів. При поглинанні світла атоми і молекули аналізованих речовин переходять у новий збуджений стан.

   У залежності від виду поглинаючих часток і способу трансформування поглиненої енергії розрізняють:

1. Атомно-абсорбційний аналіз, заснований на поглинанні світлової енергії атомами аналізованих речовин.

2. Молекулярний абсорбційний  аналіз, тобто аналіз поглинання  світла молекулами аналізованої речовини в ультрафіолетовій, видимій і інфрачервоній областях спектра (спектрофотометрія, фотоколориметрія, Ик-спектроскопія).

3. Аналіз поглинання і  розсіювання світлової енергії зваженими частками аналізованої речовини (турбидиметрія, нефелометрія).

4. Люмінесцентний (флуорометричний)  аналіз, заснований на вимірі випромінювання, що виникає в результаті виділення енергії збудженими молекулами аналізованої речовини.

   Усі ці методи іноді поєднують в одну групу спектрохімічних чи спектроскопічних методів аналізу, хоча вони і мають істотні розходження.

   Фотоколориметрія і спектрофотометрія засновані на взаємодії випромінювання з однорідними системами, і їх звичайно поєднують в одну групу фотометричних методів аналізу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розділ ІІІ

   У фотометричних методах використовують виборче поглинання світла молекулами аналізованої речовини. Відповідно до квантової механіки світло являє собою потік часток, називаних квантами чи фотонами. Енергія кожного кванта визначається довжиною хвилі випромінювання. У результаті поглинання випромінювання молекула поглинаючого речовини переходить з основного стану з мінімальною енергією E1 у більш високий енергетичний стан Е2. Електронні переходи, викликані поглинанням строго визначених квантів світлової енергії, характеризуються наявністю строго визначених смуг поглинання в електронних спектрах поглинаючих молекул. Причому поглинання світла відбувається тільки в тому випадку, коли енергія кванта, що поглинається, збігається з різницею енергій ?Е між квантовими енергетичними рівнями в кінцевому (E2) і початковому (E1) станах поглинаючої молекули:

                         hv = ?Е = Е2 - E1

   Тут h - постійна Планка (h = 6,625*10-34 Дж*с); v - частота випромінювання, що поглинається, що визначається енергією поглиненого кванта і виражається відношенням швидкості поширення випромінювання з (швидкості світлової хвилі у вакуумі с = 3*1010 см/с) до довжини хвилі ?: v = с/?. Частота випромінювання v виміряється в зворотних секундах (с-1), герцах (Гц). 1 Гц = 1 с-1.

Довжина хвилі виміряється в ангстремах (1 A = 1*10-8 см), мікрометрах чи мікронах (1 мкм = 1 мк = 1*10-6 м), нанометрах чи мілімікронах (1 нм = 1 ммк = 10 A = 1*10-9 м).

   Енергія випромінювання характеризується електромагнітним спектром, що охоплює область від кілометрових радіохвиль до десятих часток ангстрема випромінювання і космічних променів. Для характеристики ділянки спектра часто використовують також хвильове число, що показує, яке число довжин хвиль приходиться на 1 см шляху випромінювання у вакуумі.

   Природа смуг поглинання в ультрафіолетовій (10-400 нм) і видимої (400-760 нм) областях спектра однакова і зв'язана головним чином з числом і розташуванням електронів у поглинаючих молекулах і іонах. В інфрачервоній області (0,8-1000 мкм) вона в більшому ступені зв'язана з коливаннями атомів у молекулах поглинаючої речовини.

   У залежності від використовуваної апаратури у фотометричному аналізі розрізняють спектрофотометричний метод - аналіз по поглинанню монохроматичного світла і фотоколориметричний - аналіз по поглинанню поліхроматичного (немонохроматичного) світла у видимій області спектра. Обидва методи засновані на пропорційній залежності між світлопоглинанням і концентрацією поглинаючої речовини.

 

 

Розділ ІV

 
   При проходженні через шар речовини (розчину) світлового потоку з інтенсивністю I₀ його інтенсивність у результаті поглинання в шарі, відображення і розсіювання зменшується до значення I. Інтенсивності падаючого світлового потоку I₀ і світлового потоку I, що пройшов через розчин, можна визначити експериментально. При відносних вимірах поглинання світла щарами розчинами утратами випромінювання унаслідок відображення і розсіювання звичайно зневажають.

   Зв'язок між інтенсивностями світлових потоків I₀ і I установлюється законом Бугера-Ламберта, відповідно до якого однорідні шари тієї самої речовини однакової товщини поглинають ту саму частку падаючої на них світлової енергії (при постійній концентрації розчиненої речовини).

   Математично цей закон виражається рівнянням експонентної залежності:

                                   I = I0eal,

де е - основа натуральних логарифмів; а - коефіцієнт поглинання; l - товщина поглинаючого шару.

                          Відношення:

                 T = I/I₀

називають пропусканням; його значення можуть змінюватися від 0 до 1. Часто  цю величину виражають у відсотках. Якщо величина Т віднесена до товщини шару в 1 см, то її називають коефіцієнтом пропускання. Поглинання випромінювання характеризують оптичною щільністю:

                    A = lg(I₀/I) = -lgT

   Зв'язок між концентрацією поглинаючого розчину і його оптичною щільністю lg(I₀/I) виражається законом Бера, відповідно до якого оптична щільність розчину прямо пропорційна концентрації розчиненої речовини при постійній товщині шару: