2995
.pdfFe3+ + SCN– = [FeSCN]2+ [FeSCN]2+ + SCN– = [Fe(SCN)2]+
…
[Fe(SCN)4]– + SCN– = [Fe(SCN)5]2– .
Интенсивность окраски такого раствора находится в прямой зависимости от концентрации ионов железа.
Раствор окрашенного комплекса имеет максимум поглощения при длине волны 470 нм. Измеряя светопоглощение такого раствора, методом градуировочного графика определяют содержание исследуемого вещества.
Ход работы.
1. Приготовление эталонных растворов.
Для того чтобы построить градуировочный график необходимо приготовить пять эталонных растворов с содержанием же-
леза (III): 2,0 ∙ 10–5; 4,0 ∙ 10–5; 8,0 ∙ 10–5; 1,2 ∙ 10–4; 1,6 ∙ 10–4 моль/л.
В пять промаркированных мерных колб объемом 50 мл внести 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 мл стандартного раствора железа. В каждую из колб добавить по 2 мл раствора азотной кислоты (1 : 1), затем последовательно по 8 мл раствора роданида калия. Растворы разбавить дистиллированной водой до меток. В качестве раствора сравнения использовать дистиллированную воду.
Для приготовления раствора с неизвестной концентрацией ионов железа в растворе в мерную колбу объемом 50 мл ввести аликвоту анализируемого раствора и разбавить водой до метки.
2.Измерение интенсивности светового потока для раствора сравнения.
На модуле «Фотоколориметр» ручкой установки длин волн установить рабочую длину волны λ = 470 нм.
Раствор сравнения (дистиллированная вода) поместить в кювету длиной 1 см, которую затем установить в кюветное отделение модуля «Фотоколориметр».
В программе УЛК задать:
– длину волны 470 нм;
– длину кюветы 1 см.
Провести измерение фона путем нажатия кнопки «Измерение фона».
3.Построение градуировочного графика.
11
Градуировочный график строится путем измерения оптической плотности пяти стандартных растворов с известным содержанием железа (III).
Стандартный раствор (начиная с наименьшей концентрации) поместить в кювету с l = 1 см, которую затем установить в кюветное отделение модуля «Фотоколориметр». Длина волны остается прежней.
В окне программы нажать кнопку «Начать эксперимент», а затем «Градуировка» и в появившемся окне указать концентрацию стандартного раствора C. Чтобы начать измерение, нажать кнопку «Градуировка». Измерение длится 10 с, после чего полученное значение оптической плотности А передается на график А = f(С) и в таблицу.
Аналогично провести измерения для остальных стандартных растворов. В результате получается график (рис. 5).
Рис. 5. Графическая зависимость А от f(C)
4. Определение неизвестной концентрации ионов железа. Для определения неизвестной концентрации ионов железа в
растворе провести измерение при той же длине волны, что и при построении градуировочного графика. Для этого необходимо нажать кнопку «Измерение» на градуировочном графике.
С помощью градуировочного графика по значению оптической плотности исследуемого раствора найти соответствующее ей значение концентрации (рис. 6). Результаты анализа записать в табл. 2.
12
Рис. 6. Градуировочный график и значение оптической плотности раствора неизвестной концентрации
Таблица 2
Результаты измерений оптической плотности растворов разных концентраций
Номер |
1 |
2 |
3 |
3 |
4 |
5 |
Контрольный |
|
раствора |
раствор |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Концентрация |
|
|
|
|
|
|
|
|
раствора |
|
|
|
|
|
|
|
|
Значение А |
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1.Каковы оптимальные условия фотометрического измерения: растворитель, длина волны, толщина кюветы, область определяемых концентраций?
2.Какой метод используется в данной работе для определения концентрации ионов железа (III)?
3.Для каких целей в исследуемые растворы добавляют азотную кислоту и раствор роданида калия?
4.Опишите последовательность операций при определении концентрации ионов железа прямым фотометрическим методом.
5.Какое вещество используют в качестве раствора сравнения при определении концентрации ионов железа (III)?
6.Как производится построение градуировочного графика?
13
3.2. Лабораторная работа № 2 Определение больших количеств марганца в виде перманганат-ионов
Цель работы – определить концентрацию марганца в концентрированном растворе методом градуировочного графика в дифференциальной фотометрии.
Задачи:
1)изучить сущность фотометрического определения концентрации вещества методом градуировочного графика;
2)определить концентрацию марганца в виде перманганатионов в анализируемом растворе.
Оборудование и реактивы:
1. Учебно-лабораторный комплекс «Химия» (УЛК) в следующей комплектации: модуль «Фотоколориметр» в комплекте с кюветой (l = 1 см), центральный контроллер.
2. Лабораторная посуда: мерные колбы объемом 50 мл, пипетки градуированные объемом 1; 2; 5 мл, мерная колба объемом
100 мл.
3. Реактивы: стандартный раствор перманганата калия с содержанием марганца 1 мг/мл, дистиллированная вода.
Теоретические сведения. Метод дифференциальной фотометрии применим к анализу концентрированных растворов. В этом случае оптическую плотность исследуемого раствора определяют не относительно чистого растворителя с нулевым поглощением, а относительно эталонного раствора известной концентрации того же окрашенного соединения. Концентрацию вещества в исследуемом растворе находят по градуировочной кривой.
Разбавленные растворы перманганата калия имеют розовую окраску, концентрированные – темно-фиолетовую, поэтому поглощают электромагнитное излучение видимого диапазона (полоса переноса заряда). Методика определения марганца основана на измерении интенсивности полосы поглощения перманганатиона при длине волны 525 нм.
Ход работы.
1. Приготовление эталонных растворов.
Приготовить шесть эталонных растворов с содержанием мар-
ганца 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12 мг/мл для того, чтобы по-
строить градуировочный график. В шесть промаркированных мерных колб вместимостью 50 мл внести 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0;
14
6,0 мл стандартного раствора перманганата калия. Растворы разбавить дистиллированной водой до меток. В качестве раствора сравнения выбрать раствор с наименьшим содержанием марганца.
Для приготовления раствора с неизвестной концентрацией марганца в растворе в мерную колбу объемом 50 мл ввести аликвоту анализируемого раствора и разбавить водой до метки.
2. Измерение интенсивности светового потока для раствора сравнения.
На модуле «Фотоколориметр» ручкой установки длин волн установить рабочую длину волны λ = 525 нм.
Раствор сравнения (раствор с содержанием марганца 0,02 мг/мл) поместить в кювету длиной 1 см, которую затем установить в кюветное отделение модуля «Фотоколориметр».
В программе УЛК задать:
–длину волны 525 нм;
–длину кюветы 1 см.
Провести измерение фона путем нажатия кнопки «Измерение фона».
3. Построение градуировочного графика.
Градуировочный график стрится путем измерения оптической плотности пяти стандартных растворов с известным содер-
жанием марганца (0,04; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12 мг/мл).
Стандартный раствор поместить в кювету с l = 1 см, которую установить в кюветное отделение модуля «Фотоколориметр». Длину волны оставить прежней.
В окне программы нажать кнопки «Начать эксперимент», «Градуировка» и в появившемся окне указать концентрацию стандартного раствора C. Чтобы начать измерение, нажать кнопку «Градуировка». Измерение длится 10 с, после чего полученное значение оптической плотности А передается на график А = f(С) и в таблицу.
Аналогично провести измерения для остальных стандартных растворов. В результате получается график (см. рис. 5).
4. Определение неизвестной концентрации ионов марганца. Для определения неизвестной концентрации марганца в рас-
творе, провести измерение при той же длине волны, что и при построении градуировочного графика. Для этого необходимо нажать кнопку «Измерение» на градуировочном графике.
15
С помощью градуировочного графика по значению оптической плотности исследуемого раствора найти соответствующее ей значение концентрации (см. рис. 6). Результаты анализа записать в табл. 2.
3.3.Примеры решения типовых задач
1.Рассчитать молярную концентрацию тирозина в растворе, ес-
ли известно, что оптическая плотность с длиной волны λmax = = 275 нм такого раствора в кювете толщиной l = 10 см составляет 13,4, а молярный коэффициент поглощения ε = 13 400 л/(моль∙см).
Решение:
Необходимо применить уравнение Бугера – Ламберта – Бера:
A Cl, откуда С = А / l = 13,4 / (13 400 ∙ 10) = 10–4 моль/л.
2. Рассчитать определяемый минимум железа (III) в виде тиоцианатного комплекса при 480 нм. Значение молярного коэффициента поглощения равно 6 300 л/(моль∙см), толщина кюветы 5 см, конечный объем фотометрируемого раствора 25 мл. Наименьшее значение оптической плотности, измеряемое прибором, равно
0,005.
Решение:
Сmin = Аmin / ( l),
m = CminVM,
m(FeIII) = Cmin(FeIII)VM(FeIII) = |
А |
min |
|
|
|||
εl |
|||
|
|||
VM(FeIII) =
=
0,005 6300 5
∙ 25 ∙ 10–3 ∙ 55,85 = 2 ∙ 10–7 г = 0,2 мкг,
где Сmin – минимальная молярная концентрация иона в растворе, поддающаяся фотометрическому определению, моль/л; m – определяемый минимум (предел определения) – наименьшая масса вещества, открываемая данной реакцией по данной методике, г.
3. Исследуемый раствор имеет А = 0,900 при измерении в кювете с l = 5 см. Определите концентрацию раствора, если стандартный раствор, содержащий 7 мкг/см3 этого же вещества, имеет значение оптической плотности 0,600 при измерении в кювете с l = 3 см.
Решение:
Аст = Cстlст,
Ах = Схlх,
16
где Аст и Ах – оптическая плотность стандартного и исследуемого растворов; Сст и Сх – концентрации стандартного и исследуемого растворов; lст и lх – толщина кювет со стандартным и исследуемым растворами соответственно.
Преобразуя эти выражения, получим
Ах / Аст = Схlх Cстlст.
Откуда Сх = CстАхlст Астlх) = 7·0,900·3/(0,600·5) = 6,3 мкг/см3.
3.4.Задачи, рекомендованные для подготовки студентов
кколлоквиуму (зачету)
Для выбора номеров задач следует использовать табл. 3. Ответы к задачам см. в прил. Б.
Таблица 3
|
Варианты заданий |
|
|
Номер варианта |
Номера задач |
1 |
1, 16, 31 |
2 |
2, 17, 32 |
3 |
3, 20, 33 |
4 |
4, 18, 35 |
5 |
5, 30, 34 |
6 |
6, 19, 36 |
7 |
7, 21, 37 |
8 |
8, 22, 38 |
9 |
9, 23, 39 |
10 |
10, 24, 40 |
11 |
11, 25, 41 |
12 |
12, 26, 42 |
13 |
13, 27, 44 |
14 |
14, 28, 45 |
15 |
15, 29, 43 |
1. Воспользовавшись уравнением Бугера – Ламберта – Бера, определить параметр «X» (в соответствии с номером задачи).
Но- |
Определяе- |
Длина |
|
Толщи- |
Концен- |
Оптиче- |
|
мер |
ε, |
||||||
мый ион или |
волны, |
на слоя, |
трация, |
ская плот- |
|||
зада- |
л/(моль∙ см) |
||||||
чи |
вещество |
нм |
|
см |
моль/л |
ность |
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
MnO4‾ |
546 |
2420 |
1,0 |
4∙10–4 |
X |
|
2 |
Cu2+ |
620 |
35∙103 |
1,0 |
X |
0,125 |
|
3 |
Pb2+ |
520 |
7∙104 |
5,0 |
10–5 |
X |
|
4 |
Fe3+ |
490 |
X |
2,0 |
0,18∙10–4 |
0,198 |
|
5 |
Al3+ |
390 |
6700 |
X |
2,5∙10–4 |
0,836 |
|
6 |
Ge4+ |
510 |
104 |
5,0 |
X |
0,084 |
17
Окончание табл.
Но- |
Определяе- |
Длина |
|
Толщи- |
Концен- |
Оптиче- |
|
мер |
ε, |
||||||
мый ион или |
волны, |
на слоя, |
трация, |
ская плот- |
|||
зада- |
л/(моль∙ см) |
||||||
чи |
вещество |
нм |
|
см |
моль/л |
ность |
|
|
|
|
|
|
|
||
7 |
MnO4– |
520 |
Х |
2,0 |
3,16∙10–5 |
0,400 |
|
8 |
Сr2O72– |
455 |
Х |
5,0 |
3,16∙10–5 |
0,450 |
|
9 |
Pb2+ |
485 |
6,8∙104 |
2,0 |
Х |
0,450 |
|
10 |
Fe3+ |
470 |
2 500 |
5,0 |
Х |
0,200 |
|
11 |
Fe3+ |
570 |
5,5∙103 |
2,0 |
10–4 |
Х |
|
12 |
Ni2+ |
470 |
1,3∙104 |
3,0 |
10–5 |
Х |
|
13 |
Cr3+ |
546 |
4,2∙104 |
3,0 |
Х |
0,114 |
|
14 |
Zn2+ |
530 |
9∙103 |
1,0 |
0,5∙10–4 |
Х |
|
15 |
Mn2+ |
455 |
1,12∙104 |
1,0 |
8∙10–5 |
Х |
2. Рассчитать определяемый минимум ионов фотометрической реакции при заданных значениях А, V, l, ε.
Но- |
Опре- |
Длина |
|
|
|
|
m (опреде- |
|
мер |
деляе- |
ε, |
|
Толщина |
V, |
ляемый |
||
волны, |
А |
|||||||
зада- |
мый |
л/(моль∙ см) |
слоя, см |
мл |
минимум), |
|||
нм |
|
|||||||
чи |
ион |
|
|
|
|
г |
||
|
|
|
|
|
||||
16 |
Ni2+ |
470 |
9 000 |
0,02 |
5,0 |
50 |
Х |
|
17 |
Ве2+ |
290 |
30 000 |
0,002 |
2,0 |
50 |
Х |
|
18 |
Pb2+ |
485 |
6,8∙104 |
0,45 |
2,0 |
25 |
Х |
|
19 |
Ag+ |
462 |
3 500 |
0,002 |
2,0 |
25 |
Х |
|
20 |
Cu2+ |
620 |
35 000 |
0,120 |
1,0 |
15 |
X |
|
21 |
Al3+ |
390 |
6 700 |
0,836 |
5,0 |
25 |
X |
|
22 |
Fe3+ |
470 |
4 000 |
0,01 |
5,0 |
15 |
X |
|
23 |
Ti4+ |
410 |
3 200 |
0,27 |
2,0 |
50 |
Х |
|
24 |
Mn2+ |
455 |
1,1∙104 |
0,28 |
1,0 |
50 |
Х |
|
25 |
Ni2+ |
470 |
1,9∙104 |
0,324 |
2,0 |
50 |
X |
|
26 |
Al3+ |
480 |
1,96∙102 |
0,25 |
2,0 |
50 |
Х |
|
27 |
In4+ |
630 |
35 900 |
0,45 |
1,0 |
15 |
X |
|
28 |
Cu2+ |
620 |
35 000 |
0,350 |
5,0 |
25 |
Х |
|
29 |
Ge4+ |
510 |
104 |
0,084 |
5,0 |
15 |
Х |
|
30 |
Zn2+ |
530 |
94∙103 |
0,47 |
1,0 |
50 |
Х |
3. Определите концентрацию раствора (в соответствии с номером задачи) в указанных единицах по приведенным данным (раствор «а» – стандартный, раствор «б» – исследуемый).
18
Номер |
Определяе- |
|
Толщи- |
Оптиче- |
|
мый ион или |
Концентрация |
на слоя, |
ская плот- |
||
задачи |
|||||
вещество |
|
см |
ность |
||
|
|
||||
31 |
Mg2+ |
а) 0,1 г MgCl2 в 250 мл раствора |
2,0 |
0,222 |
|
б) Mg в г/мл |
3,0 |
0,046 |
|||
|
|
||||
32 |
Cr2O72– |
а) K2Cr2O7 5 мг/мл |
1,0 |
0,033 |
|
б) Cr в мг/мл |
1,0 |
0,078 |
|||
|
|
||||
|
|
а) NiSO4·6H20 массой 0,250 г |
1,0 |
0,274 |
|
33 |
Ni2+ |
в 1 л раствора |
|||
|
|
||||
|
|
б) Ni в мг/мл |
5,0 |
0,134 |
|
34 |
Pb2+ |
а) 2,5 мг PbO2 в 100 мл раствора |
5,0 |
0,126 |
|
б) Pb в мг/л |
5,0 |
0,033 |
|||
|
|
||||
35 |
Sb2+ |
а) 2,56 мг Sb в 50 мл раствора |
0,5 |
0,085 |
|
б) Sb в мг/мл |
2,5 |
0,127 |
|||
|
|
||||
36 |
Fe3+ |
а)0,00186моль/л раствор FeCl2 |
1,0 |
0,217 |
|
б) Fe в мкг/мл |
5,0 |
0,033 |
|||
|
|
||||
37 |
Cu2+ |
а) 0,1 г Cu в 100 мл раствора |
2,5 |
0,164 |
|
б) Cu в г/мл |
5,0 |
0,074 |
|||
|
|
||||
38 |
Zr4+ |
а) ZrOCl2∙8H2O 5 мг/мл |
2,0 |
0,48 |
|
б) Zr в мг/мл |
3,0 |
0,434 |
|||
|
|
||||
39 |
Fe3+ |
а) Fe(CNS)3 1∙10-4 М |
1,0 |
0,60 |
|
б) Fe в моль/л |
1,0 |
0,15 |
|||
|
|
||||
40 |
Мn2+ |
а) KMnO4 2∙10-4 мг/мл |
2,0 |
0,60 |
|
б) Mn в моль/л |
3,0 |
0,20 |
|||
|
|
||||
41 |
Al3+ |
а) AlCl 3 2,0 мкг/мл |
3,0 |
0,39 |
|
б) Al в мкг/мл |
5,0 |
0,52 |
|||
|
|
||||
42 |
Zn2+ |
а) ZnCl2 0,5 мг/мл |
1,0 |
0,45 |
|
б) Zn в мг/мл |
1,0 |
0,85 |
|||
|
|
||||
43 |
Pb2+ |
а) Pb(NO3)2 2∙10-4 мг/мл |
2,0 |
0,45 |
|
б) Pb в мг/мл |
5,0 |
0,15 |
|||
|
|
||||
44 |
Сu2+ |
а) СuSO4∙5H2O 1,96 г/л |
5,0 |
0,35 |
|
б) Сu в моль/л |
5,0 |
0,44 |
|||
|
|
||||
45 |
Cu2+ |
а) CuSO4 ∙5 H2O 0,05 моль/л |
3,0 |
0,12 |
|
б) Cu в моль/л |
3,0 |
0,20 |
|||
|
|
Библиографический список
1.Бабко А.К., Пилипенко А.Г. Фотометрический анализ. М.: Химия, 1968. 389 с.
2.Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия, 1986. 432 с.
3.Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа. М.: Высш. шк., 1979. 184 с.
4.Закономерности химических реакций: Метод. пособие. Томск, 2010.
139 с.
5.Фотоколориметрия. Руководство по выполнению лабораторных ра-
бот. Томск, 2011. 26 с.
19
Приложение А
Управление лабораторной установкой для фотометрического анализа
Работа на фотоколориметре должна производиться в чистом помещении, свободном от пыли, паров, кислот и щелочей. Запрещается переносить и оставлять без присмотра включенный прибор. В случае перерыва в подаче электроэнергии фотоколориметр должен быть немедленно выключен.
1. Подготовка к работе:
1)модуль «Фотоколориметр» соединить с помощью специального соединительного шнура с центральным контроллером;
2)центральный контроллер подключить к компьютеру, а затем к сети 220 В, 50/60 Гц;
3)нажать кнопку «Сеть» на контроллере; если планируется вести управление через ПК, включить компьютер;
4)подготовить реактивы для эксперимента: эталонные растворы
ираствор сравнения, которые поместить в кювету, а затем в кюветное отделение модуля «Фотоколориметр»;
5)на модуле «Фотоколориметр» установить с помощью ручки длину волны λ = 470 нм.
2. Управление установкой с помощью компьютера:
1)при включенном контроллере запустить программу управления УЛК «Общая химия», в появившемся окне («Добро пожаловать в УЛК») выбрать вариант «Работа с контроллером» (рис. А1); при правильно подсоединенном модуле и контроллере появятся надписи: «Контроллер активен» и «Модуль: Оригинальная установка»; войти в программу управления УЛК путем нажатия кнопки «Вход» – прибор готов к работе;
Рис. А1. Окно выбора варианта работы
2) основные элементы управления программой представлены на рис. А2: верхний ряд кнопок слева направо: вызов калькулятора, информация о приложении, начало новой лабораторной работы, сохранение текущей лабораторной работы, завершение работы приложения;
20