Спектрофотометрический анализ однокомпонентных систем

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ

Цель работы: Изучение физических основ и методики проведения спектрофотометрического анализа однокомпонентных молекулярных систем.

Приборы и оборудование:Спектрофотометр СФ-26, набор кювет, однокомпонентная молекулярная система.

Задание

1.  Измерить электронный спектр поглощения анализируемого раствора в области 400-900 нм, Выбрать аналитическую длину волн .

2.  Определить возможный интервал концентраций определяемого вещества. Приготовить 4-5 стандартных растворов.

3.  Измерить значения  на длине волны  для всех стандартных растворов. Построить аналитическую кривую.

4.  Измерить значения  анализируемого раствора на длине волны  . Пользуясь аналитической кривой, определить концентрацию определяемого вещества.

5.  Изучить следующие вопросы:

v Определение числа компонентов методом тестов:

§   Однокомпонентные системы,

§   Закрытые двухкомпонентные системы,

§   Открытые двухкомпонентные системы.

v Анализ однокомпонентных систем с неизвестным коэффициентом экстинкции компонента.

Теоретическое введение

Целью количественного спектрофотометрического молекулярного анализа является определение концентрации молекулярного вещества в смеси или растворе (в пробе) на основе спектра поглощения пробы.

Физической основой абсорбционного спектрофотометрического анализа однокомпонентной пробы является закон Бугера

,                                             (1)

где I₀ – интенсивность падающего на вещество монохроматического излучения, I- интенсивность излучения, прошедшего через слой вещества, толщина которого l,  - коэффициент экстинкции (молекулярный показатель поглощения), описывающий поглощательные свойства вещества на данной длине волны, с – концентрация поглощающего вещества в растворе.

Закон Бугера можно записать и в другой форме:

  ,                                                               (2)

где  – оптическая плотность поглощающего вещества на данной длине волны.

Зависимости D(λ), D(ν), ….; ε(λ), ε(ν), … , - представляют собой спектр поглощения.

При изучении реакционных смесей в первую очередь возникает вопрос о числе входящих в них компонентов и об их идентификации.

Компонентом молекулярного раствора (смеси) называется вещество, присутствующее в растворе и поглощающее излучение в используемом диапазоне длин волн.

Псевдокомпонентом называется смесь нескольких веществ, которые присутствуют в растворах всегда в постоянном соотношении.

Закрытой называют такую систему, в которой концентрации компонентов связаны зависимостью:

  (или ),                              (3)

где:  ν_i – стехиометрический коэффициент i го компонента; с_i – концентрация i го компонента х – любой параметр, влияющий на концентрацию компонентов.

Системы, для которых , называются открытыми.

Изомолярной называют серию растворов с постоянной суммарной концентрацией реагирующих веществ, но с различным отношением из концентраций.

Задача определения числа компонентов в анализируемой системе решается различными методами. Наиболее распространенным методом числа компонентов является метод тестов. Суть метода состоит в том, что для спектрофотометрической системы, содержащей заданное число компонентов, должны выполняться вполне определенные соотношения между измеряемыми величинами, а именно, между значениями оптической плотности, соответствующими различным длинам волн и различным состояниям растворов. Реализация метода тестов состоит в проверке выполнимости (или невыполнимости) этих соотношений.

Простые тесты на число компонент

А.Однокомпонентные системы

Оптическая плотность однокомпонентной системы определяется в соответствии с законом Бугера следующим образом:

D=εcl,

где ε=f(λ)- молекулярный показатель поглощения.

Тесты:

1.  Отношение оптических плотностей одного и того же раствора при любых двух длинах волн постоянно для всех состояний:

                              .

2.         Отношение оптических плотностей двух растворов при любой длине волны постоянно:

                             .

Зависимость  D₁^λ   от D₂^λ выражается прямой, проходящей через начало координат с tgα= c₁/c₂ .

3          .         Отношение оптических плотностей данного раствора к средней оптической плотности всех других растворов при любой длине волны постоянно

                                                   ,

а зависимость

                                           

прямолинейна.

4.         В координатах lgD-λ спектры двух любых растворов сдвинуты относительно друг друга по оси ординат на постоянную величину lgc₁-lgc₂:

                               ;

Необходимо подчеркнуть, что если спектр чистого компонента неизвестен, то ни один из тестов не позволяет отличить однокомпонентную систему от псевдооднокомпонентной.

В. Закрытые двухкомпонентные системы

Оптическая плотность закрытой двухкомпонентной смеси описывается уравнением:

                                                (4)

причем

.                                              (5)

Тесты:

1.  Решая совместно уравнение (5) и два уравнения (4), относящиеся к одному раствору, но для двух различных длинах волн, получим:

                                               (6)

Уравнение (6) есть уравнение прямой в отрезках на осях. Следовательно, для закрытой двухкомпонентной системы оптические плотности раствора на любых двух длинах волн λ₁ и λ₂  связаны линейной зависимостью (смотри рисунок).