Колориметр фотоэлектрический концентрационный кфк 2мп инструкция

ОПРЕДЕЛЕНИЕ
КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ
КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы:
изучение работы фотоэлектрического колориметра КФК-2МП и измерение с его
помощью оптической плотности D ряда жидкостных растворов; построение зависимости
D = f (С) и определение концентрации С_х
раствора СuSО₄.

Приборы и принадлежности: колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП, набор
растворов различной концентрации.

1.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Известно, что свет, проходя через любую среду, поглощается. Поглощение
света связано с преобразованием в веществе энергии электромагнитного поля в
другие виды энергии.

Явление поглощения света объясняется на основе как классической, так и
квантовой теории.

С точки зрения классической теории взаимодействие света и вещества
сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и
молекулами вещества. Под действием электрического поля световой волны
электроны атомов и молекул смещаются относительно положительно заряженных
ядер, совершая гармоническое колебательное движение с частотой, равной
частоте действующего поля. Колеблющийся электрон становится источником
вторичных волн. В результате интерференции падающей волны со вторичной в
среде возникает волна с амплитудой, отличной от амплитуды вынуждающего поля.
Поскольку интенсивность есть величина, прямо пропорциональная квадрату
амплитуды, то соответственно изменится и интенсивность излучения,
распространяющегося в среде. Следовательно, не вся энергия, поглощенная атомами
и молекулами среды, возвращается в виде излучения – произойдет поглощение. В
результате поглощения света веществом увеличивается его внутренняя энергия.

Согласно квантовым представлениям атомы и молекулы обладают
дискретными значениями энергии (основное и возбужденные состояния). При
распространении света через среду часть энергии тратится на возбуждение
системы (за счет переходов из основного состояния в возбужденные), а часть
энергии выходит из среды (за счет переходов из возбужденных состояний в основное).
Так как прямых переходов больше, чем обратных, то интенсивность вышедшего
из среды света оказывается меньше интенсивности света, падающего на
среду.

Следовательно, поглощением (абсорбцией) света называется явление
уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе
вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии.

Количественно поглощение света веществом описывается законом Бугера:

,                                     (1)

где I – интенсивность плоской монохроматической волны, вышедшей из
поглощающего вещества; I₀ –
интенсивность плоской монохроматической волны, падающей на поглощающее
вещество;
l – толщина слоя поглощающего вещества, мм;
α – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической
природы и состояния вещества (см. л/р № 67).

Свет
различных длин волн поглощается по-разному, т.е. коэффициент поглощения
α зависит от длины волны (рис. 1).

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны называется спектром
поглощения. Если поглотителем является растворенное в жидком или твердом
растворителе вещество, то поглощение будет тем больше, чем больше молекул
поглощающего вещества свет встречает на своем пути.

Поэтому в случае слабых растворов, где взаимодействие молекул
растворенного вещества мало, коэффициент поглощения пропорционален
концентрации С₀:

,                                        (2)

где α₀ – коэффициент поглощения, характерный для
молекулы растворенного вещества и не зависящий от концентрации; С₀
– молекулярная концентрация растворенного вещества.

Соотношение (2) носит название закона Бера
и выполняется только при низких концентрациях, когда наличие соседних молекул
не меняет свойств каждой молекулы.

Учитывая (2), получим обобщенный закон Бугера–Бера:

.                                        (3)

При прохождении световых лучей через
мутные среды (туман, дым, эмульсии и суспензии с взвешенными в них посторонними
частицами) часть светового пучка рассеивается в стороны от основного
направления. Результатом рассеяния является убывание плотности потока энергии
излучения в направлении распространения, причем более быстрое, чем при
наличии только поглощения. Рассеяние света в мутных средах на частицах
постороннего вещества экспериментально впервые исследовал Тиндаль в 1869 г.
(эффект Тиндаля) (теорию создал Рэлей).

Изменение интенсивности света с учетом его поглощения и рассеяния
(экстинция) описывается законом Бугера–Ламберта:

,                                        (4)

где γ – коэффициент рассеяния.

В соответствии с законом Рэлея
интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени
длины волны:

 .                                      (5)

Согласно закону
Рэлея сильнее рассеиваются короткие волны
(с меньшей длиной волны). Этим объясняется синий цвет неба. При восходе и
заходе Солнца из прямого света до поверхности Земли доходят преимущественно
красные лучи, т.к. большая часть коротковолнового излучения теряется на
рассеяние. Поэтому при восходе и заходе Солнце красное и цвет зари также
красный.

2.
ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

В данной работе измеряется оптическая плотность растворов.

Оптическая плотность – это физическая величина, равная логарифму
отношения интенсивности света I₀, падающего на
слой вещества, к интенсивности света I, прошедшего этот слой:

 .                                              
(6)

Из формулы (3) следует

.                                          (7)

Тогда

                                                (8)

и с учетом (6)

;                                      (9)

.                                           (10)

Между С₀ и концентрацией С, выраженной в %,
существует линейная зависимость, т.е. . Пользуясь диаграммой , можно определить неизвестную концентрацию С_x.

Для измерения оптической плотности
используется колориметр. Колориметр фотоэлектрический концентрационный
КФК-2МП предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической
плотности жидкостных растворов и прозрачных твердых тел, а также измерения
концентрации веществ в растворах.

Колориметр позволяет производить измерения коэффициентов пропускания
рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете, а
также активности растворов. Спектральный диапазон работы колориметра от 315
до 980 нм. Весь он разбит на 11 спектральных интервалов, выделяемых с помощью
светофильтров.

Колориметр может применяться на предприятиях водоснабжения, в
металлургической, химической, пищевой промышленности, в сельском
хозяйстве, в медицине и других областях народного хозяйства.

Внешний вид колориметра представлен на рис. 2.

Колориметр состоит из колориметрического блока 1, вычислительного блока 2
и блока питания (см. рис. 2).

В колориметрический блок входят осветитель, узел оптический,
светофильтры, кюветное отделение, кюветодержатель, устройство
фотоэлектрическое с усилителем постоянного тока и элементами регулирования.

В узел оптический встроены конденсор, диафрагма и объектив (см. рис.
3).

Светофильтры
вмонтированы в диск. В световой пучок светофильтры вводятся ручкой 6 (см. рис. 2). Рабочее положение
каждого светофильтра фиксируется.

Рис. 2

Кюветы с растворителем или контрольным раствором устанавливаются в
кюветодержатель и помещаются в кюветное отделение. Ввод в световой пучок
одной или другой кюветы осуществляется поворотом ручки 4 (см. рис. 2) до упора влево или вправо (до положения 1 или 2).
В положении «1» в световой пучок вводится кювета с растворителем, в положении
«2» – кювета с исследуемым раствором. Кюветное отделение закрывается крышкой 5. При открытой крышке кюветного
отделения шторка перекрывает световой пучок.

Рис. 3

В фотометрическое
устройство входят фотоэлемент Ф-2В, фотодиод ФД-24К, светоделительная
пластинка, усилитель. Переключение фотоприемников осуществляется с помощью
ручки 3 (см. рис. 2).

В вычислительный блок 2
входит микропроцессорная система «Электроника СМС 81 201.1».

На передней панели МПС расположены клавиатура, цифровое табло и два
сигнальных светодиода. Клавиатура состоит из 24 клавиш. Клавиша «пуск»
предназначена для запуска микропроцессорной системы. Клавиши «К(1)», «τ(α)», «Д(5)» предназначены для
выполнения калибровки прибора, измерений коэффициента пропускания, оптической
плотности исследуемого вещества, концентрации вещества в растворе. Клавиша
«А(3)» предназначена для измерения активности.

Клавиша «Ц/Р» предназначена для перевода МПС в режим одиночных
измерений или режим циклических измерений. В случае если МПС находится в
режиме одиночных измерений, то горит светодиод «Р», в противном случае горит
светодиод «Ц».

В блок питания входят стабилизаторы напряжений с выпрямителями и
силовые трансформаторы.

Оптическая схема колориметра изображена на рис. 3.

Нить лампы 1 (см. рис. 3)
конденсором 2 изображается в
плоскости диафрагмы 3. Это
изображение объективом 4, 5 переносится в плоскость,
отстоящую от объектива на расстоянии ~ 300 мм, с увеличением 10^x. Кювета 10 с исследуемым раствором вводится в световой пучок между
защитными стеклами 9, 11. Для выделения узких участков
спектра из сплошного спектра излучения лампы в колориметре предусмотрены
цветные светофильтры 8.
Теплозащитные светофильтры 6 введены в световой пучок при работе в видимой
области спектра 400…590 нм. Для ослабления светового потока при работе
в спектральном диапазоне 400…540 нм введены нейтральные светофильтры 7.

Пластина 14 делит световой
поток на два: 10 % светового потока направляется на фотодиод ФД-24К (12) и 90
% – на фотоэлемент Ф-26 (15). Уравнивание фототоков, снимаемых с
фотоприемника ФД-24К при работе с различными цветными светофильтрами,
осуществляется путем установки перед фотоприемником светофильтра 13 из цветного стекла СЗС-16.

Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении
светового потока Ф₀, прошедшего через растворитель или контрольный
раствор, по отношению к которому производится измерение, и потока Ф,
прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки Ф₀ и Ф фотоприемниками преобразуются
в электрические сигналы, которые обрабатываются микроЭВМ колориметра и
представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической
плотности, концентрации, активности.

3.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Подсоедините колориметр к сети 220 В
и включите тумблер «сеть». При этом должна загореться сигнальная лампа (на
цифровом табло могут появиться различные символы).

3.2. Нажмите клавишу «пуск» – на цифровом табло появляется мигающая
запятая и горит индикатор «Р». Если
запятая не появилась – повторно нажмите клавишу «пуск».

3.3. Поворотом ручки 6 (см.
рис. 2) введите светофильтр
λ = 670 нм.

3.4. В кюветное отделение установите кюветы (l = 1 см) с растворителем и исследуемым раствором С₁
известной концентрации. Кювета с растворителем устанавливается в дальнее
гнездо кюветодержателя, а кювета с исследуемым раствором – в ближайшее.
Жидкость наливается в кювету до отметки на ее боковой стенке.

3.5. Закройте крышку кюветного отделения,
нажмите клавишу «К(1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой
загорается символ «1».

3.6. Затем ручку 4 (см. рис.
2) установите в положение «2»
(в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором).

3.7. Нажмите клавишу «Д(5)». На цифровом табло слева от мигающей
запятой появляется символ «5», означающий, что произошло измерение оптической
плотности. Отсчет на цифровом табло справа от мигающей запятой соответствует
оптической плотности исследуемого раствора.

3.8. Операции по п. 3.4-3.7 проведите 3 раза. Оптическую плотность
определите как среднее арифметическое из полученных значений.

3.9. Измерение оптической плотности проведите для ряда растворов
известной концентрации и раствора неизвестной концентрации С_x.

3.10. Полученные данные занесите в
таблицу, форма которой представлена ниже.

3.11. По полученным экспериментальным данным постройте зависимость D
= f (С), откладывая по оси абсцисс концентрацию раствора С,
а по оси ординат – оптическую плотность D.

3.12. По диаграмме D = f (С) определите
концентрацию раствора неизвестной концентрации С_х.

Форма таблицы

ВОПРОСЫ
ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель работы?

2. Поясните принцип действия колориметра.

3. Объясните механизм поглощения света веществом.

4. Опишите ход работы.

5. Дайте понятие оптической плотности.

ВОПРОСЫ
ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Выведите закон Бугера–Бера.

2. Поясните границы применения закона Бугера–Бера.

3. Опишите практическое использование колориметра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кортнев А.В.,
Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. – М.: Высш. шк., 1963. – 568
с.

2. Годжаев Н.М.
Оптика. – Высш. шк., 1977. – 432 с.

3. Колориметр фотоэлектрический
концентрационный
КФК-2МП. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.