1. Część teoretyczna.

Metody optyczne stosowane w chemii analitycznej opierają się na zjawiskach związanych z powstawaniem promieniowania elektromagnetycznego oraz na zjawiskach zachodzących wskutek wzajemnego oddziaływania promieniowania i analizowanej substancji. Obecnie w pomiarach stosuje się cały zakres promieniowania.

Wszystkie rodzaje promieniowania, które są zdolne do przenoszenia energii i rozchodzą się w próżni z prędkością światła są właśnie falami elektromagnetycznymi, różniące się wzajemnie długością fali. Zbiór wszystkich fal elektromagnetycznych, uporządkowanych według rosnącej długości fali elektromagnetycznej, nazywa się widmem promieniowania elektromagnetycznego.

Promieniowanie elektromagnetyczne można charakteryzować długością fali (λ), częstością (ν) lub liczbą falową (ϋ).

Metody optyczne obejmują bardzo liczny zbiór różnych pomiarów fizykochemicznych i przy ich podziale obejmuje się różne kryteria.

Szczególne znaczenie w analizie chemicznej mają metody adsorpcyjne. W metodach spektrofotometrii absorpcyjnej wykorzystuje się absorpcję promieniowania nadfioletowego (UV), widzialnego (VIS) i podczerwonego (IR), zachodzącą podczas przechodzenia jednego z tych rodzajów promieniowania przez badaną substancję (gazową, ciekłą, stałą, także w roztworze lub w zawiesinie).

Absorpcja - przekształcenie energii promienistej w inne formy energii wskutek oddziaływania z materią (zjawiska fizyczne).

Absorpcji promieniowania o odpowiedniej energii towarzysz zmiana energii odpowiednich stanów energetycznych cząsteczki . Ze zjawiskiem tym związane jest powstawanie odpowiednich widm elektronowych.

Prawa absorpcji:

Jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego (o określonej długości fali ) o natężeniu I₀ pada na warstwę substancji, lub jej roztworu (grubości l), znajdującą się w kuwecie, to promieniowanie zostanie częściowo pochłonięte I_a, częściowo odbite od ścianek kuwety lub rozproszone I_r, a reszta przechodzi przez próbę I_t. Otrzymujemy zatem:

I₀ = I_a + I_r + I_t

Prawo Bouguera-Lamberta

Natężenie promieniowania przechodzącego przez ośrodek absorbujący zmniejsza się w stosunku geometrycznym, gdy grubość warstwy rośnie w stosunku arytmetycznym:

I = I₀ *e^-kl

Gdzie;

I₀ - natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek absorbujący,

I - natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący

k-współczynnik absorpcji, charakterystyczny dla danej substancji,

l-grubość warstwy ośrodka absorbującego.

Powyższą zależność przedstawia się w formie logarytmicznej:

A = ln
= kl

Lub

A = log
= Kl

A - zdolność pochłaniania, zwana absorbancją

K - 0,4343 k.

Do określenia ilości zaabsorbowanego promieniowania używa się także wielkości zwanej transmitancją (T), zdefiniowana jako:

T =
,

Transmitancja podawana jest najczęściej w procentach:

%T = 100
= 100T.

Metody spektrofotometryczne (najczęściej stosowane).

1. Metoda krzywej wzorcowej.

Absorbancję uzyskuje się poprzez porównanie pomiarów wykonanych dla roztworu substancji oznaczanej i odnośnika, to jest roztworu identycznego z badanym, nie zawierającego tylko substancji oznaczanej. Stężenie substancji oznaczanej odczytuje się wprost z krzywej wzorcowej. Przy wykonywaniu krzywej absorpcji badanej substancji, w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku, ustala się położenie maksimum absorpcji i odpowiadającą mu długość fali. To maksimum absorpcji najczęściej przyjmuje się jako analityczną długość fali.

Po ustaleniu analitycznej długości fali przygotowuje się serie roztworów oznaczanej substancji w tym samym rozpuszczalniku o różnych, stopniowo wzrastających stężeniach. Absorbancję tych roztworów mierzy się przy analitycznej długości fali wobec odnośnika. Krzywa wykreślona na podstawie tych danych w układzie współrzędnych: jest zwykle w dość znacznym zakresie linią prostą.

2. Metoda spektrofotometrii różnicowej

W pomiarach fotometrycznych popełnia się błąd szczególnie wtedy, gdy mierzone roztwory są bardzo rozcieńczone (T>80%) albo bardzo stężone (T<20%).

Metodę różnicową stosuje się wtedy , gdy T<%. Zakłada się najmniej stężony wzorzec c₁ ma transmitancję T = 100%. Zerowa przepuszczalność pozostaje taka sama, jak w normalnym pomiarze dla detektora zaciemnionego promieniowania. W ten sposób znacznie rozszerza się skalę pomiaru, a zatem zwiększa się czułość pomiaru w danym zakresie. W metodzie różnicowej przez roztwory musi przechodzić intensywniejszy strumień świetlny, który uzyskuje się poprzez zwiększenie szczeliny.

3. Analiza śladowa.

4. Analiza ilościowa:

1. metoda pośrednia

2. metoda bezpośrednia

W spektrofotometrii stosuje się następujące przyrządy (przykładowe):

Spektrofotometr Spekol

Spektrofotometr VSU 2-P

Spektrofotometr specord UV-VIS

2.Cel ćwiczeń i wykonanie.

Ćwiczenie S-1

Oznaczanie Cu²⁺ w postaci kompleksu aminomiedziowego metodą fotometrii różnicowej.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest ilościowe oznaczenie Cu²⁺. Roztwór Cu²⁺, po dodaniu w nadmiarze amoniaku zabarwia się na niebiesko na skutek utworzenia kompleksu aminomiedziowego. Reakcja ta stanowi podstawę niżej opisanego kolorymetrycznego oznaczania.

Odczynniki i aparatura

1. Kwas azotowy (1+1)

2. Roztwór podstawowy Cu²⁺, zawierający 10 mg Cu²⁺ w 1 cm³: odważka miedzi jest rozpuszczona w kwasie azotowym (1+1), odparowana do około 10 cm³ i dopełniona wodą destylowaną do kreski w kolbie miarowej.

3. 25% roztwór amoniaku.

4. Pomiar jest przeprowadzany za pomocą spektrofotometru Spekol w kuwetach o grubości warstwy 1 cm.

Wykonanie ćwiczenia

1. Do 6 kolbek miarowych o pojemności 50cm³ odmierzam pipetą 1, 2, 3, 4, 5, 6 cm³ podstawowego roztworu Cu²⁺, dodaję do każdej kolby 5cm³ 25%roztworu amoniaku i dopełniam wodą do kreski. Tak przygotowane roztwory zawierają 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 mg Cu²⁺/cm³.

2. Mierzę absorbancję roztworów wzorcowych przy długości fali 610 nm. Jako odnośnik stosuję roztwór wzorcowy o stężeniu 0,2mg Cu²⁺/cm³.

3. Z otrzymanego do analizy roztworu pobieram do kolbek, o pojemności 50 cm³sześć równych prób, do każdej dodaję 5cm³ 25%amoniaku i uzupełniam wodą do kreski.

4. Mierzę absorbancję próbek roztworu badanego w warunkach podanych dla roztworów wzorcowych.

Przedstawienie wyników.

Opracowanie wyników.

Kreślę krzywą wzorcową dla Cu²⁺ : A = f(c)

Określam zawartość Cu ²⁺ w badanej próbie, korzystając z krzywej wzorcowej.

Przeprowadzam dyskusję błędów:

Średnia arytmetyczna

X_śr =

X_śr =

X_śr = 0,84

Odchylenie standardowe pojedynczego wyniku

S =

(X_i -X_śr)2

(0,83-0,84)²=0,0001

(0,844-0,84)²=0,000016

(0,837-0,84)²=0,000173

X_i -X_śr)2 =0,000173

S=0,0059

Względne odchylenie standardowe charakteryzujące wielkość rozrzutu wyników.

S_r=

S_r=
=0,007

Odchylenie standardowe średniej arytmetycznej.

S_X =

S_X = 0,0024

Przedział ufności dla α = 0,05 określający 95% prawdopodobieństwo prawdziwości danego wyniku

( przedział ufności równy 95% ) możemy określić ze wzoru:

Α = 0,05 t = 2,447

X = X_śr +/- t*S_Xśr

X = 0,84 +/- 0,0059

Wnioski:

Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia określiłam zawartość jonu Cu²⁺ w badanej próbie. W doświadczeniu mogłam popełnić błędy, które mogły wyniknąć z:

Niedokładnego odmierzenia określonych ilości roztworów

Błędnego odczytania wartości absorbancji.

Błędu przyrządu

Ćwiczenie S-3

Oznaczanie kwasu pikrynowego.

Kwas pikrynowy wykazuje różne pasma absorpcji w zakresie UV, o zmiennych intensywnościach i położeniach, zależnych od użytego rozpuszczalnika.

W cząsteczkach kwasu pikrynowego występują trzy chromofory w postaci grup nitrowych i chromofor benzenowy. Absorpcja tych ugrupowań i ich oddziaływanie z grupą hydroksylową składają się na ostateczny kształt widma UV kwasu pikrynowego.

Odczynniki i aparatura

Roztwór podstawowy kwasu pikrynowego o stężeniu 0,1 mg/cm³ ; 0,0100 g kwasu pikrynowego rozpuścić w 50 cm³ etanolu i uzupełnić w kolbie miarowej do objętości 100 cm³.

Roztwory wzorcowe. Do kolbek o objętości 50 cm³ przenoszę nastepujące ilości roztworu podstawowego: 0,1; 1; 5; 10; 12; 15; cm³i uzupełniam wodą do kreski i mieszam. Tak przygotowane roztwory zawierają 0,01; 0,1; 0,5; 1,0; 1,2; 1,5; mg kwasu pikrynowego w 50 cm³.

Pomiary wykonuje za pomocą spektrofotometru.

Wykonanie ćwiczenia

1. Mierzę adsorbancję roztworu wzorcowego zawierającego 1,0 mg kwasu w 50 cm³ w zakresie 330-380 nm (wyznaczanie maksymalnej długości fali).

2. Mierzę absorbancję roztworów wzorcowych przy maksymalnej długości fali stosując jako odnośnik wodę.

3. Analogicznie mierzę adsorbancję otrzymanej do analizy próbki.

Opracowanie wyników

Na podstawie wyników pomiarów absorbancji roztworów wzorcowych wykreślam krzywą wzorcową

A = f(c).

Na wykresie zaznaczam zakres stężeń, dla których spełnione są prawa absorpcji (odcinek charakteryzujący się prostoliniowym przebiegiem).

Wyznaczam z krzywej wzorcowej stężenie kwasu pikrynowego w analizowanej próbie.

Wnioski:

Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia określiłam stężenie kwasu pikrynowego w analizowanej próbie. W doświadczeniu mogłam popełnić błędy które mogły wyniknąć z:

Niedokładnego odczytania wartości absorbancji:

Błędu przyrządu;

Niedokładnego odmierzenia potrzebnych ilości roztworów.Ćwiczenie SN-5

Niefelometryczne oznaczanie siarczanów w wodzie wodociągowej.

W wodzie, zawierającej poniżej 10 mg SO₄^2-/ dm³, zakwaszonej kwasem solnym, jony barowe strącają SO₄^2- w postaci drobnej zawiesiny nie opadającej przez pewien czas na dno naczynia. Powstałe zmętnienie jest proporcjonalne do stężeń siarczanów.

Odczynniki i aparatura

Roztwór podstawowy SO₄^2-: odważyć 0,1814 g K₂SO₄ cz.d.a, wysuszonego w temperaturze 110^oC. Rozpuścić w wodzie i dopełnić w kolbie miarowej do objętości 1 dm³; 1 cm³ roztworu zawiera 0,1 mg SO₄^2-.

Roztwór o stężeniu 2mol/dm³.

5% roztwór BaCl₂

Pomiary wykonuje za pomocą spektrofotometru Spekol z przystawką do pomiaru zmętnienia.

Wykonanie ćwiczenia 1. Przygotowuję serię wzorców. Do pięciu kolbek o pojemności 50 cm³ odmierzam 1, 2, 3, 4, 5 cm³podstawowego roztworu siarczanu, następnie dodaję po 5 cm³HCl o stężeniu 2 mol/dm³ i po 4 cm³ 5% roztworu BaCl₂ uzupełniam wodą destylowana i dobrze mieszam. Wzorce zawierają 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 mg SO₄^2-.

Mierzę natężenie światła rozproszonego przez roztwory wzorcowe wobec wody destylowanej jako odnośnika.

Do sześciu kolbek miarowych o pojemności 50 cm³ odmierzam 40 cm³badanej wody, dodaję odczynniki zachowując kolejność przy sporządzaniu wzorców.

Mierzę natężenie światła rozproszonego przez próbkę badaną w warunkach podanych dla roztworów wzorcowych.

Opracowanie wyników

Sporządzam krzywą wzorcową I_r = f(c).

Określam zawartość siarczanów w badanej wodzie na podstawie wykresu.

Przeprowadzam dyskusję wyników.

Średnia arytmetyczna

X_śr =

X_śr =

X_śr = 0,4515

Odchylenie standardowe pojedynczego wyniku

S =

(X_i -X_śr)2

(0,357-0,4515)²=0,0089

(0,412-0,4515)²=0,0016

(0,457-0,4515)²=0,00003

(0,475-0,4515)²=0,00055

(0,475-0,4515)²=0,00055

(0,533-0,4515)²=0,0066

X_i -X_śr)2 =0,01823

S=0,06

Względne odchylenie standardowe charakteryzujące wielkość rozrzutu wyników.

S_r=

S_r=
=0,133

Odchylenie standardowe średniej arytmetycznej.

S_X =

Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia określiłam zawartość siarczanów w analizowanej próbie w analizowanej próbie. W doświadczeniu mogłam popełnić błędy które mogły wyniknąć z:

Niedokładnego odczytania wartości natężenia;

Błędu przyrządu;

Niedokładnego odmierzenia potrzebnych ilości roztworów.

---