Ćwiczenie 416 Wyznaczanie stężenia roztworów

Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
Ćwiczenie 416
Wyznaczanie stężenia roztworów na podstawie prawa Lamberta-Beera
i badanie filtrów optycznych
Przed zapoznaniem się z instrukcją i przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z następującym materiałem
teoretycznym:
1. Transmisja i absorpcja światła w płynach i roztworach; prawo Lamberta-Beera, współczynnik ekstynkcji
(gęstości optycznej) [1, 2 lub 3]
2. Spektroskopia absorpcyjna; spektrofotometry i spektrofotokolorymetry, ich budowa i zasada działania
(rozszczepienie światła w pryzmacie) [3 lub 4]
3. Budowa, zasada działania i charakterystyka podstawowych typów filtrów optycznych [4]
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami spektometrii oraz ze zjawiskiem pochłaniania światła w
płynach i jego przechodzeniem przez filtry optyczne różnych typów.
Opis zjawiska
Pochłanianie światła w rozcieńczonych roztworach substancji barwnych opisuje prawo Lamberta-Beera,
które wiąże osłabienie przechodzącego strumienia z drogą optyczną wiązki, stężeniem i rodzajem substancji
barwnej:
Φ (x )= Φ (0 )exp(− αx )
(1)
gdzie: Φ (0 ) - strumień światła padającego, Φ (x ) - strumień światła po przejściu drogi x w ośrodku pochłaniającym,
α = βc - współczynnik pochłaniania, β - współczynnik pochłaniania przy jednostkowym stężeniu i na jednostkę
drogi optycznej charakterystyczny dla danej substancji, c - stężenie substancji w badanym roztworze.
W przypadku równoległej (skolimowanej) wiązki światła strumień Φ w równaniu (1) może być zastąpiony
natężeniem światła I :
I (x )= I (0)exp(−βcx )
(2)
W praktyce laboratoryjnej najczęściej operuje się pojęciem transmisji. Jest to wielkość niemianowana, zdefiniowana
jako stosunek strumienia (lub natężenia promieniowania) przechodzącego przez ośrodek do padającego na próbkę:
Φ( x)
I ( x)
T=
lub T =
(3)
Φ (0)
I (0 )
Ujemny logarytm z transmisji
E = − lnT = βcx
(4)
nazywa się współczynnikiem ekstynkcji (gęstości optycznej). Wielkość ta, jako liniowo związana ze stężeniem, jest
często wyznaczana i wykorzystywana w obliczeniach chemicznych.
Większość przyrządów do wyznaczania transmisji (lub absorpcji) światła oparta jest na metodzie różnicowej,
najczęściej dwuwiązkowej. Polega ona na porównaniu natężeń światła wiązki pomiarowej tj. przechodzącej przez
badaną substancję, i wiązki odniesienia, która przez tę substancję nie przechodzi. W jej biegu umieszcza się
natomiast przedmioty korygujące wpływ czynników zewnętrznych na pomiar (np. pustą kuwetę, identyczną z tą, w
jakiej umieszczono badaną ciecz).
Filtry optyczne można podzielić na dwie podstawowe grupy różniące się zasadą działania:
a) filtry absorpcyjne,
b) filtry interferencyjne.
Filtry absorpcyjne są to na ogół „roztwory” pewnych związków chemicznych w cieczach, szkłach,
kryształach, tworzywach sztucznych a nawet w gazach, które to związki absorbują promieniowanie o określonej
długości fal lub o długościach obejmujących określony przedział.
Filtry interferencyjne są to układy kilku lub kilkunastu cienkich warstw dielektrycznych naniesionych na
płytkę szklaną. W warstwach tych dzięki interferencji wiązek świetlnych dochodzi do wzmocnienia promieniowania
o pewnej długości fali i do wygaszenia fal o innych długościach. W efekcie uzyskuje się filtr, który np. w obszarze
widzialnym przepuszcza fale z bardzo wąskiego przedziału widmowego o szerokości rzędu 10 nm. We
współczesnych filtrach interferencyjnych układy cienkich warstw są otrzymywane drogą kolejnego nanoszenia
substancji o dużym współczynniku załamania światła (np. z TiO2) i mniejszym współczynniku załamania (np. z
MgF2 lub SiO2).
Ze względu na sposób w jaki filtry ograniczają widmo źródła światła, można wyróżnić filtry strefowe,
obcinające krótkofalowy lub długofalowy obszar promieniowania oraz filtry wąskopasmowe (selektywne),
wydzielające jeden lub kilka wąskich obszarów promieniowania, w których transmisja jest relatywnie duża.
1
Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
Opis układu pomiarowego
Pomiarów absorpcji światła w ośrodku dokonujemy za pomocą spektofotokolorymetru wyposażonego
w rejestrator, zwanego w skrócie „SPECORD-em” . Jest to dwuwiązkowy przyrząd do spektroskopii absorpcyjnej
i fotokolorymetrii. Schemat blokowy, ilustrujący w uproszczeniu zasadę działania aparatu przedstawia rys. 1.
+
3
8
1
3
10
3
2
4
5
3
7
11
-
9
3
3
6
y
12
x
Rys. 1. Uproszczony schemat przyrządu „SPECORD”: 1 - zestaw lamp, 2 - układ kolimujący wiązkę,
3 - zwierciadła prowadzące, 4 - monochromator, 5 - zestaw przesłon korekcyjnych, 6 - „chopper’’,
7 - obrotowe zwierciadło w kształcie półkola, 8 - kuweta porównawcza, 9 - kuweta pomiarowa,
10 - fotokomórka, 11 - wzmacniacz, 12 - rejestrator „x - y”
Wiązka promieni świetlnych emitowana przez jedną z lamp (1) jest kierowana poprzez kolimator (2) do
monochromatora (4). Jest on wyposażony w obrotowe zwierciadło kierujące wiązkę na pryzmat i dalej na sprzężony
z nim zestaw szczelin korygujących (5). Dzięki takiemu rozwiązaniu otrzymuje się ściśle określoną długość fali,
skorelowaną z kątem obrotu zwierciadła. Szczeliny korekcyjne pozwalają na uzyskanie stałego natężenia wiązki,
niezależnego od długości fali. Następnie wiązka pada na wirujące z dużą stałą prędkością zwierciadło płaskie (6)
(„chopper”) modulujące wiązkę światła z częstotliwością 400 Hz, a następnie na zwierciadło (7), które ma kształt
półkola. Przez jedną połowę okresu obrotu tego zwierciadła wiązka przechodzi przez kuwetę pomiarową (9), przez
drugą połowę okresu wiązka jest kierowana do kuwety odniesienia (8). Po przejściu przez kuwety układ optyczny
kieruje obie wiązki na katodę fotokomórki (10). Sygnał z fotokomórki po wzmocnieniu i obróbce przez układ
elektroniczny jest proporcjonalny do stosunku natężeń wiązki pomiarowej i odniesienia. Sygnał ten jest
wykorzystany do sterowania położeniem pisaka rejestratora „x - y” wzdłuż współrzędnej y. Współrzędna x pióra
rejestratora jest związana z kątem obrotu zwierciadła i wyskalowana w długościach fali. SPECORD umożliwia
więc automatyczne otrzymanie wykres zależności
T = f (λ) .
(5)
Część 1. Wyznaczanie krzywych transmisji roztworów substancji barwnych
Przebieg pomiaru
1. Zapoznać się z płytą sterowania przyrządem. Poprosić prowadzącego zajęcia dyżurnego specjalistę o
uruchomienie aparatu. Uwaga! Nie wolno samodzielnie uruchamiać przyrządu lub manipulować przy
lampach.
2. Przeprowadzić sprawdzenie poziomu transmisji 100%, tzn. sprawdzić, czy przy wolnych torach obydwu wiązek
rejestrator kreśli linię równoległą do wartości 100%. W przypadku różnicy przekraczającej 3 - 4 działki
skorygować przebieg tej linii potencjometrem „100%”. W przypadku znacznych odchyleń linii „100%” od
przebiegu liniowego w przedziale 400-800 nm (powyżej 3 - 4 działek ), należy poprosić dyżurnego specjalistę o
przeprowadzenie korekcji.
3. Ustalić z prowadzącym szczegóły wykonania pomiarów: rodzaj badanej cieczy, wartości stężeń oraz zakres
pomiarowy.
2
Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
4. Założyć papier na stolik pisaka. Zwrócić uwagę na zgranie kresek na listwie stolika i na papierze oraz
na zgodność wskazań okienka kalibracyjnego i położenia x pisaka.
5. Otworzyć komorę, wyjąć kuwetę pomiarową i napełnić ją cieczą.
6. Zamknąć komorę. Opuścić pióro. Uruchomić napęd główny.
7. Obserwować pracę aparatu; w przypadku zauważenia nieprawidłowości zatrzymać przyrząd i wezwać
dyżurnego specjalistę.
8. Po zakończeniu pomiaru cofnąć stolik do położenia początkowego. Opisać krzywą bezpośrednio na papierze
(rodzaj substancji, stężenie)
9. Powtórzyć pomiary dla innych stężeń. Zaleca się nanoszenie wykresów na ten sam papier firmowy.
Część 2. Wyznaczenie krzywych absorpcji filtrów optycznych
Przebieg pomiaru
1. Umieścić filtr w uchwycie przy prawym oknie j komory pomiarowej.
2. Założyć papier na stolik pisaka. Zwrócić uwagę na zgranie kresek na listwie stolika i na papierze oraz
na zgodność wskazań okienka kalibracyjnego i położenia x pisaka.
3. Wykonać pomiar T = f (λ).
4. Powtórzyć pomiary dla innych filtrów stałych i cieczowych. Wykresy należy wykonać na wspólnym dla
wszystkich filtrów papierze firmowym.
5. Pod nadzorem dyżurnego specjalisty wyłączyć przyrząd.
Opracowanie sprawozdania
1. Na podstawie otrzymanych wykresów obliczyć transmisje badanych roztworów dla każdego stężenia dla kilku
długości fal, posługując się z krzywą kalibracji sporządzoną w p. 2 cz. 1.
2. Sprawdzić, czy w badanym zakresie stężeń i długości fal spełnione jest prawo Lamberta-Beera. W tym celu dla
każdej z wybranych długości fali sporządzić wykres lnT = f(c) i stwierdzić, czy zachodzi proporcjonalność
lnT ~ c.
3. Jeśli wyniki doświadczenia pozwalają uznać prawo Lamberta-Beera za słuszne, z nachylenai prostej lnT(c)
obliczyć współczynnik pochłaniania β przyjmując długość drogi światła w kuwecie x = 4,5 cm.
4. Na podstawie wykresów transmisji filtrów stałych i cieczowych wyznaczyć przedziały długości fal, dla których
transmisja filtrów przekracza 50%.
Literatura:
1.
2.
3.
4.
Encyklopedia fizyki, t. I, str. 18, 461, PWN, Warszawa, 1972.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 4, PWN, Warszawa, 1980.
B. Jaworski, A. Dietłaf, „Kurs fizyki”, t. III, PWN, Warszawa, 1984.
J. R. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki, PWN, Warszawa, 1979.
3
Pracownia Fizyki Współczesnej Instytutu Fizyki PŁ
Opis funkcji przełącznika znajdującego się na pulpicie sterującym przyrządu
Włącznik sieciowy
Włącznik lampy na zakres promieniowania widzialnego
Pozycja spoczynkowa, zatrzymanie stolika
Przycisk start – opuszczenie pisaka
Przycisk stop – podniesienie pisaka
Rejestracja; stolik porusza się w lewo z wybraną prędkością, po osiągnięciu końcowego położenia
stolik zatrzymuje się. Pisak może być podnoszony i opuszczamy przy pomocy przycisków
i
. Przyciski te działają gdy pisak znajduje się w obszarze
oznaczonych symbolami
pomiarowym. Rozpoczęcie pomiaru następuje po ustawieniu przełącznika w pozycji
.
Szybki powrót stolika w prawo; kończy się on automatycznie gdy stolik osiągnie prawe skrajne
położenie.
Rejestracja; stolik porusza się w lewo z wybraną prędkością. Rozpoczęcie rejestracji następuje po
. Pisak może być podnoszony i opuszczany przyciskami
i
z
wciśnięciu przycisku
jednoczesnym zatrzymaniem lub uruchomieniem stolika . Po zakończeniu pomiaru pisak podnosi się,
a stolik pozostaje w skrajnym lewym położeniu.
Rejestracja; jak wyżej, ale po zakończeniu pomiaru stolik automatycznie powraca w położenie
początkowe. Rozpoczęcie rejestracji następuje po wciśnięciu przycisku
Korekcja linii 100%.
.
Pozycje kół napędowych (tylko dla obsługi technicznej)
Koło zębate
82
58
58
82
Pozycja
F
D
B
C
Czas rejestracji ok. 4,4 min.
Koło zębate
82
58
58
82
4
Pozycja
F
D
C
A
Czas rejestracji ok.11 min.