Дослідження оптичних властивостей розчинів

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

Дослідити поглинання світла розчином залежно від довжини хвилі та концентрації розчиненої речовини.

Обладнання:

– смартфон зі встановленим застосунком Phyphox;

– паперова склянка;

– підіймальний столик;

– автоматична піпетка-дозатор;

– мірна склянка;

– лінійка;

– 1М розчин мідного купоросу;

– вода;

– ПК.

Теоретична частина

Рисунок 1 – Обладнання для досліджень

Основним законом, що описує оптичні властивості розчинів є закон Бугера–Ламберта–Бера, згідно якого інтенсивність світла, що проходить через розчин визначається за формулою:

 

,                                                         (1)

 

де І0 – інтенсивність падаючого світла;

ε – молярний коефіцієнт поглинання, (л/моль·см);

С – концентрація розчину, моль/л;

l – товщина шару розчину, або шлях, що проходить світло через розчин, см.

У логарифмічній формі рівняння (1) матиме вигляд:

 

.                                              (2)

 

Здатність розчинів пропускати монохроматичне світло характеризується коефіцієнтом пропускання:

 

                                                               (3)

 

Здатність розчинів поглинати світло характеризується оптичною густиною:

 

                                             (4)

 

З рівнянь (2) і (4) отримуємо рівняння закону Бугера–Ламберта–Бера у більш зручній для практичного застосування формі:

 

                                                       (5)

 

Таким чином, згідно до закону Бугера–Ламберта–Бера, оптична густина розчину прямо пропорційна його концентрації та товщині шару.

Залежність оптичної густини від концентрації при незмінній товщині шару має вигляд прямої, що проходить через початок координат.

Закон Бугера–Ламберта–Бера придатний для застосування, якщо виконано такі умови та обмеження:

  1. Світло повинно бути монохроматичним, а його потік – паралельним.
  2. Закон придатний тільки для достатньо розбавлених розчинів (зазвичай < 0,01М), де молекули речовини не взаємодіють між собою і не змінюють свої властивості.
  3. Температура вимірювань має бути незмінною.

Практична цінність закону Бугера–Ламберта–Бера полягає у можливості визначення малих концентрацій речовин у розчинах, які практично не можливо визначити іншими способами.

Залежно від забарвлення розчину, він буде відбивати, пропускати й поглинати світло, яке відповідає різним довжинам хвиль. Наприклад, у розчині мідного купоросу, іони міді (Cu2+) інтенсивно поглинають світло в червоній та жовтій частинах спектра, людське око бачить лише ті хвилі, які не були поглинуті, тобто синьо-блакитну частину спектра. У зв’язку з цим розчин мідного купоросу має яскраво-синій (блакитний) або насичений блакитний колір.

В цілому, якщо говорити про розчини, які мають забарвлення у видимому людським оком діапазоні, колір розчину, який ми бачимо, називається протилежним, або додатковим до кольору, який цей розчин найбільш інтенсивно поглинає.

Визначити протилежний у видимому діапазоні колір можна за допомогою колірного кола (рис. 2). Якщо колір розчину має блакитний колір (210º), то найбільш інтенсивно він поглинатиме оранжеве (30º) світло.

В даній лабораторній роботі пропонується дослідити оптичні властивості розчину мідного купоросу та визначити його оптичну густину для червоного світла за допомогою смартфону з застосунком Phyphox. У даному застосунку є стандартний експеримент Color (Hue Saturation Value), який використовує камеру смартфона як датчик світла для визначення трьох головних компонентів кольору: відтінку (Hue), насиченості (Saturation) та яскравості (Value) у відповідності до колірної моделі HSV (рис. 3):

  • Hue (Відтінок): Вимірюється в градусах від 0° до 360° на колірному колі (рис. 2) (де 0° – червоний, 120° – зелений, 240° – синій).
  • Saturation (Насиченість): Від 0 (сірий) до 1 (чистий колір).
  • Value (Яскравість): Від 0 (повна темрява) до 1 (максимальна яскравість кольору).

Рисунок 2 – Колірне коло

 

Рисунок 3 – Колірна модель HSV у циліндричній системі координат

 

Як було зазначено вище, закон Бугера-Ламберта-Бера є придатним за умови монохроматичності світла. Для того щоб це реалізувати, в даній роботі пропонується використати допрацьований експеримент для застосунку Phyphox, який повертає дані із моделі HSV у первинну форму RGB.

RGB (від англ. Red, Green, Blue) – це колірна модель, яка відтворює спектр кольорів шляхом змішування червоного, зеленого та синього світла. Це фундаментальний стандарт для всіх електронних дисплеїв, освітлення та комп’ютерної техніки.

У такому випадку ми зможемо дослідити поглинання розчином близьких до монохроматичних червоного, зеленого та синього кольорів. Оскільки колір розчину мідного купоросу знаходиться в діапазоні 190…220º на колірному колі, то найбільш інтенсивно з трьох кольорів RGB він має поглинати червоний (R) колір, менш інтенсивно – зелений (G), і менш за все – синій (B).

Схема експериментальної установки зображена на рис. 4.

Досліджуваний розчин перебуває у білій паперовій склянці, а його концентрація збільшується покроково шляхом додавання малої кількості концентрованого розчину. Смартфон встановлюється на підіймальний столик таким чином, щоб його камера була спрямована на склянку з розчином. Світло від зовнішнього джерела (кімнатне освітлення, настільна лампа, ліхтарик другого смартфона…) потрапляє на розчин зверху, проходить через розчин відстань s, відбивається від дна склянки, знову проходить таку саму відстань у протилежному напрямку та потрапляє до камери смартфона. Смартфон після кожної зміни концентрації фіксує освітленість за каналами RGB.

Рисунок 4 – Схема експериментальної установки

Хід роботи

  1. Встановіть на смартфон застосунок Phyphox.
  2. Відкрийте застосунок, у нижньому правому куті екрану натисніть кнопку «+», та у верхньому рядку меню, що з’явилося натисніть «Додати експеримент за QR-кодом»
  3. Зіскануйте QR-код (рис. 5), та збережіть експеримент до колекції.

Рисунок 5 – QR-код експерименту

 

  1. Візьміть білу паперову склянку та обріжте її так, щоб залишилося 4…4,5 см від низу.
  2. Налийте до склянки 40 мл води, виміряйте за допомогою лінійки висоту її шару (s), та занесіть це значення до таблиці результатів.
  3. Встановіть склянку з водою поряд з підіймальним столиком, а смартфон – на підіймальний столик (рис. 1, 4).
  4. На смартфоні відкрийте застосунок Phyphox, у ньому збережений експеримент Color (HSV + RGB + raw), а у збереженому експерименті – вкладнику Raw Data (Sensor).
  5. Встановіть смартфон таким чином, щоб віконце перегляду охоплювало якомога більшу ділянку поверхні рідини, але не охоплювало стінок склянки. За необхідності відрегулюйте розміри віконця (рис. 6). Після цих налаштувань треба забезпечити постійність положення смартфону відносно склянки й постійність умов освітлення!

Рисунок 6 – Налаштування віконця перегляду

 

  1. Запустіть вимірювання на декілька (5…7) с, після цього поставте експеримент на паузу. Дане вимірювання відповідатиме концентрації 0 моль/л.
  2. За допомогою автоматичної піпетки наберіть 1 мл 1М розчину мідного купоросу, налийте його до склянки, та дуже акуратно перемішайте, так щоб не змінювалося положення склянки та смартфону.
  3. Запустіть вимірювання на декілька (5…7) с, після цього поставте експеримент на паузу.
  4. Повторіть кроки 9 та 10 ще 3…4 рази, забезпечуючи постійність положення смартфону відносно склянки й постійність умов освітлення.
  5. Збережіть експеримент з даними до колекції
  6. За допомогою інструментів Phyphox (масштабування та вибір даних) зчитайте та занесіть до таблиці результатів сирі значення інтенсивності світла червоного кольору, яке в даному випадку поглинається найінтенсивніше.

Рисунок 7 – Приклад записаних даних

 

Рисунок 8 – Зчитування даних

 

Аналіз даних

  1. Розрахуйте концентрації розчину мідного купоросу після кожного додавання до склянки 1 мл 1М розчину за формулою:

 

                                                              (6)

 

де n – номер вимірювання;

V0 – початковий об’єм води у склянці.

  1. Обчисліть шлях, що проходить світло через розчин, l ≈ 2s. Оскільки під час додавання 1М розчину мідного купоросу по 1 мл висота шару розчину змінюється не дуже значно, приймаємо товщину шару незмінною.
  2. За формулою (4) обчисліть оптичну густину розчинів.
  3. Обчисліть молярний коефіцієнт поглинання розчинів за формулою:

 

ε = D/Cl.                                                               (7)

 

  1. Побудуйте графік залежності оптичної густини розчинів залежно від концентрації. Графік має бути близьким до прямої лінії, що проходить через початок координат.
  2. Дійдіть висновків щодо поглинання світла різних кольорів розчином мідного купоросу.

 

Таблиця результатів

С, моль/л s, см l, см I D ε, л/моль·см
0     I0 = ________