Дослідження явища поглинання та пропускання світла розчинами

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Практичне застосування фотометричного методу визначення концентрації речовин (іонів) у розчинах ґрунтується на головному законі світлопоглинання Бугера–Ламберта–Бера. Під час проходження монохроматичного світла з інтенсивністю I₀ крізь шар однорідного розчину з товщиною l і концентрацією поглинаючих світло часток С, частина світла поглинається (І _погл), розсіюється (І _розс) та відбивається від стінок посуду (І _відб), тому інтенсивність світла, що пройшло, I,  менша, ніж I₀ , тобто

.

Величини І _розс і І _відб достатньо малі (порівняно з І _погл), тому їхніми значеннями можна знехтувати. Тоді:

.

Зменшення інтенсивності світла, що проходить крізь розчин, підкоряється закону Бугера–Ламберта–Бера:

, (1)

де I₀ – інтенсивність падаючого світла; I – інтенсивність світла, що пройшло крізь шар розчину; ε – молярний коефіцієнт поглинання або молярний коефіцієнт екстинції, що характеризує власні властивості речовини поглинати світло певної довжини хвилі (л/ моль·см), залежить від природи речовини, довжини хвилі, температури й не залежить від концентрації; С – молярна концентрація поглинаючої речовини, (моль/л); l – товщина поглинаючого шару (товщина кювети), (см).

У логарифмічній формі рівняння (1) має вигляд:

.  (2)

Здатність розчинів пропускати монохроматичне світло характеризується коефіцієнтом пропускання або просто пропусканням τ  і розраховується як:

 у долях, або відсотках . (3)

Здатність розчинів поглинати світло характеризується оптичною густиною D і розраховується як:

. (4)

Беручи до уваги рівняння (2) і (4), отримуємо рівняння закону Бугера–Ламберта–Бера у формі, придатній для практичного застосування:

. (5)

Закон Бугера–Ламберта–Бера: оптична густина розчину з певною товщиною поглинаючого шару прямо пропорційна концентрації розчину.

Графічно залежність D від С 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 розбавлених розчинів (< 0,01М).
3. Температура вимірювань має бути незмінною.
4. За певної довжини хвилі повинні поглинати тільки частки одного виду, тобто при зміні концентрації в розчині не повинні проходити побічні реакції (гідроліз, дисоціація, асоціація тощо), які призводять до паралельного утворення продуктів, що поглинають світло.

Основною функцією спектрального приладу є просторове розділення оптичного випромінювання на монохроматичні складові та спрямування його на досліджуваний об’єкт. Таке завдання реалізується за допомогою основних елементів спектрального приладу – прозорої для випромінювання призми або дифракційної ґратки.

У лабораторній роботі для дослідження спектрального розподілу оптичної густини розчинів використовується фотоелектричний спектрофотометр, оптична схема якого наведена на рисунку нижче.

У спектрофотометрі можна умовно виділити дві основні частини: оптичну й фотоелектричну. Головним елементом оптичної схеми спектрофотометра є дифракційна ґратка 4, яка працює на відбивання. Така дифракційна ґратка є дзеркальною поверхнею, яка розбита на велику кількість смужок (елементів) подібно до того, як це зроблено в дифракційній гратці, що працює на пропускання. Світло, що випромінюється лампочкою розжарення 1, після проходження конденсора 2 та діафрагми Д₁ утворює вузький паралельний пучок світла, який потрапляє на дифракційну ґратку. За рахунок виникнення оптичної різниці ходу променів, що відбиваються від кожного з елементів ґратки, на «екрані» (дзеркало 5) утворюється дифракційний спектр, який спрямовується на вихідну діафрагму Д₂ так, що в її щілину проходить лише невелика частина загального спектру. Цим досягається утворення пучка світла, що характеризується вузьким інтервалом довжин хвиль (Δλ=7нм), який надалі спрямовується на досліджуваний розчин.

Обертаючи дифракційну ґратку 4 навколо осі, паралельної її штрихам, спрямовують пучки світла на вихідну щілину з інтервалу довжин хвиль 315–990 нм.

Принцип дії фотометра ґрунтується на порівнянні світлових потоків, а саме світлового потоку Ф₀, який проходить крізь кювету з дистильованою водою, і світлового потоку Ф, що пройшов крізь кювету з досліджуваним розчином. Світлові потоки Ф₀ і Ф потрапляють на фотодіод, який перетворює їх на струми І₀ та І, і разом з «темновим» струмом І_т фотодіода (коли фотодіод неосвітлений) обробляються мікропроцесорною системою фотометра. Чисельний результат обробки для коефіцієнта пропускання (прозорості) – τ або оптичної густини D висвітлюється на цифровому табло приладу.

Загальний вигляд спектрофотометра зображено на світлині.

Коефіцієнт пропускання (прозорості) показує, яка частина світлового потоку, що падає на досліджуваний об’єкт, проходить крізь нього, не поглинаючись:

. (6)

Оптична густина D речовини характеризує ступінь поглинання нею монохроматичного випромінювання і описується співвідношенням (4).

Хід роботи

1. У математичних таблицях Excel створіть таблиці для занесення результатів.
2. Налийте в одну кювету розчинник (дистильовану воду), а в іншу – досліджуваний розчин.
3. Розмістіть заповнені кювети в кюветний відсік фотометра: розчинник у віддалене положення, а досліджуваний розчин – у ближнє положення. Закрийте кришку відсіку.
4. Переведіть важіль переміщення кювет у положення кювети з розчинником.
5. Увімкніть спектрофотометр.
6. Рукояттю встановіть довжину хвилі λ= 600 нм.
7. При закритій кришці фотометра натисніть кнопку «Blank».
8. При цьому на табло висвітиться число 100% з можливим невеликим (±2) відхиленням. Це означає, що розчинник має 100% прозорість.
9. Переведіть важіль у положення кювети з досліджуваним розчином. На табло одночасно висвітиться нове значення коефіцієнта пропускання τ, який характеризує прозорість досліджуваного розчину. Занесіть значення до таблиці 1.
10. Проведіть два повторні вимірювання на цій самій довжині хвилі і переконайтеся в надійності відтворення чисельних значень. Дані вимірювань запишіть до таблиці 1.
11. Рукояттю встановіть довжину хвилі λ=1000 нм.
12. Переведіть важіль переміщення кювет у положення кювети з розчинником.
13. При закритій кришці фотометра натисніть кнопку «Blank».
14. Переведіть важіль у положення кювети з досліджуваним розчином. На табло одночасно висвітиться нове значення коефіцієнта пропускання τ, який характеризує прозорість досліджуваного розчину. Занесіть значення до таблиці 2.
15. Поверніться до кювети з розчинником. Установіть довжину хвилі на 20 нм меншу і натисніть кнопку «Blank».
16. Поверніться до досліджуваного розчину. Занесіть до таблиці 2 отримане значення коефіцієнта пропускання τ.
17. Повторюйте ці кроки до досягнення довжини хвилі λ=300 нм.
18. Вимкніть спектрофотометр.
19. Помістіть у кюветний відсік кювети з досліджуваним розчином у порядку зростання концентрації С. Калібрувальні розчини потрібно приготувати заздалегідь. Значення концентрацій занесіть до таблиці 3.
20. Проведіть вимірювання коефіцієнтів пропускання розчинів τ за попередньою методикою. Результати занесіть до таблиці 3.

Аналіз даних

1. У таблиці 1 розрахуйте середнє значення коефіцієнта пропускання τ_сер.
2. За виразом (4) обчисліть оптичну густину досліджуваного розчину.
3. У таблиці 2 за допомогою інструментів Excel розрахуйте оптичну густину розчину для кожної довжини хвилі.
4. Інструментами електронних таблиць побудуйте графік 
5. У таблиці 3 розрахуйте оптичну густину D для кожного розчину.
6. Інструментами електронних таблиць побудуйте графік
7. За цим графіком розрахуйте концентрацію досліджуваного розчину, оптичну густину якого виміряли на початку роботи. Результат занесіть до таблиці 3.

Таблиці результатів

Таблиця 1.

Таблиця 2.

Таблиця 3.