Фотометрический метод (перманганат и бихромат)

При этом возможны три общих варианта анализа:

1. Кривые поглощения отдельныхкомпонентов частично накладываются друг на друга, но имеют раздельныемаксимумы светопоглощения. На рис.

8представлены кривые поглощения 1 и 2 для растворов двух чистых веществ с концентрациями.

С1 и С2. Максимумыпоглощения соответствуют длинам волн λ1и λ2. Рис.

8. Аддитивностьсветопоглощения раствора двух и более определяемых фотометрически активных веществ.

Если теперь в тех же условияхприготовить раствор смеси этих веществ, то он даст кривую светопоглощения 3. При каждой данной длине волны А, любая точка кривой 3 определяется суммой оптических плотностейпервого ивторого вещества. Суммарная оптическаяплотность является суммой оптических плотностей первого веществаивторого веществапри этих же двух длинах волнсоответственно:= + (3.2)В этом случае практическая задача колориметрического определения смеси двух веществ решается следующим образом. Приготовляют растворы чистого вещества (1) и чистого вещества (2) с известной концентрацией. Затем измеряют их оптические плотности,, и, при двух длинах волн λ1 и λ2, после чего из уравнения закона Ламберта — Бера вычисляют молярные коэффициенты поглощения, и,. При анализе смеси этих двух веществ измеряют суммарные оптические плотности и при λ1 и λ2 и находят:(3.3)(3.4)где Ctи С2 — концентрации компонентов, а b — толщина слоя. Решая эту систему уравнений по отношению к неизвестным концентрациям C1 и С2, рассчитывают их значение:(3.5)(3.6)Максимальная точность достигается в том случае, когда и, имеют возможно более низкие значения, в то время как, и — высокие. Вторая методика расчета применяется тогда, когда в спектре поглощения раствора имеется участок, в котором поглощает лишь одно из веществ (рис. 9). Рис.

9. Кривые светопоглощения при наличии участка поглощения только одним анализируемым веществом.

В этом случае при длине волны λ1 по измеренной оптической плотности D1 обычным способомнаходят концентрацию первого вещества:(3.7)Концентрациювторого вещества находят, подставляя в уравнение (3.5) найденное значение C1:(3.8)Методика расчетов по третьему варианту используется, если в спектре поглощения раствора имеются участки, в одном из которых поглощает только первое вещество, а в другом — только второе (рис. 10). Рис.

10. Иллюстрация к третьей методике.

В таких наиболее благоприятных для анализа случаях определения производятся независимо для каждого компонента по уравнениям:(при длине волны λ1) (3.9)и (при длине волны λ2) (3.10)Для колориметрического определения смеси веществ описанным выше способом требуется применение спектрофотометра, хотя в отдельных случаях можно пользоваться фотометрами (визуальными или фотоэлектрическими), снабженными светофильтрами с узкими полосами пропускания. В практическом отношении наибольший интерес представляет второй случай анализа двухкомпонентных систем, т. е. тот случай, когда удается найти такой участок спектра, в котором поглощением одного из компонентов можно пренебречь. В таких случаях наиболее удобным для аналитических лабораторий является метод калибровочных кривых. Так, в случае определения концентраций при совместном присутствии в кислом растворе перманганата калия и бихромата калия, кривые светопоглощения раствора каждого из этих веществ, полученные с помощью спектрофотометра СФ-5, имеют вид (рис.

11). Рис.

11. Светопоглощение растворами KMnO4и K2Cr2O7Максимум светопоглощения раствора KMnO4 соответствует λ =525 нм, а раствора K2Cr2O7λ = 380 нм. Однако при длине волны λ1 = 570 нм раствор бихромата калия не поглощает. Поэтому, хотя при этом и происходит некоторая потеря чувствительности, определение КМnО4 в присутствии K2Cr2O7 лучше вести при этой длине волны. Определение бихромата калия лучше производить при λ2=380 нм, так как при других длинах волн поглощение K2Cr2O7 очень мало и сильнее сказывается поглощение перманганатом калия. При λ2 = 380 нм для правильного определения K2Cr2O7 необходимо вводить поправку на поглощение перманганатом калия, так как оно значительно и им пренебречь нельзя. В этом случае поступают следующим образом: по серии стандартных растворов перманганата калия строят при А1 = 570 нм градуировочный график 1 (рис. 12) [1, c.71]. Рис.

12. Построение градуировочных графиков1—определение KMnO4 при Х=570 нм, 2—градуировочный график для тех же концентраций KMnO4, при Х=380 нм; 3—градуировочный график для определения K2Cr2O7 при Х=380 нм.

Для этих же растворов при λ2 =380 нм настроят другой градуировочный график 2. По серии стандартных растворов бихромата калия при X 2=380 нм получают график 3. При анализе смеси KMnO4и K2Cr2O7 измеряют оптическую плотность при 570 нм — Dλ1, и по графику 1 находят содержание KMnO4. Затем измеряют оптическую плотность Dλ2, являющуюся суммой оптических плотностей бихромата и перманганата калия. По графику 2, зная теперь содержание КМnО4 в испытуемом растворе, находят оптическую плотность D'λ2, обусловленную KMnO4 при λ2 = 380 нм. Затем по разности Dλ2—D'λ2= D''λ2 находят оптическую плотность, соответствующую раствору бихромата калия. Зная величину D''λ2, по графику 3 определяют содержание бихромата калия в анализируемом растворе. Метод градуировочных графиков дает хорошие результаты не только при использовании спектрофотометров, но и колориметров, снабженных узкополосными светофильтрами: ФМ, ФЭК-Н и др.

3.3 Ход проведения эксперимента.

При количественном определении марганца (II) и хрома (III) данные ионы окисляют до высших степеней окисления (соответственно, до Mn (VII) и Cr (VI)).надсерной кислотой Н2S2О8 в присутствии катализатора (серебра). В результате образуется раствор, в котором перманганат-ионыокрашены в розово-фиолетовый цвет, свойственный марганцовокислому калию, а бихромат-ионы — в желто-оранжевый цвет, свойственный бихромату калия. Полученные растворы анализируют фотометрически. Уравнения протекающих реакций имеют вид[2, 3]: (3.2)Приведем методику фотоколориметрического исследования раствора, содержащего КМnО4и K2Cr2O7. Определение концентраций исследуемых веществ в растворе проще всего проводить методом построения калибровочного графика.Рис. 9. Процесс приготовления растворов для фотометрического анализа.

Для построения калибровочного графика в мерные колбы вместимостью 50 мл помещают с помощью микробюретки 1,0; 2,5; 5,0; 7,5 и 10 мл подготовленного стандартного раствора перманганата калия. Затем добавляют в каждую колбу по 5 мл раствора серной кислоты. Содержимое колб доводят до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Измеряют оптическую плотность полученной серии в кювете толщиной 1 см при длинах волн 570 и 380 нм. Полученные данные помещают в таблицу 4. По полученным данным строят калибровочный график (рис.

8, кривые 2,3): найденные величины оптической плотности откладывают по оси ординат, а соответствующие им концентрации (мг/50 мл) — по оси абсцисс. Затем в колбы той же вместимости помещают такие же количества стандартного раствора дихромата калия. Добавляют в каждую колбу по 5 мл раствора серной кислоты, доводят объем до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Измеряют оптическую плотность в тех же кюветах при длине волны 380 нм. Полученные данные помещают в таблицу 4. По полученным данным строят калибровочныйграфик для дихромата калия (см. рис.

12, кривая3).Аликвотную порцию анализируемого раствора (5 мл) помещают в мерную колбу вместимостью 50 мл, добавляют 5 мл серной кислоты. Содержимое колбы доводят до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Оптическую плотность полученного раствора измеряют при 380 и 570 нм в кювете толщиной 1 см. В качестве нулевого раствора используют дистиллированную воду. Содержание марганца в растворе определяют по кривой 1(см. рис.

12). По найденной концентрации марганца при помощи кривой 2(см. рис. 12) определяют его оптическую плотность при длине волны 380 нм — А380 (Мn). Затем находят разность оптической плотности смеси и перманганат-иона при 380 нм по формулеA380(Cr) = А380(X) — А380 (Мn)(3.3)где Acr (380) — оптическая плотность смеси, найденная при длине волны 380 нм. По найденной величине при помощикривой 3вычисляют содержание хрома в исследуемом растворе.

Заключение

.

В даннойкурсовой работеописаны физические явления, лежащие в основе фотоколориметрического метода определения концентраций растворов. Так, любое химическое соединение или атом/ион способно поглощать электромагнитное излучение определенной длины волны в определенной области спектра. Растворы окрашенных веществ поглощают в одном из участков видимой области спектра. Зависимость оптической плотности раствора от концентрации растворенного вещества — закон Бугера-Ламберта-Бера являющийся основным законом светопоглощения. Спектрофотометрические методы используются в экологии, аналитической, фармацевтической, токсикологической химии и на различных производствах для количественного определения веществ. Главным образом, его используют для измерения концентраций растворов. Методы количественного определения основаны на измерении поглощения монохроматического света, прошедшего через раствор. Длину волны света подбирают соответственно максимуму поглощения исследуемого вещества. Во второй части работы рассмотрена схема конструкции, фотоколориметров, принципих работы и характеристики современного фотоколориметра КФК-5м и основные области применения данного прибора. В третьей части работы нами были рассмотрена методика фотометрического определения концентраций ионов марганца и хрома в водных растворах при их совместном присутствии. Предельно допустимые концентрации содержания марганца и хрома в питьевой воде соответственно составляют 0,1 и 0,5 мг/дм3, поэтому анализ сточных вод предприятий на наличие ионов Mn2+, MnO4-, Cr3+, CrO42- и Cr2O72-является важной задачей. В заключение отметим, что простота и относительно низкая стоимость оборудования для проведения измерений, высокая скорость, селективность и точность метода делают фотоколориметрию одним из важнейших физико-химических методов определения концентрации растворенных веществ.

Список литературы

Барковский В.Ф., Горелик С. М., Городенцева Т. Б. Физико-химические методы анализа. Учебник для техникумов. — М.: Высшая школа, 1972. — 344 с. Булатов М. И., Калинкин И. П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. Изд. 2-е, перераб.

и доп. Л. Химия. 1968. — 384 с. Лаврухин Д. В. Колориметрия. — М.: Российский государственный университет туризма и сервиса, 2008.

— 122 с. Степанова, Н. В. Фотоколориметрия: методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа». — Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. — 21 с. Фотоколориметр КФК-5М [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.komponent-nov.ru/equipment/spectrum/detail.php?ID=1251.

Фотоколориметрия[Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://farmchem.ru/vvedenie-v-farmatsevticheskuyu-himiyu/metodyi-issledovaniya-lekarstvennyih-veschestva/fotokolorime.htmlПриложение АХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОКОЛОРИМЕТРА КФК-5МТаблица 2. Диапазон длин волн, нм400, 440, 490, 540, 590, 670, 750, 870, 980Отдельные спектральные интервалы выделяются с помощью светофильтров, длина волны, нм0.

5Ширина выделяемого спектрального интервала, нм20−50Диапазон измерения

— коэффициента пропускания, %

— оптической плотности, Б

— концентрации, ед.конц.

1−100 2−0 0.001−9999.

Погрешность измерения коэффициента пропускания, %1Источник питания.

Сеть 220 В борт автомобиля внутренний источник питания.

Потребляемая мощность, ВА, не более5Габаритные размеры, мм, не более190×170×83Масса, кг1,2Режимы работы1) По фактору2) по стандару.

ДисплейЦифробуквенный жидкокристаллический индикатор

КюветыПрямоугольные 10×10 мм, Пробирки диаметр 10 мм, Воронкообразная проточная диаметр 10 мм.