otrzymamy I PRACOWNIA FIZYCZNA

Transkrypt

1 WYZNACZANE STĘŻENA ROZTWORÓW BARWNYCH PRZY POMOCY KOLORYMETRU FOTOELEKTRYCZNEGO. Cel ćwiczenia: sprawdzenie prawa Beera dla rztwru siarczanu miedziweg CuSO 4, wyznaczenie nieznaneg stężenia rztwru, zapznanie z pdstawwymi pjęciami klrymetrii.. Przyrządy: klrymetr ftelektryczny KF5, kuwety pmiarwe, zestaw filtrów, zlewki, menzurka.. Literatura:. J. Garaj i inni Fizyczne i fizykchemiczne metdy analizy str H Hfmkl, A. Zawadzki Labratrium fizyczne. 3. nstrukcja bsługi klrymetru ftelektryczneg typu KF5. V. WPROWAZENE Stężenie rztwru c wyraża liczbw masę substancji rzpuszcznej przypadającej na jednstkę bjętści rztwru, c wyrażamy wzrem m c =, ( ) V w którym m jest masą substancji rzpuszcznej zawartej w rztwrze bjętści V. Obliczne w ten spsób stężenie rztwru nie jest stałe, pnieważ ze zmianą temperatury rztwru zmienia się jeg bjętść. Aby teg uniknąć, mżna wyrazić stężenie rztwru przez stsunek masy substancji rzpuszcznej m d masy rztwru M : m p =. ( 2 ) M Wartść p mżna pdawać również w prcentach. Wiązka światła przechdząc przez rztwór zstaje słabina na skutek absrpcji i rzpraszania. Przez absrpcję rzumiemy stratę, jakiej dznaje wiązka światła przy przejściu przez ciał przezrczyste, w którym nie występuje rzprszenie. Jeżeli rzprszenie nie występuje, t słabienie równległej wiązki światła natężeniu przechdzącej przez warstwę rztwru grubści d wyniesie d = µ d, ( 3 ) gdzie µ jest współczynnikiem absrpcji (pchłaniania) zależnym d długści fali λ. P przejściu światła przez warstwę pchłaniającą skńcznej grubści, natężenie zmienia się d wartści pczątkwej d wartści kńcwej. Całkując wyrażenie (3) w tych granicach (p uprzednim rzdzieleniu zmiennych) trzymamy = µ d 0 d PRACOWNA FZYCZNA

2 ln ln = µ e µ =. ( 4 ) Jest t praw Lamberta, z któreg wynika, że natężenie równległej wiązki światła przy przechdzeniu przez śrdek zmienia się wykładnicz ze zmianą grubści warstwy. e Rys. Zależnść natężenia wiązki światła d grubści warstwy pchłaniającej. Współczynnik µ jest dwrtnścią drgi, wzdłuż której natężenie wiązki światła maleje d = swej wartści pczątkwej. e 2,78 Zgdnie z prawem Beera dla małych stężeń współczynnik absrpcji jest prprcjnalny d stężenia i wyraża się wzrem µ = β c, ( 5 ) gdzie β stała zależna d rdzaju rztwru (współczynnik absrpcji na jednstkę stężenia rztwru c ), c stężenie rztwru w g/dcm 3 lub ml/dcm 3. Łącząc (5) i (4) trzymujemy praw Lamberta-Beera Stsunek e β c =. ( 6 ) = T ( 7 ) nsi nazwę transmisji (przepuszczalnści) substancji i wyraża się zwykle w prcentach T = 00%. ( 7a ) Częst zamiast współczynnika absrpcji µ używane jest (szczególnie w badaniach chemicznych) pjęcie ekstynkcji zdefiniwanej jak = lg = lg. ( 8 ) T Ekstynkcję w fizyce nazywa się również gęstścią ptyczną. Między ekstynkcją a transmisją istnieje zależnść wynikająca z równań (7), (7a) i (8) = lgt = lg T 2 PRACOWNA FZYCZNA

3 raz = 2 lg T, gdy T wyrażamy w % Np. gdy T = 0%, t =, T = 00%, t = 0. W praktyce mierzymy również absrpcję prcentwą zdefiniwaną jak A = 00%. ( 9 ) Wykrzystując zależnści (5), (6) i (8) znajdujemy związek między ekstynkcją a stężeniem rztwru c β c = lg = lge = 0,43 β c = 0,43 β c ( 0 ) raz między ekstynkcją i współczynnikiem absrpcji µ µ =. ( ) 0,43 pmiarów współczynnika absrpcji stsuje się różneg rdzaju ftmetry raz przyrządy specjalnie sknstruwane d pmiarów stężeń. V. UKŁA POMAROWY świadczenie wyknuje się przy użyciu ftklrymetru ftelektryczneg typu KF5. Jest t przyrząd służący d wyznaczania stężeń substancji barwnych przez prównanie z wzrcami znanych stężeniach. Rys.2 przedstawia uprszczny schemat idewy klrymetru ftelektryczneg. Zasada działania klrymetru plega na pmiarze natężenia światła przechdząceg przez kuwetę wypełniną rztwrem barwnym w stsunku d natężenia światła przechdząceg przez kuwetę wypełniną płynem, któreg transmisję przyjęt jak wartść dniesienia. Prmienie światła z żarówki () przechdzą przez układ ptyczny (2), kuwetę z rztwrem (3) raz filtr barwny (4) i padają na ftelement selenwy (5) włączny w bwód mikrampermierza. µa Rys.2 Schemat idewy klrymetru ftelektryczneg 3 PRACOWNA FZYCZNA

4 W zależnści d natężenia światła padająceg na ftelement, a więc d stpnia pchłaniania wiązki przez badany rztwór, prąd wytwrzny w bwdzie ftelementu wzrasta lub maleje, pwdując dpwiednie wychylenie miernika. Pnieważ natężenia prądów są prprcjnalne d natężenia światła, t wielkści we wzrach d (4) d (9) mżemy interpretwać jak natężenia prądu. Ftklrymetr wypsażny jest w 4 kuwety szklane płaskrównległe długści drgi ptycznej (0 ± 0,0)mm raz w 0 szt. barwnych filtrów szklanych maksimach przepuszczalnści w przedziałach fal nm. W ściankę wierzchnią przyrządu pd pkrywą wkmpnwany jest zasadniczy zespół elementów rbczych pzwalający na wygdną manipulację kuwetami i filtrami. Kuwety wstawia się w kszyk, który mżna przesuwać w praw i w lew, a filtry wstawia się w specjalne gniazd. Miernik psiada dwie skale: liniwą i lgarytmiczną. Zakres pmiarwy pierwszej wynsi d 0 d 00% przepuszczalnści (transmisji) c dpwiada zakreswi d d 0 wielkści ekstynkcji na skali lgarytmicznej (zalecany przedział pmiaru ekstynkcji 0,7 0,05). Na prawej ściance bcznej znajduje się pkrętł płynnej regulacji wychylenia wskazówki miernika raz płaskie pkrętł regulacji zgrubnej (skkwej) z cyframi 0. V. PRZYGOTOWANE KOLORYMETRU O PRACY POMARY. Pkrętł przełącznika skkweg ustawić w takiej pzycji, by cyfra 0 na pkrętle dpwiadała krpce na budwie klrymetru. Pkrętł płynnej regulacji przekręcić w praw d wyczucia pru. 2. Zwieracz w tylnej ściance wsunąć w twór z napisem nrmal (jeśli w tej pzycji nie znajduje się). 3. Włączyć aparat d sieci i ustawić dźwignię na tylnej ściance w pzycji ~. P stwierdzeniu prawidłweg działania przyrządu aparat wyłączyć. 4. Przygtwać serię rztwrów wzrcwych (najmniej 5) znanych stężeniach np.,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 g/00 cm 3 rztwru (w dalszej części instrukcji jednstkę stężenia g/00 cm 3 rztwru zapisywać będziemy jak g/00 cm 3 pamiętając, że bjętść dnsi się d rztwru a nie d bjętści wdy). Rztwór największym stężeniu musi psiadać ekstynkcję zawartą w przedziale 0,7 0,05 (patrz punkt ). Mże się kazać, że 5g/00 cm 3 jest zbyt dużym stężeniem. Należy wówczas przygtwać inny zestaw rztwrów np. 0,5;,0;,5; 2,0; 2,5 g/00 cm 3. la ułatwienia sbie pracy i zmniejszenia zużycia siarczanu miedziweg CuSO 4 najlepiej przygtwać najpierw rztwór największym stężeniu (w tym przypadku byłby t stężenie 5,0 g/00 cm 3 ). Jeżeli chcemy z nieg trzymać rztwór stężeniu mniejszym np. 4,0 g/00 cm 3 pstępujemy następując. Odlewamy z menzurki pjemnści 00 cm 3 d zlewki /5 bjętści rztwru a tym samym /5 masy rzpuszczneg CuSO 4. W ten spsób rztwór w menzurce zawiera g = 4 g siarczanu miedziweg. Jeśli rztwór stężeniu 5,0 g/00 cm 3 przygtwan w menzurce pjemnści 50 cm 3, t pzstanie w niej 4 5 2,5 g = 2 g CuSO 4. Następnie dlewamy d menzurki brakującą ilść rzpuszczalnika d danej bjętści V (w naszym przykładzie d 00 cm 3 ). Otrzymaliśmy więc rztwór stężeniu 4 g/00 cm 3. W pdbny spsób pstępujemy celem trzymania innych stężeń. 5. Wstawić d kszyka dwie kuwety: jedną z rzpuszczalnikiem użytym d przygtwania rztwrów, drugą z rztwrem największym stężeniu. 6. Włżyć filtr w specjalne gniazd. 4 PRACOWNA FZYCZNA

5 7. Ustawić kszyk z kuwetami tak, aby strumień światła przechdził przez kuwetę z rzpuszczalnikiem. 8. Włączyć zasilanie klrymetru (jeśli był wyłączny) i ustawić wskazówkę na pzycji 00%. W tym celu należy ustawić pkrętł przełącznika skkweg w pzycji statniej, przy której wskazówka miernika nie przekracza płżenia 00% T, a następnie bracając pkrętł płynnej regulacji w lewą strnę sprwadzić wskazówkę d pzycji 00% T. 9. Przesunąć kszyk z kuwetami tak, by wiązka światła przechdziła przez kuwetę z rztwrem. 0. Odczytać na mierniku wartść ekstynkcji (skala Absrptin) i transmisji T (skala Transmittance %). Wyniki zapisać w tabeli (wyniki zebrane w tabeli służą d wybru właściweg filtru i w tym przypadku mżna zantwać tylk wartść ). Tabela λ. Zmieniając klejn filtry wyznaczyć wartść ekstynkcji pstępując według punktów (7), (8), (9), (0). ługści fal dla maksimum przepuszczalnści pdane są na ramkach filtrów. Za najlepszy dla danych pmiarów należy uznać filtr, przy którym ekstynkcja siąga maksymalną wartść w zalecanym przedziale pmiarwym (d 0,7 d 0,05 ). Jeśli dla przygtwaneg rztwru największym stężeniu ekstynkcja nie zawiera się w przedziale 0,7 0,05 znacza t, że przygtwany przez nas rztwór ma za duże stężenie. Filtry, dla których ekstynkcja przyjmuje wartść większą d 0,7 nie są właściwe, pnieważ dczyt z miernika dla większych stężeń jest wówczas mał dkładny. 2. Załżyć właściwy filtr i wyknać pmiary przygtwanych rztwrów wzrcwych według punktów (7), (8), (9), (0). Wyniki zapisać w tabeli. Współczynnik absrpcji µ bliczyć ze wzru () znając grubść warstwy rztwru = l = 0 mm. Tabela c [g/00 cm 3 ] T [%] µ 3. Wyknać pmiar dla rztwru nieznanym stężeniu c. UWAGA! Kuwety umyć p wylaniu każdeg rztwru i wysuszyć. Jak rzpuszczalnika d sprządzania rztwrów używać wdy destylwanej. W czasie pmiarów szczelina w pkrywie klrymetru umżliwiająca przesuwanie kuwet nie pwinna być intensywnie świetlna z zewnątrz. Przesuwanie kszyka należy wyknywać starannie, aż d wyraźneg wyczucia pru bczną ścianę budwy. W czasie wymiany filtru kszyk z kuwetami należy ustawić tak, aby pinwy jeg uchwyt pkrywał się z rysą na budwie znaczną literą F. 5 PRACOWNA FZYCZNA

6 V. OPRACOWANE WYNKÓW. Na pdstawie wyników umieszcznych w tabeli sprządzić wykresy zależnści ekstynkcji d stężenia = f(c) i współczynnika absrpcji d stężenia µ = f(c). Pierwszym wykresem zgdnie = b c α c z zależnścią (0) pwinna być prsta przechdząca przez pczątek układu współrzędnych (tak będzie dla niezbyt dużych stężeń). 2. Wyznaczyć stałą b wykrzystując wykres pprzedni i zależnść (0) β = b, 0,43 l gdzie l jest grubścią warstwy rztwru (szerkścią wewnętrzną kuwety) l = (0 ± 0,0) mm. Współczynnik nachylenia prstej b = tgα wyznaczyć krzystając z metdy najmniejszych kwadratów. 3. Zgdnie z równaniem () zależnść między µ i jest wprst prprcjnalna. Wbec teg zależnść µ = f(c) pwinna być również prstą przechdzącą przez pczątek układu współrzędnych. Jeśli taką zależnść liniwą trzymaliśmy, t dla daneg rztwru słuszne jest praw Beera. 4. Odczytać z wykresu = f(c) stężenie c badaneg rztwru. 5. Zaznaczyć błędy na wykresie. 6 PRACOWNA FZYCZNA