Фотометрический метод (перманганат и бихромат)

Заключение
В данной курсовой работе описаны 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 количес ...

Содержание
Введение 3
1 Фотометрические методы исследования. Теоретическая часть 4
1.1 Обоснование выбора метода исследования 4
1.2 Теоретические основы фотоколориметрического метода 5
1.3 Погрешности фотометрического метода исследования 10
2 Практическое применение фотоколориметрии 12
2.1 Схема и основные элементы измерительного прибора 12
2.2 Краткое описание фотоколориметра КФК-5М 14
2.3 Методы определения концентрации поглощающего свет вещества в фотометрическом анализе 16
2.3.1 Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов 16
2.3.2 Метод градуировочного графика 17
2.3.3 Расчетно-графический метод добавок 17
3 Проведение фотоколориметрическго анализа марганца и хрома 19
3.1 Значение количественного определения марганца и хрома 19
3.2 Анализ многокомпонентных растворов марганца и хрома 21
3.3 Ход проведения эксперимента 27
Заключение 29
Список литературы 30
Приложение А 31

Введение
Физико-химические методы анализа основываются на определении какого-либо физического свойства вещества, функционально связанного с концентрацией, либо массой компонента. В отличие от «классических» методов анализа, аналитическим сигналом в которых является масса вещества, либо его объем, в физико-химических методах анализа в качестве аналитического сигнала выступают интенсивность излучения, сила тока, разность потенциалов, электропроводность и пр. Зачастую физико-химические методы исследования включают в себя и различные химические превращения определяемого соединения (растворение, концентрирование, маскирование примесей и другие). Физико-химические методы анализа часто называют инструментальными, так как они требуют специальную, достаточно сложную, измерительную аппаратуру.
Важн ое практическое значение имеют методы, основывающиеся на исследовании поглощения и испускания веществом электромагниного излучения в различных областях спектра. Особенно следует выделить спектроскопию, турбидиметрию, нефелометрию и фотоколориметрию. Фотоколориметрия - один из наиболее чувствительных и, поэтому, широко используемых методов определения металлов в почвенных растворах, природных водах и многих других исследуемых объектах.
В данной работе рассмотрен фотокориметрический метод определения концентрации вещества, в силу своей достаточной простоты и экспрессности имеющий большое значение в лабораторной практике. Следовательно, тема исследования весьма актуальна.
Целью данной работы является подробное всестороннее рассмотрение фотоколориметрического метода исследования.
Основные задачи, выделяемые в рамках данной работы:
рассмотрение физических основ метода,
описание устройства измерительного прибора и областей применения;
рассмотрение методики фотоколориметрического определения перманганата калия и дихромата калия при их совместном присутствии.

е. при ионной силе, равной нулю (µ = 0), и не происходит изменения концентрации вследствие каких-либо химических процессов. Систематическая погрешность в фотометрии вызвана с отклонениями от закона Бера, в частности вызванными немонохроматичностью светового потока.Однако на практике такие условия чрезвычайно редки. С изменением концентрации реагирующих веществ в широких пределах, а также с изменением концентрации посторонних веществ в растворе наблюдаются отклонения от законов поглощения, отклонение графика от прямолинейной зависимости и ελ не сохраняется постоянным [6].Одной из причин отклонения от линейной зависимости оптической плотности растворов от концентрации является недостаточная монохроматичность светового потока, так как Закон Бугера–Ламберта–Бера справедлив только для строго монохроматического излучения. График зависимости поглощения от концентрации (при прочих постоянных условиях) имеет вид прямой линии, выходящей из начала осей координат (рис. 4, б), а в случае отклонений прямолинейная зависимость искажается. Другой причиной отклонения от закона Бугера–Ламберта–Бера является изменение состояния поглощающего вещества в растворе. Некоторые окрашенные вещества при разбавлении или действия посторонних веществ разрушаются с образованием бесцветных продуктов взаимодействия. При этом может образовываться осадок, и раствор обесцвечивается, вследствие этого наблюдается нарушение линейной зависимости между A и С в положительную или в отрицательную сторону. Поэтому фотометрическое определение компонентов следует проводить при условиях, обеспечивающих полноту образования поглощающего (окрашенного) соединения в растворе, отсутствие (или минимизация) отклонения от основного закона светопоглощения, способствует наибольшей точности и чувствительности анализа [3, c.8].вбаРис.4. Отклонения от закона Бугера–Ламберта–Бера [2, 6].а – график зависимости с отклонением в положительную сторону,б – график зависимости без отклонений,в – график зависимости с отклонением в отрицательную сторону,2 Практическое применение фотоколориметрии2.1 Схема и основные элементы измерительного прибораДиапазон использования фотоколориметра определяется:характером источника излучения;оптикой;характером приемника потока излучений;степенью монохроматизации потока излучений.Визуальные и фотоэлектрические колориметры позволяют определять концентрацию. веществ в пределах от 10-3 до 10-8 моль/л.В качестве источников излучений в различных приборах используются:вольфрамовая лампа накаливания, дающая сплошной спектр испускания- в видимой и ближней ИК областях (350— 3500 нм);ртутно-кварцевая лампа, дающая линейчатый спектр испускания в ультрафиолетовой и видимой областях (315—630 нм);водородная лампа со сплошным спектром испускания (220—350 нм);специальные тепловые источники для измерения в далекой инфракрасной области [1, 2].Все оптические детали в приборе сделаны из стекла. При работе в ультрафиолетовой области применяется кварцевая оптика. Соответствующий материал используется и при изготовлении кювет.В фотоэлектроколориметрах и спектрофотометрах в качестве приемника потока излучений служит фотоэлемент. В фотоэлектроколориметрии обычно употребляются два типа фотоэлементов. В спектрофотометрах применяются главным образом селеновые, сернисто-серебряные и сернисто-талиевые фотоэлементы, имеющие достатоно высокую чувствительность.Для получения монохроматических излучений с определенной длиной волны преимущественно используются светофильтры, а также призмы и дифракционные решетки. Светофильтры - твердые (стеклянные, желатиновые и т.д.) или жидкие среды, избирательно пропускающие излучения в достаточно узком интервале длин волн. Ширина пропускания определенного спектрального участка колеблется от 100 до 20—40 нм. Все светофильтры характеризуются величиной Dмакс, а в приборах с визуальным контролем — эффективной длиной волны λЭф, вычисляемой по специальным формулам, в которых учитываются чувствительность глаза.Более высокую степень монохроматизации, чем светофильтры, обеспечивают диспергирующая призма и дифракционная решетка, в качестве которой используется стеклянная или кварцевая пластинка с нанесенными на нее штрихами. В призменных приборах линейная дисперсия различается в зависимости от длин волн. Она зависит от материала призмы (стекло, кварц) и колеблется от 0,5 до 2 нм. Для дифракционных приборов линейная дисперсия имеет примерно такой же порядок, как и для призменных, но одинакова по всему участку видимых длин волн. Чем больше штрихов на 1 см дифракционной решетки, тем выше монохроматизация [2].Рассмотрим принципиальную оптическую схему прибора (рис.4):Рис. 4. Принципиальная оптическая схема фотоэлектроколориметра:1 — источник излучения; 2, 2' —зеркала; 3,3' — светофильтры; 4,4' — кюветы; 5,5' —диафрагмы или клинья; 6,6' —фотоэлементы; 7 —прибор-индикатор (гальванометр или индикаторная лампа) [3, c.23 - 25].Световые пучки, идущие от одного и того же источника 1, отразившись от двух зеркал 2,2', проходят сквозь светофильтры 3,'3, кюветы с растворенным анализируемым веществом 4,4', диафрагмы 5,5', барабаны, калиброванные в значениях D или C%, и попадают на два фотоэлемента 6,6'. При необходимости могут световые потоки перекрываться шторками. Фотоэлементы соединены между собой по дифференциальной схеме, при которой равенству фототоков соответствует нулевое положение прибора-индикатора. В приборах, имеющих две диафрагмы, одна всегда является компенсирующей при установке прибора на нуль отсчета. Она может быть заменена нейтральными оптическими клиньями. Вторая является отсчетной.Введение в поток, проходящий через отсчетную диафрагму, кюветы с испытуемым раствором, поглощение которого отличается от поглощения нулевого раствора, вызывает изменение интенсивности этого потока и соответствующее отклонение показания прибора-индикатора от нулевого. Это отклонение компенсируют, изменяя ширину щели отсчетной диафрагмы до момента восстановления нулевого показания прибора-индикатора. 2.2 Краткое описание фотоколориметра КФК-5МРассмотрим устройство и принцип работы отечественного колориметра фотоэлектрического концентрационного модели КФК-5М, массово применяемого в исследовательских и промышленных лабораториях. Прибор предназначен для измерения в отдельных участках диапазона длин волн 400–980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности жидкостных растворов и твердых тел, определения концентрации веществ в растворах различными методами. Колориметр позволяет также производить измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете. Прибор весьма компактен, что позволяет проводить определение концентраций веществ и в лабораторных, и в полевых условиях. Подробные технические характеристики фотоколориметра КФК-5М приведены в приложении А [5].Рис.5. Внешний вид фотометра КФК-5 и кювет с исследуемым веществомФотоэлектрический фотометр КФК-5М предназначен для выполнения химических и клинических анализов растворов. Устройство фотометра позволяет проводить обмен данными с персональным компьютером. Через внешний выход - PS-232 (порт принтера).Колориметрия широко применяется в аналитической химии, в том числе для гидрохимического анализа, в частности — для количественного анализа содержания биогенных веществ в природных водах, для измерения pH, в медицине, а также в промышленности при контроле качества продукции.В частности, фотометр КФК-5М обеспечивает [5]:в медицине — определение гемоглобина, билирубина об-щего и прямого, триглицеридов, холестерина, мочевой кислоты, общего кальция, белка, альбумина, глюкозы, креатина, липопротеинов, железа;в сельском хозяйстве - проведение химического анализа вод, кормов, почв на содержание нитратов, фосфатов, магния, марганца, калия;в экологических службах — для проведения анализов воды;в пищевой, химической промышленности, геологии, биохимии – точное определение малых концентраций различных исследуемых веществ – в частности, концентраций катионов и комплексов переходных металлов (Fe, Ni и т.д).2.3 Методы определения концентрации поглощающего свет вещества в фотометрическом анализеВ зависимости от наличия фотометрической аппаратуры и условий проведения анализа используют различные приемы определения концентрации раствора по светопоглощению. Измерения оптических плотностей стандартных и исследуемых растворов производят при одинаковых условиях. Рассмотрим наиболее применимые методики проведения фотоколориметрического определения концентрации веществ.2.3.1 Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворовДля определения концентрации вещества берут исследуемый окрашенный раствор и измеряют его оптическую плотность. Затем аналогично приготавливают стандартный окрашенный раствор определяемого вещества известной концентрации и измеряют его оптическую плотность при той же толщине слоя (в тех же кюветах). Значения оптических плотностей сравниваемых растворов будут равны [2, 4]: – для исследуемого раствораAx = ελСх l х MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Section (Next) SEQ MTEqn \r \h \* MERGEFORMAT SEQ MTSec \h \* MERGEFORMAT MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.1)– для стандартного раствораAст = ελСст l ст MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.2)Разделив одно выражение на другое, получим: MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.3)Так как lх = lст, ελ = const, то .Метод сравнения применяется при однократных определениях, он требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.2.3.2 Метод градуировочного графикаДля определения содержания вещества методом градуировочного графика готовят серию из 5–8 стандартных растворов разных концентраций с несколькими параллельными растворами для каждой точки. Далее измеряют оптические плотности стандартных растворов относительно растворителя и строят график прямолинейной зависимости D=f(С). Полученная графическая зависимость представляет собой градуировочный график (рис. 6).Рис.6. Пример градуировочного графикаОпределив оптическую плотность Aх исследуемого раствора находят ее значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс – соответствующее ей значение концентрации Сх. Рассмотренная методика применяется при выполнении серийных фотометрических анализов.2.3.3 Расчетно-графический метод добавокИзмеряют оптическую плотность Aх исследуемого раствора. Затем к нему добавляют известное количество определяемого вещества и снова измеряют оптическую плотность Aх+а. Неизвестную концентрацию определяемого вещества находят путем сравнения оптической плотности исследуемого раствора и раствора с добавкой. Применяя основной закон светопоглощения к сравниваемым растворам, получаем уравнения:Ax=ε lСх и Ax+а= ε l (Сх+Са) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.4)Решая данные уравнения относительно неизвестной концентрации Сх получаем расчетную формулу для метода добавок:, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (2.5)где – концентрация добавки в фотометрируемом растворе.Пусть определенная оптическая плотность раствора с неизвестной концентрацией перманганата калия составляет 360. Оптическая плотность исследуемого раствора с добавкой стандартного раствора перманганата калия составила 400.Определим концентрацию перманганата калия в исследуемом растворе, зная, что концентрация добавки KMnO4 в растворе составила 0,001 М.МПостроим градуировочный график (рис.7) по расчетным данным. Из указанного градуировочного графика в дальнейшем можно находить концентрацию определяемого вещества.СдобРис. 7. Градуировочный график в методе добавок3 Проведение фотоколориметрическго анализа марганца и хромаВ практической части курсовой работы рассматривается методика определения концентраций хрома и марганца при их совместном присутствии в виде бихромат и перманганат-ионов. 3.1 Значение количественного определения марганца и хромаСточные воды предприятий машиностроения, металлургии, а также химической и нефтехимической отраслей промышленности являются источником поступления в водные объекты химических веществ различной структуры, часть из которых обладает высокой токсикологической активностью. В частности, к таким веществам относятся растворенные в воде ионы переходных металлов – хрома и марганца. Предельно допустимые концентрации содержания марганца и хрома в питьевой воде соответственно составляют 0,1 и 0,5 мг/дм3.Марганец – один из первых применяемых в промышленности редких металлов, например, в производстве стали. Марганец в настоящее время определяют при анализе сплавов, сталей, полупроводниковых материалов, биологических материалов, органических веществ, почв, горных пород, руд и сточных вод различных производств. Избыток марганца в питьевой воде (более 0,1 мг/л) приводит к заболеваниям костной системы. Такая вода имеет желтоватую окраску и вяжущий вкус. На сантехнике марганец, попадающий в воду в виде Mn2+ или MnO4- образует темно-коричневые и черные пятна, осаждается в трубах. Для промышленных целей содержание марганца в воде должно быть в пределах — 0,01-0,02 мг/л.При попадании в организм металл главным образом концентрируется в печени. Избыточное его количество проникает также в тонкий кишечник, почки, железы внутренней секреции, и головной мозг. Хроническое отравление марганцем может иметь как неврологическую и легочную формы. Первые симптомы отравления марганцем - сонливость, безразличие к окружающему миру, потеря аппетита, головокружения и головные боли.Также ряд производств, в частности, металлургические предприятия, некоторые химические производства, кожевенные заводы, спускают сточные воды, содержащие бихромат-ионы (Cr2O72-) или ионы хрома (III). Хром (III) в обычных условиях устойчив, и не окисляется в обычных условиях до шестивалентного. В растворе хром (III) в результате гидролиза по катиону находится только в кислой среде. В нейтральной и щелочной средах он гидролизуется (Cr3+ + HOH = Cr(OH)2+ + Н+) с выделением гидроокиси хрома (III). Гидролизу препятствуют комплексообразующие вещества. Хром (VI) встречается в щелочных растворах в виде хромат-ионов (CrO42-), а в кислых растворах — в виде бихромат-ионов (Cr2O72-). В присутствии восстановителей шестивалентный хром восстанавливается до трехвалентного [2, 3]. Соединения хрома (III) менее экологически опасны, чем соединения хрома (VI). Соединения хрома (III) лишь в малой степени могут усваиваться организмом через пищеварительную систему, а соединения хрома (VI) способны взаимодействовать с белками в верхних слоях кожного покрова, формируя сложные устойчивые комплексы. Соединения хрома (III) не вызывают кожных раздражений и, обычно, не провоцируют дерматит, в отличие от соединений хрома (VI). Раздражения и повреждения от контакта организма с соединениями хрома (VI) возникают чаще всего при их попадании на слизистые оболочки, через которые они легко попадают внутрь. Длительный контакт с соединениями хрома (VI) может привести к возникновению раздражений и повреждений кожного покрова и слизистых оболочек, аллергических реакций или кожных изъязвлений.У рабочих предприятий, использующих соединения хрома (VI) часто возникают раздражения кожного покрова и дыхательной системы. Типичны профессиональные отравления хромсодержащими соединениями в результате вдыхания поднимающихся в воздух пыли или паров во время получения бихромата из хромита, при производстве хроматов свинца и цинка, а также во время гальванизации или обработки поверхностей металлов. Вредное воздействие содержащих  паров возможно также после сварочных работ с нержавеющей сталью.По этой причине практически важными являются определение концентрации соединениями марганца, железа и хрома и разработка решений по минимизации их воздействия на природную среду без сложных дополнительных технических приемов являются.3.2 Анализ многокомпонентных растворов марганца и хромаЕсли в растворе одновременно присутствуют два окрашенных вещества, не взаимодействующие друг с другом химически, как, например перманганат калия (KMnO4) и дихромат калия (K2Cr2O7), то их концентрации можно определить путем измерения поглощения при двух длинах волн, для которых известны молярные коэффициенты поглощения этих веществ. Методика определения описана в учебнике Барковского [1, c.68-72].