Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

 
 
 
 
 
 

       КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

По дисциплине  __________________________________________________________

^{(наименование  учебной дисциплины  согласно учебному  плану)}

     

                 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Тема:                            Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия 

 
 
 
 
 

ВЫПОЛНИЛА: студ.  ______________    /./

                                                                       ^{(подпись)                                  (Ф.И.О.)}  

ОЦЕНКА: _____________

 
 

ДАТА: __________________

 

ПРОВЕРИЛ:     доцент                        _____________         /./

                                                                                                          ^{(подпись)                                     (Ф.И.О.)}

 
 
 

                                                                           

 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 
 

По дисциплине: _____________Методы контроля и анализа веществ__________________

(наименование  учебной дисциплины согласно  учебному плану)

 
 
 

Студента группы     .

                                                 (шифр группы)                                                  (Ф.И.О)

 
 
 
 
 
 

1. Тема  проекта: Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия.

 

2. Выходные  данные к проекту: методическое указание «Физико-химические методы анлиза» (Санкт-Петербург, 2000)

 

3. Содержание  пояснительной записки: задание на выполнение работы, библиографический список.

 

4. Срок  сдачи законченного проекта: 15. 12. 10

 
 

              Руководитель проекта:   доцент           ____________               /./

 

              Дата выдачи задания: 15. 09. 10

             

Оглавление

 

Аннотация - 3 -

Краткая историческая справка - 3 -

Понятие «спектральный анализ» - 3 -

Законы поглощения света - 3 -

Ограничения и условия применимости закона Бугера-Ламберта-Бера - 3 -

Молекулярный спектральный анализ - 3 -

Применение - 3 -

Принципиальная схема спектрометра - 3 -

Библиографический список - 3 -

 

 

Аннотация

     Данная  пояснительная записка представляет собой отчет о выполнении курсового  проекта. В ней рассматриваются  основные вопросы молекулярной фотометрии и спектрофотометрии.

Страниц 15, рисунков 2.

The Summary

     The given explanatory note represents the report on performance of the course project. In it are considered main questions of  molecular photometry and spectrophotometric analysis.

Pages 15, figures 2.

 

Краткая историческая справка

     Спектроскопия вообще и молекулярная спектроскопия  в частности – это разделы  физики, занимающиеся изучением качественного  и количественного составов электромагнитного  излучения, поглощенного, испущенного, рассеянного или отраженного  веществом. Электромагнитное излучение, разложенное по длинам волн или по энергии, образует спектр. В качестве объектов спектрометрического исследования могут быть использованы самые разнообразные вещества, находящиеся в любых агрегатных состояниях. В простейшем случае это разреженный газ, среднее расстояние между молекулами которого настолько велико, что их можно рассматривать изолированно друг от друга. В наиболее сложном случае это конденсированное тело, в котором каждая образующаяся его частица находится под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. В связи с этим из спектроскопических данных можно получать информацию как о структуре и свойствах молекул, так и о силах межмолекулярного взаимодействия, а следовательно, и о строении вещества в целом.

     В развитии спектроскопии как физического  метода исследования веществ можно  выделить два основных этапа. Первый этап представляет собой период эмпирического накопления фактов (разложение белого света в спектр с помощью призмы – Ньютон, 1666г.; наблюдение линий и полос поглощения – Волластон и Фраунгофер, 1802-1814гг.), установления многих фундаментальных феноменологических закономерностей (связь между поглощательной и излучательной способностью вещества – Кирхгоф, 1859г.; влияние на спектральные линии внешних магнитных и электрических полей – Зееман, 1896г., Штарк, 1913г.), а также попыток теоретического описания и интерпретации наблюдаемых зависимостей (классическая теория поглощения и дисперсии – вторая половина XIXв.; гипотеза квантов энергии – Планк, 1900г.).

     Второй  этап, начавшийся после формулировки Бором в 1913г. своих знаменитых квантовых  постулатов и последовавшего за этим бурного развития квантовой теории, ознаменовался тем, что спектроскопия  была поставлена на прочную научную  основу. Значительный вклад в это внесли русские и в особенности советские ученые (Рождественский, Вавилов, Басов, Прохоров и пр.). В настоящее время спектроскопия и , в частности, молекулярная спектроскопия является одним из важнейших и перспективных физических методов исследования веществ, что делает ее особенно эффективной при решении разнообразных задач современной химии.

 

 

Понятие «спектральный анализ»

     Под названием спектральный анализ понимают физический метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул. Эти спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, колебаниями атомных ядер в молекулах и вращением молекул, а также воздействием массы и структуры атомных ядер на положение энергетических уровней.

     Различные типы спектрального анализа следует  рассматривать с трех позиций:

1. По решаемым задачам:

• Элементный – устанавливается состав пробы по элементам

• Изотопный – устанавливается состав пробы по изотопам
• Молекулярный – устанавливается молекулярный состав пробы
• Структурный – устанавливаются структурные составляющие молекулярного соединения

2. По применяемым методам:

• Эмиссионный, использующий спектры поглощения, главным образом атомов.
• Абсорбционный, использующий спектры поглощения, главным образом молекул и их структурных частей
• Комбинационный, использующий спектры комбинационного рассеяния твердых, жидких и газообразных проб, возбуждаемые монохроматическим излучением
• Люминесцентный, использующий спектры люминесценции вещества, возбуждаемые ультрафиолетовым излучением или катодными лучами
• Рентгеновский, использующий рентгеновские спектры атомов, получающиеся при переходах внутренних электронов в атомах, или дифракцию рентгеновых лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения структуры вещества
• Радиоспектроскопический, использующий спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с длинами волн больше 1 мм

3. По характеру получаемых результатов:

• Качественный, когда в результате анализа определяется состав без указания на количественное соотношение компонентов
• Полуколичественный, когда результат выдается в виде оценки содержания компонентов в некоторых более или менее узких интервалах концентраций в зависимости от применяемого метода приближенной количественной оценки
• Количественный, при котором выдается точное количественное содержание определяемых элементов или соединений в пробе.

 

 

Законы  поглощения света

     Молекулярный  анализ с помощью спектров поглощения основан на использовании законов  поглощения света. Формальное выражение  этих законов одинаково для излучения  любых частот, от инфракрасных до ультрафиолетовых.

     Рассмотрим  наиболее простой случай, когда лучи монохроматического света проходят через поглощающее вещество параллельным пучком, причем ослабление света определяется только числом поглощающих молекул, находящихся на пути лучей, и не зависит от абсолютной величины потока, а также от взаимного влияния молекул. В более сложных случаях требуются дополнительные расчеты, при которых используются законы ослабления пучка параллельных лучей. Первый из законов поглощения, открытый французским ученым Бугером (1729г.) и подробно проанализированный Ламбертом (1760г.) можно сформулировать следующим образом: каждый бесконечно тонкий слой внутри однородной среды поглощает определенную долю входящего в него потока излучения, пропорциональную его толщине. Вторая закономерность была установлена Бером (1852г.): поглощение данным тонким слоем однородной среды пропорционально числу содержащихся в нем поглощающих молекул, а следовательно также числу их в единице объема среды, т.е. концентрации. Установленные опытным путем Бугером, Ламбертом и Бером закономерности можно выразить математическим выражением:

     

  (1)

где - показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации вещества и на единицу толщины слоя, - константа, не зависящая от интенсивности падающего света и концентрации вещества (но зависящая от длины волны света). Физический смысл _{становится понятней, если принять см  и моль/л, тогда . Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.}

     Интегрируя  выражение (1) от 0 до , получим:

     

  (2)

закон Бугера-Ламберта-Бера. Предположение  о пропорциональности концентрации имеет приближенный характер. Оно справедливо для газов при малых давлениях и для растворов при малых концентрациях. Когда происходит сближение молекул при увеличении давления газа или увеличении концентрации раствора С, показатель поглощения обычно начинает изменяться вследствие физико-химического взаимодействия молекул.

     В случае невозможности установить значение С поглощение относят к слою единичной толщины, полагая , т.е. или (закон Бугера-Ламберта). В этом случае величину k называют показателем поглощения, отнесенным к слою единичной толщины.

     Закон Бугера-Ламберта-Бера справедлив только для монохроматического излучения; кроме того, в качестве рассматривался световой поток, только что вступивший в исследуемый слой вещества, а в качестве - покидающий его. обычно не равно интенсивности излучения , падающего на поверхность твердого образца или на поверхность кюветы с раствором, так же как не равно интенсивности излучения, вышедшего из твердого образца или из слоя раствора. Это неравенство обусловлено уменьшением измеряемых величин и вследствие отражения при переходе излучения в среду с другим коэффициентом преломления. Кроме того, интенсивность может уменьшаться и вследствие поглощения окошками кюветы и растворителя.

     Задача  спектрофотометрии состоит в  определении  и по измеряемым значениям и . В случае твердых тел определяют при помощи измерения величин и для двух образцов различной толщины и . Если больше и , то при условии, что поверхности обоих образцов имеют одинаковые коэффициенты отражения: . Этот метод применим также при измерении поглощения жидкости.