2015/16
Měření koncentrace roztoku absorpčním spektrofotometrem Teoretický úvod Absorpční spektrofotometrie je metoda stanovení koncentrace disperzního podílu analytické disperze, založená na měření absorpce světla. Prochází-li monochromatické světlo tímto prostředím, sníží se jeho intenzita z původní I0 hodnoty na I. Mírou snížení intenzity je veličina, zvaná absorbance A (používá se rovněž ekvivalentní termín extinkce E). Absorbance je definována vztahem I A = log10 0 I Jinou veličinou, která charakterizuje absorpci světla, je transmitance T, definovaná jako T=
I I0
Absorbance a transmitance tedy souvisí vzájemným vztahem A = − log10 T . Obě tyto veličiny jsou bezrozměrné. Mezi absorbancí A a koncentrací c disperzního podílu platí lineární vztah, zvaný Lambert-Beerův zákon:
A = k ⋅c ⋅l kde k je extinkční koeficient, jehož hodnota je charakteristická pro danou látku v roztoku a pro danou vlnovou délku světla (jednotkou k je ), c je molární koncentrace látky (mol/l), a L je tloušťka vzorku disperze (cm). Absorpční fotometrie slouží ke stanovení koncentrací jak bezbarvých, tak i barevných analytických disperzí. U bezbarvých roztoků se používá monochromatické světlo z UV oblasti (200-380 nm), u barevných roztoků se může použít jak UV, tak i viditelná oblast světla (380-760 nm). Rozhodujícím kritériem při volbě vlnové délky je co nejvyšší citlivost měření. To znamená nalezení takové vlnové délky, při které malé změně koncentrace odpovídá největší změna absorbance. Tomuto požadavku odpovídá vlnová délka absorpčního maxima; v případě většího počtu absorpčních maxim pak vlnová délka absorpčního maxima s největší absorbancí.
V úloze bude použit moderní typ spektrofotometru (Biochrom Libra S6), který umožňuje rychlé změření absorpčního spektra v širokém rozsahu vlnových délek. Jako zdroj světla slouží halogenová lampa s wolframovým vláknem, která vydává světlo v celé šíři viditelného spektra. Toto bílé světlo je kolimováno, dopadá kolmo na vzorek, a po průchodu vzorkem je ohybem na optické mřížce rozloženo na monochromatické paprsky. Tyto dopadají na soustavu fotodiod, které měří intenzitu jednotlivých paprsků. Přístroj tedy neobsahuje žádné pohyblivé části, a umožňuje simultánní měření absorbance pro až 65 různých vlnových délek.
Přístroje a pomůcky: 1. Absorpční spektrofotometr Biochrom Libra S6. 2. Počítač s rozhraním pro komunikaci se spektrofotometrem. 3. Sada roztoků CuSO4 (modrá skalice). 4. Kyvety.
Úkol: 1. Změřte absorpční spektrum roztoku síranu měďnatého. 2. Ověřte platnost Lambert-Beerova zákona. 3. Určete neznámou koncentraci síranu měďnatého.
Provedení: 1. Zapněte spektrofotometr černým tlačítkem v pravém dolním rohu ovládacího panelu (Obr. 2 tlačítko [1]). Vyčkejte 1 minutu, dokud neskončí sebediagnostika přístroje. (Dokud je přístroj zaneprázdněn diagnostikou či měřením, naskakuje postupně poslední řádek u spodního okraje displeje.)
2 4
5 1
3
Obr.1Spekrofotometr
Obr. 2 Spektrofotometr detail
2. Stiskem tlačítka F2 (Obr. 2 tlačítko [2]) přejděte na úvodní obrazovku, která dáva na výběr:
• Repeat last operation • Make a measurement • Set up instrument Kdykoli během měření se můžete na tuto obrazovku vrátit opakovaným stiskem červeného tlačítka (Obr. 2 tlačítko [3]). 3. Zapněte počítač. Spusťte program Grafico (ikona v pravém horním rohu obrazovky). Vyplňte jméno jednoho ze studentů ve Vaší skupině, a v kolonce „Organization“ vyplňte číslo kruhu a číslo skupiny. Poté v hlavním oknu Grafica tlačítkem na liště přepněte program do režimu „Scan“. Objeví se prázdný graf. 4. Vraťte se ke spektrofotometru. Zvolte „Make a measurement“ a na další obrazovce zvolte „Scan“. Pokud již není nastaveno, tak tlačítkem F1 zvolte jako výstup absorbanci (Abs). 5. Do držáku napravo od displeje vložte kyvetu naplněnou čistou vodou. Toto bude referenční vzorek. Pozor: všechny kyvety je nutné vkládat stejně orientované, tak aby strana s ryskou (prohlédněte proti světlu) sousedila s šipkou na držáku kyvet.
Obr. 3 Držák pro kyvetu
Obr. 4 Držák s kyvetou
6. Stisknutím modrého tlačítka označeného „0A/100%T“ (Obr. 2 tlačítko [4]) spusťte měření absorpčního spektra referenčního vzorku, které bude automaticky uloženo do paměti. 7. Vyjměte referenční vzorek a vložte kyvetu naplněnou roztokem s nejvyšší koncentrací síranu měďnatého. Poté stisknutím zeleného tlačítka spusťte měření absorpčního spektra (Obr. 2 tlačítko [5]). Na displeji se objeví graf, kde na ose x je vlnová délka a na ose y je rozdíl absorbancí nyní vloženého vzorku a referenčního vzorku. Souhlasí Vámi naměřené absorpční spektrum s barvou roztoku, jak je vnímána okem? 8. Graf se objeví také na počítači v programu Grafico. Graf uložte na Plochu jako soubor formátu pdf (pomocí příkazu Print, nikoli Save). Poté si soubor uložte na USB paměť nebo odešlete přes e-mail.
9. Z grafu odečtěte vlnovou délku absorpčního maxima. Všechna následná měření budete provádět pro tuto vlnovou délku. 10. Přepněte spektrofotometr do režimu měření při fixní vlnové délce (Úvodní obrazovka → Make a measurement → Single/Multi/Ratio → Single λ). Nastavte vlnovou délku z předchozího kroku (zvolte Set λ, poté tlačítky s šipkami upravte vlnovou délku, poté zvolte Accept λ). 11. Vkládejte postupně kyvety naplněné roztoky se známými koncentracemi síranu měďnatého, a s neznámou koncentrací. Pro každý roztok naměřte stisknutím zeleného tlačítka hodnotu absorbance (relativně k absorbanci referenčního vzorku, která je stále v paměti přistroje). 12. Změřené hodnoty absorbance roztoků zapište do tabulky a sestrojte kalibrační křivku (tj. graf závislosti absorbance na koncentraci). Souhlasí naměřená křivka s LambertBeerovým zákonem? Z kalibrační křivky odečtěte koncentraci síranu měďnatého ve vzorku s neznámou koncentrací. 13. Vyčistětě použité kyvety. Vypněte spektrofotometr. Odstraňte z počítače Vámi uložený soubor, a ukončete program Grafico.
Kontrolní otázky: 1. U jakých roztoků lze spektrofotometr Libra S6 použít ke stanovení koncentrace? 2. Jak je definována absorbance (extinkce) a transmitance? 3. Co popisuje Lambert-Beerův zákon? 4. Co je absorpční spektrum?
OPTICKÁ SPEKTRA: SPOJITÉ SPEKTRUM VIDITELNÉHO SVĚTLA Úvod: Rozkladem bílého světla vzniká spojité spektrum se zastoupením barevných pásů (barevných oblastí). Obsahují kromě základních barev též oblasti smíšených barev -například modrozelenou, žlutozelenou atd. Tyto pásy však nemají stejně velká vlnová rozpětí (obr.1). K rozkladu světla je v této úloze použit mřížkový monochromátor Specolu. Světlo se tudíž rozkládá ohybem na mřížce, přičemž úhel ohybu (α) je přímo úměrný vlnové délce (λ) světla podle vztahu: K . sin α = k . λ kde K je mřížková konstanta a k je kladné celé číslo.
Obr. 1 – Viditelné záření
Přístroje a pomůcky: 1) SPECOL bez měřicích nástavců 2) Kruhové matné sklo pro pozorování barvy světla
Úkol: Určete rozsahy vlnových délek spektrálních barev.
Provedení: 1) Přístroj zapojte na síťové napětí. 2) Na otočném bubínku s noniem (1) (obr. 2; detail obr. 4) nastavte nejmenší vlnovou délku. 3) Uzávěrku světla (2) nastavte do polohy I. 4) Zvyšte vlnovou délku na otočném bubínku s nóniem o 5 nm a zaznamenejte barvu světla. Světlo se promítá na matném kruhovém sklíčku (3) (obr. 3), nasazeném na objímku pro připojení měřicích nástavců přístroje. 5) Zvyšujte postupně vlnovou délku (po 5 nm) a zaznamenávejte barvu světla. Sledování ukončíte při dosažení vlnové délky 750 nm.
6) Do tabulky v protokolu vyneste vlnové rozsahy základních spektrálních barev (fialové, modré, zelené, žluté, oranžové a červené ).
2
1
Obr. 2 - Schéma ovládacího panelu SPECOLU 1 - otočný bubínek s nóniem; 2 - uzávěrka světla.
3
Obr. 3 – Detail ovládacího panelu SPECOLU, 3 - matné kruhové sklíčko
Obr. 4 – Detail otočného bubínku s noniem
Kontrolní otázky: 1. Jaká je závislost ohybu světla na jeho vlnové délce ? 2. Jaký je sled barevných pásů rozloženého bílého světla od nejvyšší k nejnižší vlnové délce ? 3. Který barevný pás má nejmenší a která největší rozsah vlnových délek ? 4. Jaké vlnové délky má ultrafialové a infračervené záření?
MĚŘENÍ RELATIVNÍ VLHKOSTI VZDUCHU Teoretický úvod: Stanovení relativní vlhkosti vzduchu má význam jak pro kontrolu hygienických podmínek na pracovišti (podle hygienických předpisů je přípustné rozmezí relativní vlhkosti φ = 30 - 70 %), tak i pro správnou funkci některých citlivých přístrojů. Relativní vlhkost φ je definována vztahem: φ=
f F
f- je absolutní vlhkost vzduchu (kg.m-3) F- maximální vlhkost (kg.m-3), která při dané teplotě vzduch úplně nasytí. Poměr
f e je možné nahradit poměrem F E
e - je napětí (tenze) vodních par ve vzduchu skutečně obsažených (v Pa) a E- napětí nasycených vodních par při dané teplotě (v Pa). Relativní vlhkost vzduchu se většinou udává v procentech : φ (v %) =
f e . 100 = . 100 F E
Stanovení relativní vlhkosti je možné provést Augustovým psychrometrem, který se skládá ze dvou rtuťových teploměrů se stupnicí od -35 ºC do +50 ºC. Teplotní škála je dělena po 0,2ºC. Teploměry jsou umístěny svisle vedle sebe v kovovém stojanu. Pravý teploměr tzv. suchý ukazuje teplotu vzduchu t. Rezervoár levého, tzv. vlhkého teploměru je obalen mulem, který sahá do nádobky s vodou. Vodase odpařuje, tím odnímá rezervoáru teplo a vlhký teploměr proto ukazuje nižší teplotu t´, než je teplota vzduchu t.
Obr. 1 Rezervoár levého, tzv. vlhkého teploměru
Rozdíl: (t - t´) se nazývá psychrometrický rozdíl teplot. Vlhký teploměr se asi za 10 minut po navlhčení rezervoáru ustálí na takové teplotě t´, při které se ztráty tepla odpařováním nahradí ziskem tepla z okolí.
E′ − e = A . (t - t´) b E´ - napětí nasycených vodních par při teplotě t´ (Pa), e - napětí vodních par ve vzduchu skutečně obsažených při teplotě t (Pa), b- barometrický tlak (Pa) A- empirická konstanta, která pro t´ ≥ 0 ºC má hodnotu A = 8.10-4K-1. e = E´ - A.b (t - t´) a po dosazení do rovnice pro výpočet relativní vlhkosti φ (v %) =
e E ′ − Ab ( t − t ′ ) 100 = 100 E E
Přístroje a pomůcky: 1) Augustův psychrometr 2) Nomogram
Obr.1 Augustův psychrometr
Obr. 2 Nomogram
Úkol: Určete relativní vlhkost vzduchu na pracovním stole výpočtem a pomocí nomogramu
ºC
teplota vzduchu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
napětí vodních parPa 1 226, 562 1 306, 556 1 399, 881 1 493, 206 1 599, 864 1 706, 522 1 813, 179 1 933, 169 2 066, 491 2 199, 813 2 333, 135 2 493, 121 2 639, 776 2 813, 094 2 986, 413 3 173, 064 3 359, 714 3 559, 697 3 773, 013 3 999, 660
Tab. 1 Závislost napětí (tenze) nasycených vodních par na teplotě vzduchu
Provedení: 1) Zapište do tabulky protokolu teplotu t suchého teploměru a teplotu t´ vlhkého teploměru. 2) S použitím tabulky 1, vypočtěte relativní vlhkost vzduchu. 3) Určete relativní vlhkost vzduchu pomocí nomogramu (obrázek 2): a) Na pevné části nomogramu vyhledejte podle stupnice na pravé straně (suchý teploměr) křivku, odpovídající teplotě vzduchu t. b) Na pohyblivém ramenu nomogramu (vlhký teploměr) vyhledejte teplotu t´ vlhkého teploměru c) Otáčejte pohyblivým ramenem tak dlouho, až bod odpovídající teplotě t´ bude ležet na křivce, příslušející teplotě t suchého teploměru. d) Odečtěte relativní vlhkost vzduchu na spodní stupnici nomogramu.
Kontrolní otázky: 1. 2. 3. 4.
Definujte rosný bod. Který z teploměrů Augustova psychrometru ukazuje nižší teplotu a proč ? Jakou jednotku má absolutní vlhkost vzduchu ? Co je to psychrometrický rozdíl teplot ?
