Лабораторная работа

Лабораторная работа посвящена определению массы ионов $Fe^{3+}$ фотометрическим методом.

Выполнил студент: Федоров Вячеслав Васильевич (гр. В5108).

Проверила: Кудинова Светлана Юрьевна.

Вступление

Ион $Fe^{3+}$ в гидратированном состоянии имеет бледно желтую окраску и малый коэффициент молярного поглощения. Это обстоятельство не позволяет определять малые количества $Fe^{3+}$ и снижает точность анализа при его повышенном содержании. Поэтому для фотометрического определения $Fe^{3+}$ часто используют его комплекс с $SCN$-ионом, имеющий интенсивный вишнево-красный цвет, который образуется по реакции: $$ Fe^{3+} + 3SCN^- = Fe\left(SCN\right)_3. $$ Указанная реакция обратима и при выполнении работы требует соблюдения следующих условий:

• реакцию проводят в азотно-кислой среде;
• все реактивы приливают в строго определенных количествах и последовательности в соответствии с методическими указаниями.

Приборы и реактивы:

• спектрофотометр UNICO 2100;
• кварцевые кюветы - 2 шт.;
• мерные колбы - 100 мл., 6 шт.;
• мерные цилиндры - 10 мл, 2 шт.;
• азотная кислота - 4 н раствор;
• роданид амония $NH_4SCN$ - 10% раствор;
• стандартный раствор $Fe_2\left(SO_4\right)_3$ с титром $T_{Fe^{3+}} = 0.2 \frac{мг}{мл}$;
• фильтровальная бумага.

Спектрофотометрический метод анализа

В основу оптических методов анализа положено взаимодействие с веществом электромагнитного излучения видимой (360—800 нм) и ультрафиолетовой (190—360 нм) областей спектра. По энергии это соответствует электронным переходам между внешними атомными и молекулярными орбиталями.

Методы, основанные на изучении спектров молекул и ионов, относят к молекулярной спектроскопии (фотометрии, люминесценции). В люминесценции измеряется интенсивность видимого или УФ излучения, испускаемого предварительно возбужденной молекулярной системой. Фотометрические методы основаны на избирательном поглощении видимого или УФ излучения. Если при этом можно достаточно точно устанавливать требуемую длину волны и изменять ее, то этот метод называют спектрофотометрией. При прохождении электромагнитного излучения через раствор количество поглощенной энергии однозначно связано со многими факторами, в том числе, с концентрацией поглощающего вещества.

Обычно система неоднородно поглощает излучение в различных диапазонах длин волн. В видимой области это приводит к появлению окраски. Исходный белый свет представляет собой смесь излучений с разными длинами волн. При взаимодействии с системой одни излучения поглощаются в большей степени, другие — в меньшей. Поэтому отраженный от предмета или прошедший через раствор свет отличается от белого и создает впечатление цвета. Таким образом, цвет предмета или раствора создается непоглощенным излучением. Хорошо известно, что если исходный свет не белый, то окраска предметов может сильно измениться, вплоть до черной. Последнее наблюдается, когда излучение почти полностью поглощается поверхностью предмета или раствором.

Несмотря на указанную взаимосвязь между поглощением и цветом (одно дополняет другое), по цвету раствора нельзя однозначно судить об областях поглощения. Причина состоит в том, что полосы поглощения могут иметь разную протяженность по длине волны, интенсивность поглощения может быть высокой и низкой, кроме того, таких полос может быть несколько. Только в некоторых случаях можно более или менее уверенно судить о положении полос поглощения на основании цвета раствора. Так, желтый цвет указывает на поглощение у коротковолновой границы видимой области; синий — у длинноволновой границы. Вещества, поглощающие только в УФ области, для глаза человека являются бесцветными, например, бензол и все его производные, азотная кислота и ее соли.

Спектрофотометрические методы анализа характеризуются высокой чувствительностью, позволяющей определять низкие содержания вещества на уровне примесей $(~10^{–6} \%)$ и анализировать разбавленные растворы соединений до $10^{–5}—10^{–6} М$ с погрешностью $2—5 %%$. Метод достаточно экспрессен и широко применяется при анализе в металлургии, медицине, химической промышленности, сельском хозяйстве и других областях.

Определению массы ионов $Fe^{3+}$ спектрофотометрическим методом.

Известная качественная реакция на железо(III) c роданидом используется и в фотометрическом анализе: $$ Fe^{3+} + 3SCN^- = Fe\left(SCN\right)_3. $$

Метод градуировочных графиков

Прямое спектрометрическое определение концентрации веществ осуществляется многими методами. Большинство из них использует предварительно полученные результаты измерений оптической плотности набора стандартных растворов с известной концентрацией определяемого компонента (градуировочной серии).

В настоящей работе используется метод градуировочных графиков. Он основан на построении графической зависимости $A = f(С)$. Так предварительно устанавливают длину волны, близкую к максимуму поглощения. Затем готовят серию стандартных растворов (растворов с известной концентрацией определяемого вещества), охватывающих область возможных изменений концентраций, измеряют их оптическую плотность при выбранной длине волны и наносят полученные данные на график в координатах $А—С$. Для построения графика следует брать 6—8 точек. Если метод обладает низкой сходимостью (повторяемостью), то каждую точку следует повторить 3—4 раза. При подчинении закону Бугера—Ламберта—Бера (БЛБ) график должен иметь вид прямой, выходящей из начала координат. Концентрацию анализируемого раствора $С_х$ находят по графику после определения его оптической плотности $А_х$ в тех же условиях.

Если же наблюдаются отклонения от линейности (от закона БЛБ), то для построения калибровочного графика берут значительно большее количество стандартных растворов (10—12 точек), чтобы передать детали кривизны.

Выполнение работы

В силу дистанционного проведения опытов на каждом этапе были проведены по одному измерению.

1. Выбор светофильтра. Для достижения наименьшей погрешности спектрофотометрического анализа следует выбрать светофильтр при котором наблюдается максимальное значение оптической плотности. Для этого необходимо приготовить и измерить оптическую плотность наиболее концентрированного раствора (раствор №4).

import numpy as np
import pandas as pd

table_1 = pd.DataFrame({'lambda': [400, 440, 490, 540, 580],
                        'density': [0.808, 1.465, 1.647, 0.961, 0.408]})
table_1

	lambda	density
0	400	0.808
1	440	1.465
2	490	1.647
3	540	0.961
4	580	0.408

Из таблицы следует, что при 490 нм оптическая плотность максимальная. В дальнейшем будем использовать светофильтр 490 нм.

2. Построение градуировочного графика. Для построения градуировочного графика готовят 5 стандартных растворов и последовательно измеряют их оптическую плотность относительно дистиллированной воды.

table_2 = pd.DataFrame({'volume': [6, 9, 12, 15, 18],
                        'density': [0.828, 0.859, 1.160, 1.395, 1.647]},
                         index=range(1, 5+1))
T_Fe = 0.2
table_2['mass'] = table_2['volume']*T_Fe
table_2

	volume	density	mass
1	6	0.828	1.2
2	9	0.859	1.8
3	12	1.160	2.4
4	15	1.395	3.0
5	18	1.647	3.6

Для построения прямой используем метод наименьших квадратов:

import holoviews as hv
hv.extension('bokeh')

%opts Curve Scatter [aspect=1 show_grid=True]
%opts Scatter (alpha=0.5 size=7 hover_alpha=1.0)
%opts Curve (line_width=1 alpha=0.5 color='blue' hover_alpha=1.0)

y_mnk = np.poly1d(np.polyfit(table_2['mass'], table_2['density'], 1))
x_mnk = np.linspace(1, 4, 1000)

scatter = hv.Scatter((table_2['mass'], table_2['density']),
                      kdims=['Mass m, mg'],
                      vdims=['Optical density A']).opts(tools=['hover'])

curve = hv.Curve((x_mnk, y_mnk(x_mnk)),
                  kdims=['Mass m, mg'],
                  vdims=['Optical density A']).opts(tools=['hover'])

Результаты приведены на рисунке:

scatter*curve

Задача

По графику пределить массу $Fe^{3+}$ по значению оптической плотности = 1.080.

Решение

Воспользуемся преимуществом интерактивного графика.

Ответ

$m(Fe^{3+}) = 2.129$ мг.