Проектная работа "Фотометрия"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Дмитровская средняя общеобразовательная школа № 1

им. В.И. Кузнецова

Научно-практическая конференция «Перспективный проект»

Секция «Химия»

Тема: «Определение концентрации меди в растворе фотометрическим методом»

Работу выполнили:

Зверева Арина Владиславовна,

ученица 10 «Б» класса.

Научный руководитель:

Крайнева Ирина Николаевна,

учитель химии и биологии.

г. Дмитров

2018 год

Содержание

1.Введение

В настоящее время наша экономика переживает период большого экономического промышленного кризиса. Специальности, связанные с экономикой, юриспруденцией становятся неактуальными. Являясь учениками старших классов, мы давно задумались над выбором профессии. Профессию необходимо выбрать по призванию, но и важна и материальная составляющая, чтобы она приносила материальное обеспечение в современных рыночных отношениях. Сейчас правительство всерьез обеспокоено тем, что наше производство, нашу промышленность надо поднимать, поэтому начали поддерживать приоритетные направления в науке и технике. В странах с развитой экономикой понимают, что без развития наук естественного цикла не будет развития ни медицины, ни промышленного производства. К тому же на базе государственного университета «Дубна» с 4 по 9 декабря 2017 года мы приняли участие во всероссийских  отборочных соревнованиях  Worldskills компетенция  «Лабораторный химический анализ», где заняли первое место (Приложение 1). В настоящее время движение WorldSkills приобретает огромное значение в нашей стране. Россия выиграла право на проведение мирового первенства WorldSkills Competition в 2019 в Казани. Поэтому нас очень заинтересовала профессия инженера и лаборанта химического анализа, и мы решили попробовать реализовать себя в этой профессии. Специалисты этих профессий могут работать в различных отраслях промышленности: химической, нефтехимической, анилинокрасочной, лакокрасочной, фармацевтической, строительных материалов, а также в научно-исследовательских институтах, учреждениях образования.

Цель нашей работы: научиться работать в условиях химической лаборатории с химической посудой, изучить прибор фотоколориметр ПЭ-5300В, чтобы применить фотометрический метод для определения концентрации меди в растворе .

Задачи наших исследований:

1) Научиться работать с химической посудой, соблюдая правила техники безопасности.

2) Научиться правильно готовить растворы для химического анализа.

3) Используя научную литературу, изучить фотометрический метод анализа, который является одним из самых старых и распространённых методов физико-химического анализа.

5) Ознакомиться с работой прибора, на котором будет производиться работа (фотоколориметр ПЭ-5300В).

Гипотеза: мы предполагаем, что в условиях химической лаборатории университета возможно определить концентрацию меди в растворе фотометрическим методом.

Актуальность работы: распространению фотометрического метода анализа способствовала сравнительная простота необходимого оборудования, высокая чувствительность и возможность применения для определения почти всех элементов периодической системы и большого количества органических веществ. Исследования проводились в условиях химической лаборатории Международного университета природы, общества и человека « Дубна». Период проведения эксперимента с 04.12.2017г. по 06.12.2017 г.

План работы

1) Знакомство с химической посудой и работа с ней.

2) Тренировка в приготовлении растворов.

3) Приготовление стандартного рабочего раствора.

4) Градуировка прибора. Приготовление градуировочных растворов.

5) Обработка и оформление результатов измерения.

2.Литературный обзор

Многих интересует вопрос о том, почему тот или иной предмет имеет определённые цвета, так почему мир цветной? Наш глаз способен воспринимать только видимый диапазон спектра, то есть, определенные электромагнитные колебания. Чтобы человек воспринимал синий цвет, на сетчатку должны попасть электромагнитные волны, длина которых равна 440 нанометров, для красного цвета – 570 нанометров, а зелёного – 535 нанометров. Красивый цвет раствора медного купороса поглощает все лучи спектра, а отражает синий (Приложение 1). В большинстве случаев концентрация меди в природных водах не превышает десятой доли мг/л, а в водопроводной воде она может быть существенно увеличена. Повышенное содержание меди в питьевой воде, а точнее в водопроводной, можно объяснить вымыванием этого металла из труб и арматуры.  Повышенное содержание меди в питьевой воде определяется неприятным вяжущим привкусом, также повышенная концентрация этого металла пагубно влияет на состояние человеческого организма. Когда она достигает 1,0 мг/л в обязательном порядке требуется проводить очистку питьевой воды с использованием специальных фильтров. Среди физических методов исследования органических веществ весомое место заняли методы, основанные на изучении спектров поглощения. Общий смысл их сводится к следующему: когда свет или любое электромагнитное излучение проникает через вещество, то происходит поглощение света. Сущность этого явления состоит в том, что энергия света частично превращается во внутреннюю энергию вещества – энергию его электронов, ядер, атомов, молекул.

Подчиняется поглощение света квантовым законам: поглощается не любой свет, а только тот, энергия фотонов которого соответствует разностям энергий двух состояний молекулы – основного и возбужденного, которое возникает после поглощения данного кванта. Бором сформулирована математическая запись этой закономерности:

E-E₀=hⱱ,

где E- энергия возбужденного состояния, E₀-энергия основного состояния, h- постоянная Планка, ⱱ- частота излучения. Если через вещество проходит «белый» свет, т.е. лучи разных длин волн, то поглощается только та часть которая отвечает приведенному уравнению. Поглощение может наблюдаться не только в видимой части спектра, а также и в невидимых – инфракрасной, ультрафиолетовой. Чем ближе друг к другу находятся оба энергетических уровня (возбужденного и основного), тем меньше расход энергии на возбуждение, тем меньшей энергией может обладать фотон света, тем меньше его частота и больше длина волны. Электроны σ – связей нуждаются для своего возбуждения квантов с большей энергии, эти электроны малоподвижны. Поэтому предельные углеводороды, простые эфиры, спирты поглощают в ультрафиолетовой области. Непредельные углеводороды, имеют подвижные π- электроны, поэтому поглощение сдвигается в длинноволновую область – в область квантов с меньшей энергией. Кванты длинноволнового излучения (инфракрасные лучи) имеют относительно небольшую энергию, возбудить электроны они не могут. Для выполнения нашей работы, мы изучили закон Бугера – Ламберта – Бера:

Т= ;

Т – коэффициент пропускания света через раствор, I и I₀ – конечная и исходная интенсивность света.

D = lg Т=ε*C*l

D – оптическая плотность раствора; ε – коэффициент светопоглощения (величина постоянная для данного окрашенного вещества); C – концентрация вещества, l – толщина светопоглощающего слоя (толщина оптического слоя, толщина кюветы). Главное следствие из этого закона, что  оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя. Можно выявить линейную зависимость оптической плотности от концентрации [5].

ГОСТ 4388-72 этот стандарт распространяется на воду питьевую и устанавливает определение массовой концентрации меди колориметрическим методом. Установление меди в питьевой воде осуществляют, если массовая концентрация меди от 0,02 до 0,5 мг/дм , то  с реактивом диэтилдитиокарбаматом натрия (определение меди в ионной форме); если массовая концентрация меди 0,002 до 0,06 мг/дм, то  с реактивом диэтилдитиокарбаматом свинца (определяют общую массовую концентрацию меди); если массовая концентрация меди от 0,1 до 1,2 мг/дм  с реактивом пикрамин-эпсилон (определяют общую массовую концентрацию меди).

3.Объекты и методы исследования

Средства измерений реактивы, вспомогательное оборудование, материалы:

1. Фотоэлектроколориметр различных марок

2. Кюветы с толщиной слоя 50 мм

3. Посуда лабораторная стеклянная мерная по ГОСТ 29227: пипетки мерные 1-2 см³ с делениями 0,01 см³ и 5 см³ с делениями 0,1 см³

4. Колбы мерные, объемом 100,00 см³

5. Цилиндры мерные по ГОСТ 1770, вместимостью 10 см³, 50 см³

6. Стеклянные лабораторные стаканы по ГОСТ 25336

7. Водный аммиак по ГОСТ 3760, 25% - ный раствор

8. Медь сернокислая ГСО по ГОСТ 4165

9. Натрия N,N – диэтилдитиокарбамат по ГОСТ 8864

10. Соляная кислота 1:1по ГОСТ 3118

11. Растворимый крахмал по ГОСТ 10163, 0,25% - ный раствор.

12. Подобрали все реактивы чистые для химического лабораторного анализа (ч.д.а.).

Для достижения правильности достижения результатов фотометрического измерения огромную роль имеет селективность выбранного компонента и определенные этапы проведения данного анализа.

а) Длина волны. При определении в растворе одного светопоглощающего вещества длину волны выбирают на максимуме полосы поглощения. Если в спектре имеется несколько полос, выбор обычно останавливают на наиболее интенсивной, так как работа в области максимума светопоглощенения обеспечивает наиболее высокую чувствительность определения.

б) Светопропускание (оптическая плотность). Светопропускание (оптическая плотность) – фотометрическое исследование растворов, имеющих 0,03 ≥ D ≥ 2,0, характеризуется большими погрешностями.

в) Толщина светопропускающего слоя. Чем больше толщина слоя, по уравнению Бугера-Ламберта-Бера, тем больше оптическая плотность и, следовательно, тем более чувствительным будет определение. Особенно при работе с растворами увеличение толщины слоя (длины оптического пути) приводит к возрастанию потери на рассеяние света. Обычно для фотометрии растворов применяются Кюветы с толщиной слоя приблизительно 5 см [1].

г) Чувствительность и точность метода. Минимальную концентрацию, которую можно определить фотометрическим методом, обычно рассчитывают из соотношения: Cmin= Dmin/ (ε · l). Если для ориентировочных расчетов принять, что Dmin= 0,01, l = 1см и ε = 103 , то C min=0,01/1·103 =10−5моль/л. Это не минимальная концентрация фотометрического метода, так как ε может быть больше, однако значение ε = 103 свойственно многим цветным соединениям, и, таким образом, оно в какой-то степени характеризует метод. Точность фотометрических методов зависит от индивидуальных особенностей фотометрической реакции, характеристик применяемого прибора и других факторов.

д) Использование раствора сравнения. Раствор сравнения (нулевой раствор) должен представлять собой либо чистый растворитель, если измеряемый раствор состоит только из растворителя и растворенного определяемого вещества, либо растворитель, содержащий все те же компоненты и в тех же количествах, что и измеряемый раствор, за исключением определяемого вещества. Все последующие измерения проводят по отношению к раствору сравнения. Фотометрические измерения лучше проводить сразу же после приготовления растворов и достаточно быстро, так как при продолжительном нахождении в кюветном отделении с растворами нагреваются; при этом возможно появление мелких пузырьков воздуха на стенках кюветы, что искажает результаты фотометрических измерений и повышает их ошибку [4]. Сущность метода заключается в том, что ионы двухвалентной меди взаимодействуют с диэтилдитиокарбаматом натрия в слабоаммиачном растворе, образуется диэтилдитиокарбамат меди, который окрашен в желто – коричневый цвет. Диэтилдитиокарбамат меди в разбавленных растворах образует коллоидные растворы, поэтому для большей стабильности добавляют крахмал[3].

4.Экспериментальная часть

4.1 Этап 1 Знакомство с химической посудой и работа с ней.

В первую очередь мы познакомились с различными пипетками – это мерные сосуды, представляющие собой трубку или емкость с трубкой, имеющую носик с небольшим отверстием, чтобы жидкость вытекала ограниченно. Самыми распространенными объёмами являются: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; и 200 см3 . В России градуированные пипетки выпускаются: а — прямые; б — с расширением. Работать в лаборатории с лабораторной посудой достаточно сложно не только школьнику, но даже студентам первых курсов химических специальностей на занятиях по аналитической химии. Первоначально познакомившись с ГОСТом 29227–91 , начали работу с пипеткой. Чистую пипетку дважды ополаскиваем тем раствором, точный объем которого отбираем для анализа. Для этого погрузили нижний конец пипетки в раствор (не касаемся дна посуды) и засасываем его с помощью груши [1]. Потом закрываем верхний конец указательным пальцем и вынимаем пипетку из колбы. Держа ее над стаканом, придаём ей горизонтальное положение и, вращаем, чуть наклоняя пипетку, смачиваем внутреннюю поверхность от нижнего конца до метки и немного выше. После этого жидкость сливаем через нижний конец пипетки в стакан и повторяем ополаскивание. Так как перед применением пипетка мокрая, то мы её промыли один раз дистиллированной водой, затем используемым раствором три раза. Для отбора аликвоты раствора использовали те же приемы, но жидкостью заполняли пипетку до уровня, немного превышающего метку. Закрывали верхний конец пипетки указательным пальцем и вынимали пипетку с жидкостью из раствора. Левой рукой обтирают снаружи нижнюю часть пипетки полоской фильтровальной бумаги. Левой рукой берём мерную колбу с раствором и держим ее в наклонном положении, а правой рукой приставляем нижний конец пипетки к внутренней стенке колбы. При этом пипетка находиться в строго вертикальном положении, а метка – на уровне глаз. Слегка приоткрывают указательный палец, удерживающий жидкость в пипетке, и дают раствору плавно стечь до тех пор, пока нижний край мениска не будет на уровне метки. Быстро прижимают палец к верхнему краю пипетки и переносят отобранную порцию жидкости в другой сосуд. После того как стечет весь раствор, ждём еще 10–15 с. Капли, оставшиеся на сливном кончике пипетки, удаляем касанием сливного кончика стенки стеклянного сосуда. Соблюдая правила работы с химической посудой, мы не выдували часть раствора из пипетки. Мерные колбы – плоскодонные колбы различной емкости, необходимые для большинства аналитических работ.

4.2 Этап 2 Отработка техники приготовления растворов

Для того чтобы плодотворно принять участие в конкурсе, мы предварительно оттачивали технику приготовления растворов с нашим учителем химии, студентами и преподавателями кафедры химии, новых технологий и материалов университета «Дубна». На горле колбы имеется кольцевая метка, на колбе показано число, указывающее емкость колбы в миллилитрах при определенной температуре. Объём прозрачных жидкостей отмеривали по нижнему краю их мениска, а интенсивно окрашенных (например, раствор KMnO4) – по верхнему.

1. В чистую мерную колбу поместили небольшое количество растворителя, например дистиллированной воды. 2. В колбу при помощи воронки количественно внесли реагент 3. Добавили растворитель не более 2/3 объема колбы; 4. Частицы реагента, прилипшие к горлышку колбы, смыли на дно колбы; 5. Реагент полностью растворили, перемешивая содержимое колбы кругообразными движениями; 6. Добавили остальную часть растворителя, доводя объем на 0,1-1 см ниже метки; 7. Вынули воронку и, используя пипетку или промывалку, по каплям довели объем мерной колбы, таким образом, чтобы нижний край мениска касался метки. После добавления каждой капли колбу поднимаем перед собой за верхнюю часть шейки (выше метки) так, чтобы метка находилась на уровне глаз. При правильном приготовлении растворов, мы не держали мерную колбу за нижнюю часть, так как может произойти искажение объема за счет тепла от руки. 8. В горлышке колбы выше метки остались капли растворителя, их мы удалили при помощи фильтровальной бумаги. 9. Шлифы колбы и притертой пробки протёрли досуха; 10. Перемешали раствор. Для этого колбу переворачиваем, плотно придерживая пробку, и интенсивно вращаем в течение 5-10 с. После этого колбу перевернули дном вниз и оставили до тех пор, пока вся жидкость не стечет со стенок горлышка. Процедуру повторяем 5-10 раз. Прежде всего, убеждались , прочно ли закрыта колба и не будет ли при переворачивании ее вытекать жидкость.

4.3 Этап 3 Приготовление стандартного рабочего раствора меди с концентрацией 10,00 мг/дм³

Сущность метода: метод основан на измерении оптической плотности (D) синего раствора аммиаката меди (II), полученного в результате реакции: Cu⁺² + 4NH₄ОН⇄ [Cu(NH₃)₄]₂+ + 4H₂О

и использовании функциональной зависимости оптической плотности от концентрации Cu(II) согласно закону Бугера-Ламберта-Бера D = ε𝜄с.

Рабочий раствор готовим разбавлением основного раствора в 10 раз. Вносим 10,00 см³ раствора с концентрацией 100,00 мг/дм³ в мерную колбу на 100,00 см³ , доводим до метки. В день применения готовили раствор.

4.4 Этап 4 Градуировка прибора. Приготовление градуировочных растворов для определения меди.

Взяли пипетку на 25 мл. Надели по технике безопасности очки, так как работаем в первую очередь с аммиачным раствором, делали обязательно всё в резиновых перчатках. В семь мерных колб, вместимостью 50,00 см³ внесли пипеткой 25 см³ дистиллированной воды, потом 0,0; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 см³ раствора меди массовой концентрацией 10,00 мг/дм³ , а в первую мерную колбу раствор меди мы не внесли. Прибавили затем последовательно5,0 см³ раствор аммиака, 1,0 см³ раствора крахмала и 5,0 см³ раствора N,N – диэтилдитиокарбамата натрия. Как только мы добавили каждый реактив, тщательно перемешиваем, оставляем на 10 минут. Соответственно массовая концентрация меди в стандартных растворах будет равна: 0,04; 0,1; 0,2; 0,4;0,6 мг/дм³ . Раствор, который не имеет в своём составе меди, будет раствором для сравнения. Это необходимо для соблюдения нормативных правил по эксплуатации прибора, а затем компьютерной обработки данной работы. Обязательно готовили растворы в день их использования, иначе результаты могут быть неверными. Мы приготовили две серии стандартных растворов. При визуальном определении сравнение окраски исследуемого раствора со шкалой стандартных растворов производят сверху на белом фоне. Настроили прибор на длину волны 450 нм и проводим замеры градуировочных растворов 2 раза в порядке возрастания концентрации в кювете толщиной поглощающего слоя 30 мм. Работали оперативно, т.к. шкалы устойчивы в течение одного часа. Данные занесли в таблицу 1 (Приложение 5). Для построения градуировочного графика используют оптические плотности окрашенных стандартных растворов, приготовленных для визуального определения. Строят график зависимостей оптической плотности от концентрации меди в мг/дм³.

4.5 Этап 5 Обработка и оформление результатов измерения

По формуле высчитываем массовую концентрацию меди (х):

Х= ,

где С – концентрация меди, полученная в результате определения по градуировочному графику, мг/дм³; V- объем пробы, взятый для анализа, см³. Окончательным результатом анализа мы взяли среднеарифметическое результатов двух параллельных определений. Концентрация равна 0,015 мг/дм³. Наши измерения не допускали расхождения между пробами 25%, что соответствует стандартам. Результаты округляли до второго десятичного знака. Допускаемые результаты (А) в процентах вычисляем по формуле:

А= ;

где х₁ – самый большой результат из двух исследуемых параллельных проб, х₂ – самый маленький результат. Суммарная погрешность (∆) определения меди не превышает ±25% при доверительной вероятности 0,95. Результат исследования представляем в виде ¯x ±∆,мг/дм³ при доверительной вероятности Р=0,95[2].

На второй день нашего конкурса, нам принесли неизвестную концентрацию меди. Для определения меди в исследуемом растворе в мерную колбу на 50 мл взяли для анализа немного испытуемого раствора. Он может содержать от 0,01 до 0,5 мг Cu⁺². Раствор тщательно перемешали, наполнили им кювету с рабочей шириной 1 см и измерили его абсорбционность (светопоглощение раствора), при тех же условиях, при каких был получен градуировочный график. Зная светопоглощение, нашли по нему концентрацию иона Cu⁺² в мг на 1 мл раствора. Умножив ее на объем всего анализируемого раствора (10мл), вычислили общую массу меди. Массовая концентрация ионов меди в растворе вычисляется по формуле: Х = (5,7*1000)/10 = 570мг/л.

Выводы

1) Научились работать с химической посудой, соблюдали везде правила техники безопасности.

2) Научились готовить растворы для химического анализа.

3) Проанализировали научную литературу, изучить фотометрический метод анализа.

5) Ознакомиться с работой прибора, на котором производились исследования (фотоколориметр ПЭ-5300В).

6) Приготовили стандартный раствор, выбрали светофильтр, построили градуировочный график, определили концентрацию меди в исследуемом растворе и обработали результаты. Концентрация меди в данной пробе воды соответствует норме.

Заключение

Фотометрия представляет собой метод количественного анализа, особенно для определения микроколичеств веществ. Метод дает возможность определить концентрацию вещества в растворе в тех случаях, когда вещество имеет собственную окраску либо приобретает окраску путем воздействия на него соответствующего химического реагента. спектрофотометрические методы анализа применяются для определения многих (более 50) элементов периодической системы, главным образом металлов. Методами абсорбционной спектроскопии анализируются руды, минералы и иные природные объекты, продукты переработки обогатительных и гидрометаллургических предприятий. Эффективно используются эти методы в металлургической, электронной, химической и других отраслях промышленности, в медицине, биологии и т. д. Можно сказать, что фотометрические методы анализа занимают особое положение в аналитической химии и находят огромное применение во всех отраслях промышленности. Построение графиков и вышеизложенных линейных и нелинейных зависимостей используется и в медицине, когда выполняется биохимические анализы, определяются концентрации белка, гемоглобина в крови, тоже строятся калибровочные графики и изучается определённая закономерность[7]. Подобный анализ делают и с плазмой крови. В клинико-диагностических лабораториях на основе оптической плотности раствора определяют также концентрацию НАДН (восстановленная форма кофермента никотинамидадениндинуклеотида). При установлении молекулярных формул многих органических полимеров, входящих в наш организм, также применялись данные методы анализа. В биохимическом анализе определяют спектр поглощения растворов веществ и находят длину волны, соответствующую максимуму поглощения. Затем готовят серию стандартных растворов с различным содержанием определяемого компонента и измеряют их оптическую плотность при выбранной длине волны и толщине слоя[6]. Интоксикация медью является губительной для организма, ее причисляют к одной из основных причин серьезных нарушений нервной системы, а также неправильного функционирования печени и почек. Поэтому в обязательном порядке необходима особая очистка питьевой воды от меди[7]. Этим методом часто определяют концентрацию меди в воде питьевой. В дальнейшем мы планируем определить концентрацию ионов меди в воде питьевой.

Список использованной литературы:

1. http://www.tehno.com/product.phtml%3Fuid%3DB00120045035CB

2. http://docs.cntd.ru/document/464630171

3. http://lectmania.ru/2x2857.html

4. http://www.mnvnauka.ru/2017/01/Dekhtyar2.pdf

5. Лабораторный практикум по общей химии : Учеб. пособие для студ. нехим. спец. вузов / И. А. Бровкина [и др.] ; ред. А. А. Таперова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Высш. шк., 1996. - 318 c.

6. Лебедева, М.И. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа : учеб. пособие / М.И. Лебедева. Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 216 с.

7. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия том 2 2-е изд. - М.: Высшая школа, 2003. - 559 с.: в 2-х книгах. 5.

Приложение 1

Участие в областных соревнованиях  Worldskills компетенция  «Лабораторный химический анализ»

Чтобы появился синий цвет, на сетчатку должны попадать электромагнитные волны, длина которых равна 440 нанометров

Приложение 2

Этап 1 Отработка техники приготовления растворов

Этап 2 Маркировка химической посуды и работа с ней, изучение нормативной документации

Приложение 3

Этап 3 Приготовление стандартного рабочего раствора

меди с концентрацией 10,00 мг/дм³

Этап 4 Градуировка прибора. Приготовление градуировочных растворов для определения меди

Приложение 4

Этап 5 Обработка и оформление результатов измерения

Построение градуировочного графика

Зависимость оптической плотности раствора от его концентрации

Таблица 1 Оптическая плотность приготовленных растворов