Фотометр фотоэлектрический КФК-3-01

 


 


Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

 

Высшего профессионального образования

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине:

 

«Методы и приборы контроля окружающей среды и

 

экологический мониторинг»

 

на тему:

 

ФОТОМЕТР ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ  КФК-3-01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2011Содержание

Введение………………………..……………………………….…1

Глава I. Основы метода…………….…………………...………….…2

Глава II.Аналитический обзор существующего прибора на основе литературных источников…………..…………………………...…....7

Глава III. Аналитический обзор методики анализа объектов окружающей среды……………….………..………….…..……….…..…10

 

          Глава IV.Оптическая система……………...………..…...……………....13

Глава V. КФК-3-01…………….……………………………......................16

Глава VI. Анализ погрешностей……………………………....................18

Вывод……………………………………………….………….……….....23

Список литературы……………………………………………………….24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

   

        Для определения загрязняющих веществ используют инструментальные методы современной аналитической химии, основанные на измерении различных физических свойств определяемых веществ или продуктов их химических превращений (аналитических реакций) с помощью физических и физико-химических приборов. Результат измерения, несущий химико-аналитическую информацию, часто называют аналитическим сигналом.

        Фотометрические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий. Это могут быть (в порядке уменьшения энергии) гамма-кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое и видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение. Сигналом может быть испускание или поглощение излучения. Важнейшими для экологического мониторинга, по-видимому, являются нейтронно-активационный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия.

       Целью курсовой работы является изучит фотометрический метод анализа, ознакомиться с прибором КФК-3-01.

      Задачи:

1. Ознакомление с теоретическими  основами метода фотометрии.

2.Аналитический  обзор существующих фотометров на рынке.

3. Ознакомление с методикой анализа  определение железа  в воде.

4. Изучение оптической системы прибора КФК-3-01.

5.Анализ погрешностей возникающих  в результате измерений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава I. Основы метода

 

         Фотометрический метод анализа1, основанный на переведении определяемого компонента в поглощающее свет соединение с последующим определением количества этого компонента путём измерения света поглощения раствора полученного соединения, называется фотометрическим. По окраске растворов окрашенных веществ можно определять концентрацию того или иного компонента или визуально, или при помощи фотоэлементов – приборов, превращающих световую энергию в электрическую. В соответствии с этим различают фотометрический визуальный метод анализа, называемый часто колориметрическим, и метод анализа с применением фотоэлементов – собственно фотометрический метод анализа. Фотометрический метод является объективным методом, поскольку результаты его не зависят от способностей наблюдателя, в отличие от результатов колориметрического – субъективного метода. 

        Фотометрический метод анализа – один из самых старых и распространённых методов физико-химического анализа. Его распространению способствовали сравнительная простота необходимого оборудования, особенно для визуальных методов, высокая чувствительность и возможность применения для определения почти всех элементов периодической системы и большого количества органических веществ. Открытие всё новых и новых реагентов, образующих окрашенные соединения с неорганическими ионами и органическими веществами, делает в настоящее время применение этого метода почти неограниченным. 

        Фотометрический метод анализа может применяться для большого диапазона определяемых концентраций. Его используют как для определения основных компонентов различных сложных технических объектов с содержанием до 20 -30% определяемого компонента, так и для определения микропримесей в этих объектах при содержании их до 10-3 – 10-4 %. Комбинирование фотометрических методов с некоторыми методами разделения – хромотографическим, экстракционным позволяет на 1-2 порядка повысить чувствительность определения, доведя его до 10-5 . 

         В некоторых случаях фотометрический метод может быть применён для одновременного определения в растворе в растворе нескольких ионов, хотя его возможности ограничены. 

        Очень ценно использование фотометрических методов для решения многих теоретических вопросов аналитической и физической химии. 

        Способность химического соединения, неорганического иона и органической группировки поглощать лучистую энергию определённых длин волн используется в фотометрическом анализе.                                                  Среди неорганических веществ сравнительно немного соединений, обладающих собственной окраской: это соединения марганца (VII), хрома (VI), меди (II) и др. 

        Каждое вещество обладает способностью поглощать лучистую энергию в виде квантов энергии, соответствующих определённым длинам волн. Линии или полосы поглощения располагаются в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра. Эти полосы и линии могут быть использованы для качественного и количественного фотометрического анализа. 

        2.Основной закон фотометрии 

Если световой поток интенсивности I0 падает на кювету, содержащую исследуемый раствор, то часть этого потока Iк отражается от стенок кюветы и поверхности раствора, часть его Iа поглощается молекулами вещества, содержащегося в растворе, и расходуется на изменение электронной, вращательной и колебательной энергии этих молекул, часть Iа1 поглощается молекулами самого растворителя. 

Если в растворе присутствуют твёрдые частицы в виде мутей или взвесей, то часть световой энергии Ir отражается и от этих частиц и, наконец, часть энергии It проходит через кювету. На основании закона сохранения энергии можно написать уравнение: 

I0 =Iк +Iа +Iа1 + Ir It (1)

При анализе прозрачных растворов в уравнении (1) член Ir равен 0. при работе на протяжении всего исследования с одним растворителем член Iа1можно считать постоянным. Кроме того, растворители всегда подбирают так, чтобы они сами в исследуемой области спектра обладали минимальным поглощением, которым можно пренебречь. При использовании одной и той же кюветы значение отражённого светового потока Iкочень мало и им можно пренебречь. Поэтому уравнение (1) можно упростить: 

I0 =Iа +It (2)

Непосредственными измерениями можно определить интенсивность падающего светового потока (I0) и прошедшего через анализируемый раствор (It). Значение Iа может быть найдено по разности между I0 и It ; непосредственному же измерению эта величина не поддаётся. 

На основании многочисленных экспериментов П. Бугером, а затем и И.Ламбертом был сформулирован закон, устанавливающий, что слои вещества одинаковой толщины, при прочих равных условиях, всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока. 

        3. Закон Бугера-Ламберта 

Два раствора одного и того же соединения различной концентрации одинаковы по оттенкам цвета, но различаются по интенсивности окраски. Интенсивность окраски измеряют по ослаблению энергии светового потока определённой длины волны. Интенсивность входящего светового потока обозначают обычно I0 , а интенсивность ослабленного поглощением светового потока через I. 

Величину поглощения света можно выражать разницей этих двух величин, или их отношением. Для различных фотометрических исследований наиболее удобно выражать интенсивность светопоглощения величиной: 

 (3)

Эта величина называется оптической плотностью и постоянно применяется в различных расчётах. Удобство применения именно этой функции обусловлено прямой пропорциональностью между оптической плотностью и концентрацией, а также толщиной слоя раствора окрашенного соединения. 

Рассмотрим поглощение света раствором вещества, находящегося в кювете с параллельными стенками. Толщину слоя поглощающего свет раствора обозначим через b, а интенсивность светового потока, входящего через раствор, через I0 . разделим длину, занимаемую раствором в кювете, на b участков. Когда свет пройдёт через первый участок поглощающего свет раствора, интенсивность света ослабится в n раз и в конце первого участка будет равна 

 (4)

где n – число больше единицы. 

Конец первого участка является в то же время началом второго. Во второй участок раствора попадает, таким образом, поток света с интенсивностью I1 . при прохождении света через второй участок снова произойдёт ослабление света в такой же степени, т.е. в n раз. Таким образом, в конце второго участка интенсивность светового потока равна:  
 (5) 

 Принимая во внимание уравнение (4), получим: 

 (6)  
Таким образом, когда поток света пройдёт через всю толщину (т.е. согласно условию через b участков), интенсивность выходящего потока равна  
 (7)  
Отсюда  
 (8)  
или, логарифмируя и вводя полученное значение в уравнение (3), находим выражение, связывающее оптическую плотность D с толщиной слоя: 

 (9)  
где lgn – постоянная величина, характерная для данного вещества. Как видно из уравнения (9), численное значение lg n можно найти, установив оптическую плотность раствора в кювете длиной 1 см (b=1).  
Зависимость между оптической плотностью и толщиной слоя, выражаемая уравнением (9), называется законом Бугера – Ламберта. Зависимость (8) можно также вывести из величины поглощения в бесконечно малом слое, интегрированием на всю толщину кюветы. Для этого, аналогично сказанному выше, рассмотрим поглощение монохроматического света телом с параллельными стенками. Бесконечно тонкий слой поглощает долю энергии входящего в него параллельного монохроматического пучка света, пропорциональную толщине слоя db. Тогда относительное уменьшение интенсивности светового потока   пропорционально толщине слоя db, через который прошёл световой поток: 

 (10)  
где k – коэффициент, характеризующий поглощение света данным телом и зависящий от свойств данного тела. Этот коэффициент в широких пределах не зависит от интенсивности светового потока, только при очень больших её значениях k перестаёт быть постоянным и наблюдается зависимость k от I, т.е. возникает нелинейность поглощения и k перестаёт быть пропорциональным I. Проинтегрировав уравнение (10), получим: 

 (11)  
Логарифмируя уравнение (10), получим: 

 (12)  
Постоянный коэффициент k аналогичен величине lg n из уравнения (9), т.е. k=lg n. 

Из рассматриваемого закона вытекает: 

отношение интенсивности светового потока, прошедшего через слой раствора, к интенсивности падающего светового потока не зависит от абсолютной интенсивности падающего светового потока;  
если толщина слоя раствора увеличивается в арифметической прогрессии, интенсивность светового потока, прошедшего через него, уменьшается в геометрической прогрессии.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава II. Аналитический обзор существующих  приборов на основе литературных источников

 

Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других — одной или нескольких световых величин.               При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами3.

 

 

 

 

 

 

 

№

 Тип прибора

Марка прибора

Достоинства/ Недостатки

Общий вид прибора

Фирмы-разработчики

Адрес в сети Internet

1

 

 

 

 

 

 

 

Фотометр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UNICO 1201

Фотометр обслуживается теми же сервисными службами, что и отечественные приборы, что обеспечивает минимальные сроки сервисного обслуживания. Прибор не требует специальных пуско-наладочных работ, допускает простую замену лампы без дополнительной юстировки. Прибор готов к использованию непосредственно после доставки в лабораторию. Встроенный RS-232С порт для передачи данных в персональный компьютер позволяет работать со специализированным программным обеспечением.

UNITED PRODUCTS & INSTRUMENTS (usa)

http://www.unico-sys.ru

 

2

Фотометр

UNICO модель 2100

- Выверенная оптическая схема и простота конструкции обеспечивают гарантированную многолетнюю работу прибора. Сервисное обслуживание сводится к периодической смене лампы собственными силами. Прибор готов к работе непосредственно после доставки в лабораторию.- Встроенный мини-usb и RS-232C порт для передачи данных в персональный компьютер позволяет работать со специализированным программным обеспечением.- Имеет удобную, 10-ти значную клавиатуру.

UNITED PRODUCTS & INSTRUMENTS (usa)

http://www.unico-sys.ru

3

Фотометр

КФК-3-01

Широкий и непрерывный спектральный диапазон, который обеспечивается встроенным монохроматором на дифракционной решетке; обработка результатов и выдача их на табло с высокой точностью благодаря микропроцессорной системе

Производственная фирма Опиум

http://www.optimum-lab.ru


     Таблица №1: Аналитический обзор существующих приборов.

 

 

№

 Тип прибора

Марка прибора

Достоинства

Общий вид прибора

Фирмы-разработчики

Адрес в сети Internet

4

 

 

 

 

 

 

 

Фотометр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КФК-3

      Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности фотометра при измерении коэффициента пропускания, не более 0,5%.

Предел допускаемого среднеквадратического отклонения случайной составляющей основной абсолютной погрешности, не более 0,15%.

Дополнительная погрешность фотометра при измерении коэффициента пропускания в интервале температур от 10 до 35°С, не более 0,3%.

Диспергирующий элемент - дифракционная решетка вогнутая, R 250 мм, число штрихов 1200 на 1 мм.

Источник излучения - лампа галогенная КГМ 12-10.

Загорский Оптико механический завод

http://zomz.ru/

 

5

Фотометр

UNICO 2804

Работает в спектральном диапазоне 190-1100 нм,  имеет 2 независимых детектора для одновременного измерения  пробы и холостого раствора, спектральную щель 1,8 нм и скорость сканирования до 1000 нм/мин.Прибор специально адаптирован для отечественных условий и выпускается с учетом российских лабораторных требований. Отличается высокой точностью определения коэффициента пропускан

UNITED PRODUCTS & INSTRUMENTS (usa)

http://www.unico-sys.ru

6

Фотометр

КФК-3КМ

Спектрофотометр используется для контроля состава воды, почвы, воздуха в экологических и санитарно гигиенических исследованиях, а также при анализе сырья,готовой продукции, металлов.

UNITED PRODUCTS & INSTRUMENTS (usa)

http://www.unico-sys.ru


   Таблица №2: Аналитический обзор существующих приборов. 

Глава III. Аналитический обзор методики  анализа объектов окружающей среды

 

 

   Сущность методики определения металлов фотометрическим методом.  Метод основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в желтый цвет комплексного соединения. Интенсивность окраски, пропорциональную массовой концентрации железа, измеряют при длине волны 400-430 нм. Диапазон измерения массовой концентрации общего железа без разбавления пробы 0,10-2,00 мг/дм3. В этом интервале суммарная погрешность измерения с вероятностьюР=0,95 находится в пределах 0,01-0,03 мг/дм3.

1.  Аппаратура, реактивы:

              Фотоколориметр любого типа с фиолетовым светофильтром ( = 400         - 430 нм).

Кюветы с толщиной рабочего слоя 2-5 см.

Весы аналитические лабораторные, класс точности 1, 2 по ГОСТ 24104.

Колбы мерные 2-го класса, вместимостью 50, 100, 1000 см3 по ГОСТ 1770.

Пипетки мерные без делений вместимостью 50 см3 и пипетки мерные с ценой наименьшего деления 0,1-0,05 см3, вместимостью 1, 5 и 10 см3 2-го класса по нормативно-техническому документу.

Колбы стеклянные лабораторные конические номинальной вместимостью 100 см3, типа Кн по ГОСТ 25336.

Аммоний хлористый по ГОСТ 3773.

Аммиак водный по ГОСТ 3760, 25 %-ный раствор.

Квасцы железоаммонийные по нормативно-техническому документу.

Кислота соляная по ГОСТ 3118.

Кислота сульфосалициловая по ГОСТ 4478.

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

Все реактивы, используемые для анализа, должны быть квалификации химически чистые (х. ч.) или чистые для анализа (ч.д.а).

1.2. Подготовка к анализу

1.2.1. Приготовление основного стандартного раствора железо-аммонийных квасцов

0,8636 г железоаммонийных квасцов FeNH4 (SO4)2×12H2O взвешивают с точностью, не превышающей 0,0002 г по шкале весов, растворяют в мерной колбе вместимостью 1 дм3 в небольшом количестве дистиллированной воды, добавляют 2,00 см3 соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3 и доводят до метки дистиллированной водой. 1 см3 раствора содержит 0.1 мг железа.

Срок и условия хранения раствора - по ГОСТ 4212.

1.2.2. Приготовление рабочего стандартного раствора железоаммонийных квасцов

Рабочий раствор готовят в день проведения анализа разбавлением основного раствора в 20 раз. 1 см3 раствора содержит 0,005 мг железа.

1.2.3. Приготовление раствора сульфосалициловой кислоты

20 г сульфосалициловой кислоты растворяют в мерной колбе вместимостью 100 см3 в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят этой водой до метки.

1.2.4. Приготовление раствора хлористого аммония молярной концентрации 2 моль/дм3

107 г NH4Cl растворяют в мерной колбе вместимостью 1 дм3 в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят этой водой до метки.

1.2.5. Приготовление раствора аммиака (1:1)

100 см3 25 %-ного раствора аммиака приливают к 100 см3 дистиллированной воды и перемешивают.

1.3. Проведение анализа

При массовой концентрации общего железа не более 2,00 мг/дм3 отбирают 50 см3 исследуемой воды (при большей массовой концентрации железа пробу разбавляют дистиллированной водой) и помещают в коническую колбу вместимостью 100 см3. Если проба при отборе не консервировалась кислотой, то к 50 см3 добавляют 0,20 см3 соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3. Пробу воды нагревают до кипения и упаривают до объема 35-40 см3. Раствор охлаждают до комнатной температуры, переносят в мерную колбу вместимостью 50 см3, ополаскивают 2-3 раза по 1 см3 дистиллированной водой, сливая эти порции в ту же мерную колбу. Затем к полученному раствору прибавляют 1,00 см3хлористого аммония, 1,00 см3 сульфосалициловой кислоты, 1,00 см3 раствора аммиака (1:1), тщательно перемешивая после добавления каждого реактива. По индикаторной бумаге определяют значение рН раствора, которое должно быть  9. Если рН менее 9, то прибавляют еще 1-2 капли раствора аммиака (1:1) до рН 9.

Объем раствора в мерной колбе доводят до метки дистиллированной водой, оставляют стоять 5 мин для развития окраски. Измеряют оптическую плотность окрашенных растворов, используя фиолетовый светофильтр ( = 400-430 нм) и кюветы с толщиной оптического слоя 2, 3 или 5 см, по отношению к 50 см3 дистиллированной воды, в которую добавлены те же реактивы. Массовую концентрацию общего железа находят по градуировочному графику.

Для построения градуировочного графика в ряд мерных колб вместимостью 50 см3 наливают 0,0; 1,0; 2,0; 5,0. 10,0; 15,0; 20,0 см3 рабочего стандартного раствора, доводят до метки дистиллированной водой, перемешивают и анализируют, как исследуемую воду. Получают шкалу растворов, соответствующих массовым концентрациям железа 0,0; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мг/дм3.

Строят градуировочный график, откладывая по оси абсцисс массовую концентрацию железа, а по оси ординат - соответствующие значения оптической плотности. Построение градуировочного графика повторяют для каждой партии реактивов и не реже одного раза в квартал.

    1. Обработка результатов.

Массовую концентрацию железа (X) в анализируемой пробе, мг/дм3 с учетом разбавления вычисляют по формуле

,                                                                                                   

где с - концентрация железа, найденная по градуировочному графику, мг/дм3;

V - объем воды, взятый для анализа, см3;

50 - объем, до которого разбавлена  проба, см3.

За окончательный результат анализа принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных измерений, допустимое расхождение между которыми не должно превышать 25 % при массовой концентрации железа на уровне предельно допустимой. Результат округляют до двух значащих цифр.

Сходимость результатов анализа (А) в процентах вычисляют по формуле

,                                                                               

где Р1 - больший результат из двух параллельных измерений;

Р2 - меньший результат из двух параллельных.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава IV. Оптическая система

 

           Рисунок 1 - Схема оптическая принципиальная

Нить лампы (1) изображается конденсором (2) в плоскости диафрагмы Д1 (0,8 х 4,0), заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д1 изображается вогнутой дифракционной решеткой (4) и вогнутым зеркалом (5) в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д2 (0,8 х 4,0). Дифракционная решетка (6) и зеркало создают в плоскости диафрагмы Д2 растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы Д2 излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив (7, 8) создает в кюветном отделении слабо светящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д2 перед линзой (10). Линза (10) сводит пучок света на приемнике (11) в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра за диафрагмой Д1 установлен световой фильтр (3), который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315—400 нм, а затем автоматически выводится. В кюветное отделение (между объективом 7, 8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы (9).5 

        В атомно-эмиссионной  спектроскопии используются источники возбуждения, в них происходит возбуждение атомного состояния ядра

с основного энергоуровня на возбужденный. Переходы атомов в источниках возбуждения достигается за счёт высокого напряжения. Источники возбуждения называются атомизаторами к ним относятся: пламя, плазма, электрическая дуга, электрическая искра. В оптческой области используют диспергирующие элементы, которые разлагают спектр на отдельные линии.

        Детекторы преобразуют аналитический сигнал в цифровой.

 

Рис.1.2. Общая схема используется в атомно-эмиссионной спектроскопии во всех приборах.

1-Источник возбуждения. 2-Собирающая  линза, собирает лучи во второй  пучок, поступающий в щель. 3-Сункция  щели пропустить малую часть  второго пучка, который попадает  на монохроматор. 4- Монохроматор-это линзы, светофильтр, устройство позволяющее  выделить только одну длину волны. На выходе из монохроматора. 5-Призма разлагает монохромный свет на спектральные линии, которые можно увидеть в отдельности из всего пучка. 6-Монохраматор- увеличивающий интенсивность сигнала. 7-Детектор преобразующий световой сигнал в цифровой сигнал, попадающий на регистрирующие устройство. 8-приёмник.

 

Монохроматор-прибор, позволяющий выделит узкую полосу длины волны из широкого спектра. На узкий пучок волны попадает на призму.

         Призма-часть лучей отклоняет, часть преломляет, и под разными углами будет выходить на щель.

         Светофильтр- устройство, способное пропускать излучение некоторых длин волн и поглощать частично или полностью остальное излучение. В видимой области спектра используют цветные стёкла, охватывающие весь спектр.

        Дифракционная решётка Эберта- идёт сочетание дифракционной решётки и сферического зеркала. В приборе присутствуют две щели. Угол отражения будет настраиваться дифракционной решёткой, и сферическое зеркало служит для  фокусировки, усиления и собирания лучей.

         Интерференционные светофильтры- имеющие тонкий слой отражаемого металла(серебро, платина др.), покрытые слоем прозрачного фторида магния и ещё раз металлом. При попадании света на такой светофильтр, часть света проходит, а другая половина отражается. Каждая металлическая пластина отражает пол пучка и пропускает остаток. Часть падающего света на вторую металлическую пластину, отражает одну вторую пучка, а часть пропускает точка. Количество раз пропускания усиливает на пол пучка за счёт света, который отразился- интерферировал наружу.

        Приёмники света или детекторы.

Детекторы делятся на три большие группы:

1. Визуальные детекторы_ используется  набор окулянтов, светофильтров для наблюдения в качестве детектора используется глаз.

2. Фотографические детекторы-проекции с деспергирующего элемента выводится на фотопластинку, фотоплёнку.

3.    Фотоэлектрический детекторы- к ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлектроумножители.