Материал: 2031
поглощение света зависит от концентрации вещества (молекул или ионов в растворе, взвеси в суспензии и т.п.):
D lg I0 |
eЬс, |
(4.6) |
|
IЬ |
|
где e – коэффициент поглощения, величина постоянная для растворов данного вещества с определенной длиной волны; Ь – толщина слоя; c – концентрация вещества.
Уравнение (4.6) является математическим выражением закона Бугера– Ламберта–Бера (основного закона колориметрии): оптическая плотность растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества и толщине поглощающего слоя раствора (рис. 4.3).
4.3.5. Из основного закона колориметрии (4.6) вытекает важное следствие, использованное при создании колориметра погружения Дюбоска. Нальем в узкий стеклянный цилиндр с плоским дном (рис. 4.4) какой-либо окрашенный раствор и будем наблюдать изменение интенсивности его окраски сверху вниз при условии, что поток света проходит через раствор снизу, через дно цилиндра.
Рис. 4.1. К выводу закона Бугера–Ламберта
Рис. 4.2. Зависимость оптической плотности D от толщины поглощающего слоя Ь
4.3.6. При толщине поглощающе-го слоя Ь1 концентрация красителя будет c1 интенсивность выходящего потока света равна I1.
Согласно закону Бугера–Ламбер-та–Бера оптическая плотность зависит как от толщины слоя, так и от концентрации вещества, следовательно
D lg I0 |
eЬc . |
(4.7) |
1 |
1 1 |
|
|
I1 |
|
|
|
19 |
Затем, добавляя растворяющую жидкость, увеличим объем раствора, например в два раза. При этом толщина поглощающего слоя вырастет до Ь2 , после чего опять будем сверху наблюдать интенсивность окраски. Этому разбавленному раствору соответствует оптическая плотность D2 :
Рис. 4.3. Закон Бера. Зависимость оптической плотности раствора D от концентрации окрашивающего вещества c
D2 lg I0 I2 (4e.Ь8)2c2.
4.3.7. При разбавлении раствора вдвое концентрация красителя уменьшилась в два раза, т.е.
c2 c1
2,
но число частиц красителя во всем объеме раствора на пути прохождения света осталось тем же (это справедливо, если при разбавлении не произошло разрушения или химического изменения веществакрасителя), поэтому доля поглощенного раствором света в разбавленном растворе при толщине слоя Ь2 2Ь1будет такой же, как и в исходном. Если это так, оптические плотность в обоих случаях будет равна, т.е.
Рис. 4.4. К выводу уравнения (4.9) зависимость интенсивности окраски раствора от концентрации красителя и толщины слоя
D1 D2,
откуда
eЬ1c1 eЬ2c2
или |
|
|
|
c1 c |
Ь1 |
Ь . |
(4.9) |
2 |
|
2 |
|
4.3.8. Из уравнения (4.9) следует, что при достижении одинаковой интенсивности окраски двух растворов вещества-красителя его
20
концентрации в них обратно пропорциональны толщинам поглощающих свет слоев раствора. Таким образом, если измерены и известны Ь1 и Ь2 и концентрация вещества-красителя в исходном (стандартном) растворе c1, то, исходя из уравнения (4.9), концентрацию c2 в испытуемом растворе можно рассчитать по формуле
c c1Ь1 . |
(4.10) |
|
2 |
Ь2 |
|
|
|
|
4.3.9. Именно основной закон колориметрии Бугера–Ламберта–Бера (4.6) и особенно вытекающее из него, как следствие, уравнение (4.10) лежат в основе приборов, называемых колориметрами погружения, основным узлом которых являются (рис. 4.5) две стеклянные кюветы 1, одна из которых заполнена окрашенным раствором с известной концентрацией красителя c1, а другая – с неизвестной c2 , в которые с помощью кремальер погружаются стеклянные стержни 2 (каждый независимо от другого), глубина погружения которых в виде расстояния конца стержня от дна кюветы Ь1 и Ь2 измеряется по нониусу отсчетной шкалы. Таким образом, устанавливая сначала Ь1, затем, изменяя Ь2 , подбирают его таким образом, чтобы выравнять по интенсивности половину светового пятна 7, соответствующую раствору с c2 , с половиной, соответствующей раствору с c1. Следует иметь в виду, что оптическая схема прибора такова (см. рис. 4.5), что левое полупятно соответствует правой кювете, а правое – левой. Установленные и измеренные значения Ь1 и Ь2 и известное значение c1 используются в уравнении (4.10) для определения концентрации c2 в испытуемом растворе красителя. На рис. 4.5 и 4.6 изображены общий вид и разрез колориметра КОЛ-1М, являющегося колориметром погружения.
4.3.10. Сущность измерений на таком колориметре сводится к следующему: в одну кювету наливают стандартный окрашенный раствор, в другую – испытуемый окрашенный раствор. Если концентрации красителя в них равны, то при одинаковом погружении стеклянных стержней (одинаковой толщине слоя раствора) будет наблюдаться одинаковое окрашивание обеих половин светлого пятна в поле зрения окуляра. Если же испытуемый раствор окрашен, например, слабее, то одинаковое окрашивание обеих половин светлого пятна будет наблюдаться при увеличении толщины слоя испытуемого раствора (соответствует поднятию стеклянного стержня). Вращая кремальеры подъемного механизма, изменяют толщину испытуемого раствора до тех пор, пока обе половинки светлого пятна в поле зрения окуляра не станут одинаково окрашенными.
21
4.4. Рабочие гипотезы
Возможны следующие рабочие гипотезы: 1. Минеральные порошки из разного сырья обладают разной адсорбирующей способностью. 2. Наиболее сильной способностью адсорбировать битум из раствора обладают минеральные порошки из карбонатного и основного сырья (известняка, мрамора, серпентинита). 3. Адсорбционная способность минеральных порошков растет с повышением тонкости их помола (с ростом удельной поверхности).
4.5. Используемые материалы и реактивы
1.Минеральные порошки из трехчетырех видов сырья, в том числе природного (песка кварцевого, мрамора, известняка, серпентинита, гранита) и техногенного (золы ТЭС, шлаков, горнорудных хвостов и др.), с различной тонкостью помола.
2.Водорастворимые красители (метиленовый голубой, метил оранж и т.п.).
3.Сильные органические растворители (бензол, толуол).
4.Битум нефтяной дорожный вяз-
кий.
Рис. 4.5. Принципиальная схема колориметра погружения: 1 – кюветы; 2 – стеклянные стержни, погружаемые в кюветы с окрашенными растворами; 3 – лампа; 4 – линза-конденсор; 5 – стеклянная призма; 6 – линза окуляра; 7 – световое пятно, видимое в окуляр и разделенное на две половины с выравниваемой интенсивностью окраски
4.6.Используемые приборы и оборудование
1.Весы лабораторные квадрантные технические ВЛКТ – 1 шт.
2.Мерные цилиндры или стаканы – по числу бригад (от 4 до 6).
3.Колбы конические или химические стаканы – по числу бригад.
4.Стеклянный сосуд с притертой пробкой для хранения раствора битума в органическом растворителе – 1 шт.
5.Сита с отверстиями 0,08; 0,16; 0315; 0,63; 1,25; 2,50; 5,00 мм.
6.Колориметр КОЛ-1М или КФК – 1 шт.
4.7.Порядок определения при использовании колориметра
КОЛ-1М
4.7.1. Приготовить стандартный (исходный, эталонный) водный
22
раствор вещества-красителя (ccm 0,005г/л) или бензольный раствор битума (ccm 1 2 г/л) – 0,5л.
4.7.2.Приготовить навески каждого порошка (m 2г).
4.7.3.С помощью мерного цилиндра или стакана отмерить 50 мл стандартного раствора (см. п. 4.7.1), вылить его в колбу и осторожно (через воронку) высыпать туда навеску порошка, перемешать полученную суспензию покачиванием колбы (не взбалтывая) в течение 2–3 мин, после чего оставить колбу в покое на 5 мин для отстаивания.
а б
Рис. 4.6. Колориметр погружения: а – прибор КОЛ-1М; б – схематический разрез КОЛ-1М; 1 – лампа; 2 – конденсатор; 3 – кюветы; 4 – раствор; 5 – призма; 6 – окуляр; 7
– отсчетная шкала; 8 – маховик перемещения погружателя; 9 – патрон лампы; 10 – луч нониуса отсчетной шкалы; 11 – диск светофильтров; 12 – трансформатор; 13 – кожух
4.7.4. В это время налить стандартный раствор с концентрацией красителя ccm, мг/л, в одну из кювет прибора КОЛ-1М, установить её в гнездо прибора, затем во вторую кювету налить испытуемый окрашенный раствор, часть красителя из которого адсорбировалась навеской порошка и поэтому окраска которого стала бледнее стандартного, и также установить её в свободное гнездо прибора KOЛ-lM.
4.7.5.Поворачивая диск светофильтров 11 (см. рис. 4.6), выбрать такой, при котором разница в яркостях половин светлого пятна 7 (см. рис. 4.5) наиболее заметна.
4.7.6.С помощью кремальеры 8 (см. рис. 4.6), управляющей погружением стеклянного стержня 2 (см. рис. 4.5) в кювету со стандартным раствором 1 (см. рис. 4.5), руководствуясь показаниями нониуса вертикальной отсчетной шкалы 7 и 10 (см. рис. 4.6), установить
23