Адсорбция красителей

Адсорбцией красителей пользуются для определения удельной поверхности различных веществ, что может быть объяснено сравнительно простой техникой эксперимента, а также тем, что в ряде случаев, например на производствах, необходима сравнительная оценка поверхностей одного и того же или подобных материалов. Такая сравнительная оценка величины поверхностей может быть проведена методом адсорбции красителей.

В зависимости от природы красителя адсорбция его может протекать различно. Известно, что одни адсорбенты адсорбируют только кислые красители, другие – преимущественно основные. Кроме того, наиболее тонкие поры могут быть недоступны для молекул красителей, так что поверхность их не будет учтена при соответствующих определениях.

Количество адсорбированного из раствора красителя может быть определено с помощью фотометрического метода. Известно, что интенсивность света уменьшается при прохождении через какую-либо материальную среду, в частности за счет поглощения определенного количества световой энергии.

Окрашенные растворы также обладают свойством поглощать световую энергию. Использование этого свойства в практике фотометрического анализа базируется на законе Бугера-Ламберта-Бера, который является выражением двух самостоятельно сформулированных законов.

Закон Бугера-Ламберта. Французский ученый Пьер Бугер в 1729г. установил экспоненциальную зависимость ослабления света при прохождении его через вещество. Немецкий ученый Ламберт вывел эту же зависимость в 1760 г., изучая рассеяние света.

Если световой поток с интенсивностью I₀ падает на кювету с раствором, то часть его отражается от поверхности кюветы I_отр, часть будет поглощена раствором I_n, и часть пройдет через кювету I_t. Так как I_отр мала и ею можно пренебречь, то I₀=I_n+I_t.

В результате многочисленных экспериментов Бугер и Ламберт сформулировали следующий закон: " Слои вещества одинаковой толщины, при прочих равных условиях, всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока ". Математически эта зависимость выражается уравнением:

I_t = I₀*e ^–k'l, (3.5)

где e - основание натурального логарифма; k' - коэффициент поглощения; l - толщина слоя.

Положив в основу десятичную систему логарифмов, получим уравнение

I_t = I₀*10 ^{-k l}, (3.6)

Легко показать, что коэффициент поглощения k численно равен обратной величине толщины слоя растворов в сантиметрах, ослабляющего интенсивность проходящего через него светового потока в 10 раз:

I_t / I₀ = 10 ^-kl; kl = 1; k = 1/ l (3.7)

Таким образом, поглощающая способность любого раствора может быть охарактеризована значением k. Коэффициент поглощения зависит от природы растворенного вещества и длины волны падающего света. Следовательно, первый закон поглощения справедлив только для монохроматического света, т.е. для света определенной длины волны.

Закон Бера. Второй закон светопоглощения был установлен в 1852 г. Изучая поглощение света растворами, Бер установил, что коэффициент поглощения k пропорционален концентрации поглощающего вещества, т.е.

k = ε *С,(3.8)

где ε - коэффициент, не зависящий от концентрации; С - концентрация вещества.

Если концентрация С выражена в моль/л, а толщина поглощающего слоя l в см, то коэффициент ε называют молярным коэффициентом поглощения. Он представляет собой постоянную величину, зависящую от длины волны падающего света, природы растворенного вещества, природы растворителя, температуры раствора и соответствует поглощению одномолярного раствора анализируемого вещества.

Объединяя эти законы, получим уравнение основного закона светопоглощения - закона Бугера - Ламберта - Бера:

I_t = I₀*10 ^-εсl (3.9)

Отношение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор I_t, к интенсивности падающего светового потока I₀ носит название прозрачности, или пропускания, и обозначается буквой T:

T = I_t / I₀ =10 ^-εcl

Величина T, отнесенная к толщине слоя в 1 см, называется коэффициентом пропускания.

Логарифм величины, обратной пропусканию, носит название оптической плотности D:

D = lg(1/T) = lg(I₀ / I_t) = e∙c∙l (3.10)

Из этого следует, что оптическая плотность D прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе.

Применение закона Бугера-Ламберта-Бера к растворам красящих веществ, а также к коллоидным растворам основывается на положении, что как растворитель, так и дисперсионная среда в случае коллоидных растворов практически не поглощают свет.

Таким образом, если между источником света и фотоэлементом поставить кювету с раствором красителя, то в зависимости от концентрации исследуемого раствора произойдет определенное уменьшение интенсивности падающего на фотоэлемент света. С помощью фотоэлектрического колориметра можно определить прозрачность или оптическую плотность исследуемых растворов. Если провести подобные фотоэлектрические измерения растворов до адсорбции, то, зная концентрации исходных растворов с и показания прибора, можно построить градуировочную кривую, нанося на ось ординат значения оптической плотности, а на ось абсцисс – концентрации исследуемых растворов. Проведя фотоэлектрические измерения растворов после адсорбции, по градуировочной прямой находят значения равновесных концентраций растворов после адсорбции. По изменению концентраций растворов до и после адсорбции определяют количество адсорбированного вещества [формула (3.1)].

Дата добавления: 2015-07-24