Фотометрические методы

Цель работы: изучить принцип измерения оптической плотности на

фотоколориметрах, освоить методы фотоколориметрии и научиться

применять его на практике для оценки качества продовольственных

товаров.

Необходимые реактивы, лабораторная посуда: стеклянные

палочки, химические стаканы (50, 100 см3), колбы мерные (100, 250 см3),

цилиндры (50, 10 см3), пипетки (1, 2, 5, 10 см3) образцы пива, колбасных

изделий, дистиллированная вода, реактив Грисса, раствор едкого натрия

(0,1 моль/ дм3), раствор цинка сернокислого (4,5 г/дм3), рабочий раствор

натрия азотистокислого (0,02 мг азотистокислого натрия в 1 см3),

образцовый раствор натрия азотистокислого (1 мкг азотистокислого

натрия в 1 см3).

Приборы: фотоэлектроколориметры КФК-3М, ФЭК-56 весы

аналитические, водяная баня.

18

Фотометрические методы определения концентрации растворов

основаны на сравнении поглощения или пропускания света стандартными

и исследуемыми растворами.

При прохождении через слой раствора светового потока с

интенсивностью I0 его интенсивность вследствие поглощения в слое,

отражения и рассеяния уменьшается до значения I. Интенсивность

падающего светового потока I0 в и светового потока I, прошедшего через

раствор, можно определить экспериментально.

Отношение I/ I0 называют пропусканием (Т); его значения могут

изменяться от 0 до 1, или выражают в %. Если величину Т отнести к

толщине слоя в 1 см., то ее называют коэффициентом пропускания.

Поглощение излучения характеризуют оптической плотностью:

T

I

D I lg lg 0 - = ÷ø

ö çè

= æ .

Зависимость интенсивности монохроматического светового потока

(I0), прошедшего слой окрашенного раствора, от интенсивности падающего

потока света (I), концентрации окрашенного вещества (с) и толщины слоя

раствора (L) определяется объединенным законом Бугера - Ламберта -

Бера, который является основным законом светопоглощения и лежит в

основе большинства фотометрических методов анализа:

I = I × 10- k×c×l 0 ,

где К – коэффициент светопоглощения, зависящий от природы

растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны света.

При соблюдении основного закона светопоглощения оптическая

плотность раствора прямо пропорциональна молярному коэффициенту

светопоглощения (Е), концентрации поглощаемого вещества (с) и толщине

слоя раствора (l).

D = E × c × l l

19

Степень поглощения света фотометрируемым раствором измеряют с

помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Спектрофотометриче-

ский метод – это анализ по поглощению монохроматического света, а

фотоколориметрический - это анализ по поглощению полихроматического

света в видимой области спектра. Монохроматическим светом называют

излучение, в котором все волны имеют одинаковую длину.

Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого

окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору

сравнения (нулевому раствору). В качестве раствора сравнения можно

использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все

добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым

ионом окрашенное соединение. Если добавляемый реагент и все остальные

компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не

поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора

сравнения можно использовать дистиллированную воду.

Фотометрические методы позволяют определить компоненты

химического состава пищевых продуктов и судить об их свежести,

доброкачественности. Эти методы широко применяются для определения

концентрации окрашенных веществ, при определении цвета пива,

содержания тяжелых металлов, нитритов в мясных продуктах, нитратов в

консервированных плодах и овощах.

В фотоколориметрии измерения интенсивности световых потоков

проводят с помощью фотоэлементов.

Фотоколориметрический анализ отличается достаточно высокой

чувствительностью (до 1・10–12 моль/л), воспроизводимостью,

избирательностью, простотой выполнения, дешевизной аппаратуры,

благодаря чему получил широкое распространение.

На пути светового потока в фотоколориметрах ставятся

светофильтры, которые пропускают определенную часть спектра.

Светофильтры имеют узкую полосу пропускания и применяются для

20

выделения области спектра, максимально поглощаемой веществом. Этим

уменьшаются ошибки и повышается избирательность определений.

Светофильтры подбирают опытным путем или по табличным данным.

Кюветы, применяемые в фотоколориметрии, готовят из кварца или

специальных сортов стекла, они имеют определенную толщину, которая

учитывается при расчетах.

Определение концентрации растворов на фотоколориметрах

проводят обычно с помощью калибровочного графика, методом добавок,

методом сравнения, реже другими методами.

Ход работы

Задание 1. Определение цвета пива колориметрическим методом

Метод основан на измерении оптической плотности слоя пива

определенной толщины и вычислении показателя поглощения,

характеризующего цвет пива.

Методика выполнения измерения обеспечивает получение

достоверных данных при определении цвета пива в диапазоне 0,1 - 4,0 см3

раствора йода концентрацией 0,1 моль/дм3 на 100 см3 воды.

Подготовка пробы пива

Около 200 см3 пива с температурой (20Ѓ}2)°С наливают в колбу

вместимостью 500 см3 и встряхивают, закрыв колбу ладонью,

периодически приоткрывая ее до тех пор пока не прекратится ощущение

давления изнутри.

Непрозрачное пиво фильтруют через бумажный фильтр.

Темное пиво разбавляют водой так, чтобы значение оптической

плотности было не более 0,7.

Для этого 50 см3 прозрачного пива вносят пипеткой в мерную колбу

вместимостью 100 см3 и доводят объем раствора дистиллированной водой

до метки. Если такое разбавление недостаточно берут 25 см3 пива.

Мойка кювет

21

Кюветы моют водой и ополаскивают дистиллированной водой.

Допускается применение смеси раствора соляной кислоты и этилового

спирта в соотношении 1:1.

Не допускается применение растворов щелочей, концентрированных

кислот и механическая чистка с помощью абразивных средств.

Проведение измерения

Пиво, подготовленное к испытанию, наливают в измерительную

кювету с номинальной толщиной поглощающего свет слоя 10 мм,

предварительно ополоснув ее пивом не менее двух раз. Оптическую

плотность измеряют при λmax = (440Ѓ}10) нм по отношению к

дистиллированной воде. После измерения кювету моют, как указано выше.

Обработка результатов

Показатель поглощения при длине волны 440 нм (К440) в метрах в

минус первой степени вычисляют по формуле:

1

440 2

440 L V

D V

K

×

×

= ,

где D440 – оптическая плотность при длине волны 440 нм,

L – действительная толщина слоя жидкости в кювете (длина оптического

пути), м,

V1 - объем пива, взятого для разбавления, см3

V2 - объем пива после разбавления водой, см3

Вычисления проводят до первого десятичного знака. За результат

испытания принимают среднее арифметическое результатов двух

параллельных определений, расхождение между которыми не должно

превышать 3%, и выражают целым числом.

Цвет пива определяют переводом величины показателя поглощения

в см3 раствора йода концентрацией 0,1 моль/дм3 на 100 см3 воды по

таблице 7. Результаты оформите в виде таблицы 8.

22

Таблица 7

К Цвет, см3 рас-

твора йода

концентрацией

0,1 моль/дм3 на

100 см3 воды

К Цвет, см3 рас-

твора йода кон-

центрацией 0,1

моль/дм3 на 100

см1 воды

К Цвет, см3 рас-

твора йода

концентрацией

0,1 моль/дм3 на

100 см3 воды

1 2 3 4 5 6

10 0,17 41 1,04 71 2,10

11 0,20 42 1,07 72 2,14

12 0,22 43 1,10 73 2,18

13 0,25 44 1,13 74 2,22

14 0,27 45 1,17 75 2,26

15 0,30 46 1,20 76 2.30

16 0,32 47 1,23 77 2,34

17 0,35 48 1,27 78 2,38

18 0,37 49 1,30 79 2,42

19 0,40 50 1,33 80 2,46

20 0,43 51 1,37 81 2,51

21 0,45 52 1,40 82 2,55

22 0,48 53 1,44 83 2,53

23 0,51 54 1.47 84 2,63

24 0,53 55 1,51 85 2,67

25 0,56 56 1,54 86 2,72

26 0,59 57 1,58 87 2,76

27 0,62 58 1,61 88 2,80

28 0.65 59 1,65 89 2,85

29 0,68 60 1,69 90 2,89

30 0,70 61 1,72 91 2,93

31 0,73 62 1,76 92 2,98

32 0,76 63 1,80 93 3,02

33 0,79 64 1,83 94 3,07

34 0,82 65 1,87 95 3,11

35 0,85 66 1,91 96 3,16

36 0,88 67 1,95 97 3,20

37 0,91 68 1,99 98 3,25

38 0,94 69 2,02 99 3,29

39 0,98 70 2,06 100 3,34

40 1,01

Таблица 8

23

Показатели Оптическая

плотность

Показатель

поглощения

cм3 раствора

йода

Норма

цветности по

ГОСТу

Цвет пива

Задание 2. Изучение фотометрического метода определения веществ с

помощью градуировочного графика

Сущность метода заключается в том, что для определения вещества

готовят серию из 5-8 стандартных растворов разных концентраций этого

вещества, измеряют оптические плотности стандартных растворов

относительно растворителя и строят градуировочный график зависимости

D = f(С) рис.8

Рис. 8. Градуировочный график

Определив оптическую плотность неизвестного раствора (Dx)

находят её значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс -

соответствующее ей значение концентрации Сx.

Этот метод применяют при выполнении серийных фотометрических

анализов, в частности при определении содержания нитрата натрия в

мясных продуктах, в которые нитрит натрия добавляется по рецептуре.

Учитывая токсические свойства нитрита натрия, количество его

строго регламентируется.

Сущность метода определения нитрита натрия основана на реакции

Грисса, заключается в том, что на первой стадии нитрит-ион

24

взаимодействует с сульфаниловой кислотой в кислой среде с образованием

диазониевой соли. На второй стадии происходит азосочетание

образовавшейся соли с 1-нафтиламином (реакция Грисса).

Интенсивность окраски образующегося соединения зависит от кон-

центрации ионов нитрита и измеряется при длине волны 538 нм.

Построение градуировочного графика

В 6 мерных колб вместимостью по 100 см3 пипеткой вносят рабочий

раствор: 0; 1.0; 2.0; 4.0; 6.0; 8.0 см3. 1 см3 рабочего раствора содержит 0,02

мг азотистокислого натрия. В первую колбу раствор не вносят, используя

ее как контрольную.

В каждую колбу добавляют 5 см3 раствора аммиака, 10 см3 раствора

соляной кислоты, доводят водой до метки и перемешивают. В конические

колбы вместимостью 100 см3 пипеткой переносят по 15 см3

приготовленных растворов, 15 см3 реактива Грисса и после 15 мин.

выдержки при комнатной температуре измеряют интенсивность розовой

окраски на спектрофотометре при длине волны 538 нм или

фотоэлектроколориметре с зеленым светофильтром (λ = 540 нм) в кювете

толщиной поглощающего свет слоя 2см в отношении раствора сравнения.

Готовят три серии стандартных растворов.

По полученным средним данным из трех стандартных растворов

строят на миллиметровой бумаге 25х25 см градуировочный график,

откладывая на оси абсцисс концентрацию нитрита натрия, мкг/см3, а на оси

ординат – соответствующие оптические плотности.

Получить образцы колбасных изделий и провести определение

массовой доли нитрита натрия, пользуясь приведенной ниже методикой.

Порядок проведения анализа

С колбасных изделий снимают оболочку, пробы дважды измельчают

на мясорубке с отверстиями решетки диаметром от 3 до 4 мм.

20 г пробы, подготовленной к анализу, взвешивают с погрешностью

не более 0,01 г. и помещают в химический стакан. Заливают 35-40 см3

25

дистиллированной воды, нагретой до (55Ѓ}2)°С и настаивают,

периодически помешивая, в течение 10 мин. Затем вытяжку фильтруют

через ватный фильтр в мерную колбу вместимостью 200 см3. Навеску

несколько раз промывают и переносят на фильтр, где еще промывают

водой, затем раствор охлаждают и доводят водой до метки.

20 см3 вытяжки помещают в мерную колбу вместимостью 100 см3

раствора гидроокиси натрия и 40 см3 раствора сернокислого цинка для

осаждения белков. Смесь в колбе нагревают 7 мин. На кипящей водяной

бане, после чего охлаждают, доводят до метки дистиллированной водой,

перемешивают и фильтруют через обеззоленный бумажный фильтр.

Параллельно проводят контрольный анализ на реактивы, помещая в

мерную колбу вместимостью 100 см3 вместо 20 см3 вытяжки 20 см3 дистил-

лированной воды.

В коническую колбу вместимостью 100см3 помещают 5 см3

прозрачного фильтра полученного после осаждения белков, 1 см раствора

аммиака, 2 см3 раствора соляной кислоты, 2 см3 дистиллированной воды и,

для усиления окраски, 5 см3 образцового раствора азотистокислого натрия,

содержащего 1 мкг в см3. Затем в колбу приливают 15 см3 реактива Грисса,

и через 15 мин измеряют интенсивность окраски на спектрофотометре при

длине волны 538 нм или на фотоколориметре с зеленым светофильтром (λ

= 540 нм) в кювете с толщиной поглощающего свет слоя 2 см в отношении

раствора сравнения.

Обработка результатов

Массовую долю нитрита (X) в процентах вычисляют по формуле:

6

1

20 5 10

200 100 100 30

× × ×

× × × ×

=

m

X M

где М1 – массовая концентрация нитрита натрия, найденная по

градуировочному графику, мкг/см3;

m – масса навески продукта, г;

106 – коэффициент перевода в граммы.

26

За окончательный результат испытания принимают среднее

арифметическое результатов двух параллельных определений и вычисляют

с точностью до 0,0001%.

Расхождение между двумя параллельными определениями (т.е.

выполненными одним аналитиком одновременно или непосредственно

одно за другим) не должно превышать 0,0002%.

По результатам данной работы сформулируйте заключение о

содержании в образцах колбасных изделий нитрита натрия.

27