Лекция № Методы и приборы фотометрического

анализа

Вопросы:

1. Колориметрические методы анализа

2. Фотометры, спектрофотометры

1. Колориметрические методы анализа

Свет представляет собой электромагнитное излучение с определённым диапазоном длин волн. Весь набор электромагнитных колебаний простирается от радиоволн до сверх коротких рентгеновских и гамма-лучей.

1. гамма – излучение, 2.рентгеновские лучи, 3. ультрафиолетовое излучение, 4. видимая область, 5. инфракрасное излучение, 6. микроволны, 7. ультра-коротковолновое излучение, 8. радиоволны.

Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитные колебания в очень узком интервале (частично ультрафиолетовая видимая и часть инфракрасной). Для фотометрического анализа наиболее важное значение электромагнитное излучение со следующим интервалом длин волн (табл.1.):

Таблица 1

Длина волны (нм)
200-300	300-400		400-700			Выше 700
Ультрафиолетовая				Видимая	Инфракрасная
"дальний"		"ближний"
ультрафиолет		ультрафиолет

Длины волн измеряются по системе СИ в нанометрах (нм) или, что то же самое, в миллимикронах (ммк). Единицы эти численно равны:

1 ммк = 0,001 мк или 10^-9м и 1 нм = 10^-9 м.

Граница видимости фиолетовой части спектра несколько изменяется в зависимости от индивидуальности зрения того или иного человека. Большинство людей не способно воспринимать лучи света короче 400 нм. Границей видимости красной части спектра считается свет с длиной волны 750 нм. В видимой области спектра с изменением длины волны электромагнитного излучения изменяется и его цветовой тон. Цвет вещества, воспринимаемый человеком, является дополнительным к тому цвету (то есть к тем длинам волн), который поглощает вещество. В табл. 2 приведены "цвета" поглощаемого света и цвета веществ, в который они кажутся окрашенными.

Таблица 2

Зависимость цветового тона от длины волны электронного излучения

Длина волны, нм	Энергия, кДж/моль	Цвет поглощенного света	Цвет вещества
400-435	299-275	Фиолетовый	Жёлто-зелёный
435-480	274-249	Голубой	Жёлтый
480-490	249-244	Зеленовато-голубой	Оранжевый
490-500	244-238	Голубовато-зелёный	Красный
500-560	238-214	Зелёный	Пурпурный
560-580	214-206	Жёлто-зелёный	Фиолетовый
580-595	206-200	Жёлтый	Голубой
595-605	200-198	Оранжевый	Зеленовато-голубой
605-750	198-149	Красный	Голубовато-зелёный

Колориметрическим (от английского colour – цвет) называется метод анализа, основанный на сравнении качественного и количественного изменения потоков видимого света при их прохождении через исследуемый раствор и раствор сравнения. Определяемый компонент при помощи химико-аналитической реакции переводится в окрашенное соединение, после чего измеряется интенсивность окраски полученного раствора. При измерении интенсивности окраски проб с помощью прибора фотоколориметра метод называется фотоколориметрическим. Соответственно, при измерении интенсивности окраски визуальным способом (например, оценивая интенсивность окраски сравнительно с каким-либо образцом) метод называется визуально-колориметрическим.

    Основной закон колориметрии – закон Бугера–Ламберта–Бера записывается следующим образом:

где:  D – оптическая плотность раствора;         I₀ и I – интенсивность светового потока, попадающего на раствор (I₀) и прошедшего через раствор (I);         ε – коэффициент молярного светопоглощения – коэффициент экстинкции (величина, постоянная для данного окрашенного вещества), л х г-моль–1 х см–1;         C – концентрация окрашенного вещества в растворе, г-моль/л;         l – толщина поглощающего свет слоя раствора (длина оптического пути), см.

    После обработки и добавления реагентов пробы приобретают окраску. Интенсивность окраски является мерой концентрации анализируемого вещества. При выполнении анализа визуально-колориметрическим методом определение проводится в колориметрических пробирках, колбах кюветах.

    Колориметрические пробирки представляют собой обычные, широко используемые в лабораториях пробирки из бесцветного стекла, имеющие внутренний диаметр (12,8±0,4) мм. Колориметрические пробирки могут иметь несколько меток («5 мл», «10 мл»), показывающих объем (и, следовательно, высоту), до которого следует наполнить пробирку пробой, чтобы обеспечить удобные и близкие условия для визуального колориметрирования. Обычно колориметрические пробирки стараются подобрать одинаковой формы и диаметра, т.к. от последних зависит высота слоя окрашенного раствора. Аналогично подбираются и склянки для колориметрирования (обычно это аптекарские флаконы диаметром до 25 мм).

    Наиболее точные результаты при анализе визуально-колориметрическим методом достигаются, если сравнивать окраску пробы с окраской модельных эталонных растворов. Их приготавливают заранее с помощью реактивов-стандартов по методикам. Следует иметь в виду, что возникающие в процессе колориметрических реакций окраски обычно малоустойчивы, поэтому при описании приготовления растворов приводят, при необходимости, и сроки их хранения.

    Для упрощения визуального колориметрирования при полевых анализах окраску раствора-пробы можно сравнивать не с эталонными растворами, а с нарисованной контрольной шкалой, на которой образцы воспроизводят окраску (цвет и интенсивность) модельных эталонных растворов, приготовленных с соблюдением заданных значений концентрации целевого компонента. Контрольные шкалы, применяемые при визуальном колориметрировании в составе некоторых тест-комплектов, приведены на цветной вкладке.

    За результат анализа при визуальном колориметрировании принимают то значение концентрации компонента, которое имеет ближайший по окраске образец контрольной шкалы либо модельного эталонного раствора. Результат анализа представляют в виде:

«близко к________ мг/л».

Фото. Шкала осадков

    В случаях, когда окраска раствора-пробы в колориметрической пробирке окажется имеющей промежуточную интенсивность между какими-либо образцами на контрольной шкале, результат анализа записывают в виде:

«от _______ до _______ мг/л».

    Если окраска раствора-пробы в колориметрической пробирке окажется интенсивнее крайнего образца на шкале с максимальной концентрацией, проводят разбавление пробы. После повторного колориметрирования вводят поправочный коэффициент для учета степени разбавления пробы. Результат анализа в этом случае записывают в виде: 

«более___________мг/л». значение максимальной концентрации по шкале

Окрашенные пробы, полученные при выполнении анализов, можно колориметрировать также с помощью фотоэлектроколориметров. При таком способе определяют оптическую плотность растворов-проб в стеклянных кюветах с длиной оптического пути 1–10 см из комплекта фотоэлектроколориметра (можно использовать и кюветы с большей длиной оптического пути, однако в этом случае следует проводить анализ с увеличенным в 2–3 раза объемом пробы). Приборное колориметрирование позволяет существенно повысить точность анализа, однако требует большей тщательности и квалификации в работе, предварительного построения градуировочной характеристики (желательно не менее 3 построений). При этом измеряют значения оптической плотности модельных эталонных растворов. При анализах полевыми методами в экспедиционных условиях удобно фотометрировать пробы с помощью полевых колориметров.

Рис.1 Отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера

Для проведения процесса измерения строится калибровочный график в координатах зависимости оптической плотности от концентрации. График является линейным в области небольших значений концентраций. При увеличении значений С наблюдается отклонение точек от линейного закона (Рис. 1.).Таким образом, на практике, закон Бугера-Ламберта-Бера соблюдается не всегда.

При практическом применении электронной спектроскопии и фотометрии необходимо учитывать следующие ограничения закона Бугера-Ламберта-Бера:

1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы отметить это ограничение, в уравнение закона вводят индекс длины волны и записывают его в следующем виде:

Индекс указывает, что значения оптической плотности и молярного коэффициента светопоглощения относятся к монохроматическому излучению с длиной волны λ. По этой причине спектрофотометры точнее фотометров

Отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера бывают:

а - положительное отклонение;

б - отрицательное отклонение

2. Коэффициент экстинкции ε_λ зависит от показателя преломления среды (n). Если концентрация раствора невелика, то его n остаётся таким же, как у растворителя и отклонения от закона не наблюдается. Изменение n в концентрированных растворах может явиться причиной отклонения от основного закона светопоглощения.

3. Пучок света должен быть параллельным.

4. Температура раствора при записи спектра должна быть постоянной.

5. Уравнение закона соблюдается только для растворов, в которых светопоглощающими центрами являются частицы одного сорта. Если при изменении концентрации будет изменяться природа этих частиц (вследствие, например, кислотно-основного равновесия, ассоциации, полимеризации, диссоциации), то зависимость D от C не будет линейной, так как молярные коэффициенты погашения вновь образующихся и исходных частиц будут разными.

Спектрофотометрия широко применяется для :

-измерения концентраций паров веществ в воздухе;

-прозрачности (цветовой интенсивности) растворов;

-помутнения растворов (нефелометрия);

-светопоглощения при отражении.

Спектр поглощения — зависимость интенсивности поглощённого веществом излучения (как электромагнитного, так и акустического) от частоты. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Спектр поглощения характеризуется так называемым коэффициентом поглощения который зависит от частоты и определяется как обратная величина к расстоянию, на котором интенсивность прошедшего потока излучения снижается в e раз. Для различных материалов коэффициент поглощения и его зависимость от длины волны различны. Исторически первые наблюдения линейчатых оптических спектров поглощения в спектре Солнца проделал в 1802 году английский химик Волластон, но не придал открытию значения, поэтому эти линии были названы «фраунгоферовыми» в честь другого учёного Фраунгофера, который детально изучил их в 1814—1815 гг. Измерения спектров поглощения могут проводиться как с источником белого света так и с источниками монохроматического излучения.

Для почти свободных атомов и молекул в разрежённых газах оптический спектр поглощения состоит из отдельных спектральных линий и называется линейчатым. Разным веществам соответствуют разные спектры поглощения, что позволяет использовать спектроскопические методы для определения состава вещества. Для твёрдых веществ спектры поглощения непрерывны, но встречаются и отдельные линии. Различают УФ, видимые, ИК спектры.

Рис.2. Общий вид видимого спектра поглощения хлорофилла

Рис. 3. Вид спектров поглощения в ближней инфракрасной ИК области

Во всех случаях (УФ, видимая, ИК) связь между концентрацией вещества и оптической плотностью выражена. При снятии спектров однотипных растворов одной концентрации получаются подобные спектры расположенные в области более высоких значений оптической плотности.

Рис.4. Связь между концентрацией и величиной оптической плотности

отдельных линий поглощения