Запитання до самоперевірки:

1. Як готуються розчини методом розведення?

2. Що таке еквівалент хімічної сполуки?

3. Як розраховуються еквівалент NaOH і Н₂SO₄?

4. Коли молярна і нормальна концентрації розчинів співпадають?

5. Як розраховуються концентрації іонів Гідрогену в розчинах?

6. Як готуються буферні розчини для настройки рН-метра?

7. Як проводиться підготовка приладу до роботи та вимірювання рН розчину?

8. Який електрод використовують для визначення концентрації іонів водню?

9. Які ще електроди використовують в потенціометрії?

10. Вміст яких іонів можна вимірювати потенціометричним методом?

11. Як розраховуються концентрації гідроксоіонів в розчинах?

Лабораторна робота № 4

Фотометричне визначення концентрації речовини

Мета роботи: навчитися готувати розчини заданої концентрації і визначати концентрацію речовини фотометричним методом.

Реактиви та обладнання:

1. калій дихромат К₂Cr₂O₇ за ГОСТ 4220-75;

2. Колориметр фотоелектричний КФК-2;

3. Терези лабораторні загального призначення типу ВЛР-200г;

4. Посуд мірний лабораторний за ГОСТ 1770-74;

5. Піпетки 2-го класу з точністю за ГОСТ 20292-74;

6. Лійки скляні за ГОСТ 25336-82.

Теоретичні відомості

Фотометричний аналіз (званий також абсорбціометрією, а в видимій області спектра 400-750 нм – колориметрією), метод якісного і кількісного аналізу, оснований на вибірковому поглинанні ультрафіолетового, видимого і інфрачервоного випроміню­вання певним компонентом розчину або його сполукою з відповідним реагентом. В хімічному аналізі колориметрія – найпоширеніший метод кількісного аналізу, який дозволяє визначити концентрацію компонентів від 10^-3-10^-4% до 20-30%.

Для створення світлопоглинаючих сполук використовуються реакції: комплексоутворення; синтезу; окиснення-відновлення. Концентрацію забарвленого розчину можна визначити візуально, шляхом порів­няння за кольором зразка і серії стандартів, або за допомогою інструментальних ме­тодів, званих фотоколориметрією і спектрофотометрією.

Візуальний метод встановлює схожість або відмінність по забарвленню, але кіль­кісно різниця не визначається. Тому застосування цього методу для кількісного аналізу може бути можливим лише шляхом порівняння однакових за інтенсивністю кольору зразків. Для цього необхідно, щоб зразок і стандарти серії знаходились в ідентичних за оптичними властивостями пробірках при однаковій освітленості білим світлом, оскіль­ки колір розчину, що спостерігається, обумовлений світлом, яке відбилось від розчину або пройшло крізь нього, і є додатковим до кольору поглинутого зразком світла. Напри­клад, розчин, що поглинає світло в червоній області спектра здається синьо-зеленим, а в блакитній – жовтим.

При візуальному порівнянні розчинів зазвичай користуються компаратором.

Інструментальні методи, суть яких полягає в визначенні абсорбції монохроматич­ного світла, відрізняються від візуального методу тим, що дозволяють кількісно визна­чити різницю в поглинанні світла між досліджуваним зразком і стандартом. Спектраль­ний діапазон застосування цих методів не обмежений тільки видимою областю спект­ру (400-750 нм), а охоплює також ультрафіолетову і інфрачервону, що значно розши­рює можливості вибору оптимальних умов для вимірювання абсорбції, створення стій­ких комплексів, а в ряді випадків прямого визначення вмісту сполуки в розчині без за­стосування комплексоутворюючих реагентів.

За законом Бера нескінченно мале прирощення числа однаково поглинаючих час­тинок (молекул або атомів) призводить до поглинання однакових долей монохромати­чного випромінювання, що проходить крізь розчин. В аналітичному вигляді цю залеж­ність можна представити рівнянням Бугера-Ламберта-Бера:

(1)

або в логарифмічній формі:

(2)

де І_о – інтенсивність потоку, що падає на розчин; I – інтенсивність світлового потоку, на виході з розчину; D – оптична густина середовища, безрозмірна величина; С – молярна концентрація розчину поглинаючої світло речовини, моль/м³; l – товщина шару світлопоглинаючого розчину (названого оптичним шляхом променя в розчині), м; ε – молярний коефіцієнт поглинання, стала величина (при даній до­вжині хвилі), яка залежить від природи розчиненої речовини, м²/моль.

Для вимірювання абсорбції розчинів на практиці застосовують фотоелектроколориметри і спектрофотометри, які поділяються за типом будови на однопроменеві і двопроменеві. Двопроменеві дозволяють одночасно визначити різницю у поглинанні порівнюваних зразків, а однопроменеві – при послідовній установці. Прилади для визначення селективного поглинання світла розчинами обов'язково мають такі вузли: джерело світла, систему монохроматизації світла, фотоприй­мач, систему виміру електричного сигналу фотоприймача. Для монохроматизації світ­ла використовують інтерференційні світлофільтри і монохроматори. В якості фото­приймача застосовують фотоелемент, фотодіод або фототранзистор. Система виміру електричного сигналу і його трансформації може бути аналоговою або цифровою. На­приклад, у фотоелектроколориметра КФК-2М застосовується аналоговий спосіб виміру електричного сигналу за допомогою гальванометра, а монохроматичне світло з зада­ною довжиною хвилі отримують установкою відповідного інтерференційного світлофі­льтра між джерелом і зразком тоді, як у КФК-3 застосовується цифровий спосіб вимі­рювання і реєстрації сигналу, а для монохроматизації світла – монохроматор.

Застосування спектрофотометрів підвищує точність фотометричного аналізу, оскільки вимірювання поглинання світла у вузькій ділянці спектру характеризується більш строгою пропорційністю між концентрацією визначаємої сполуки і чисельною величиною відліку по шкалі приладу. Окрім того, застосування монохроматора дозво­ляє зменшити вплив на результати вимірювання поглинання домішок або розсіювання шляхом вибору відповідної довжини хвилі. Слід зауважити, що сучасний фотоелектроколориметр відрізняється від спектрофотометра лише за величиною роздільної здатно­сті і фактично є більш дешевою моделлю спектрофотометра. Наприклад, обладнаний монохроматором фотоколориметр КФК-3 дозволяє визначати абсорбційні характеристи­ки зразків в спектральному діапазоні від 300 до 900 нм, оцінити кількість і положення смуг у спектрі поглинання сполук або їх комплексів.

Вибір світлофільтра. Серійні фотоелектроколориметри зазвичай обладнані на­бором світлофільтрів. Вибираючи світлофільтр для вимірювання поглинання розчину досліджуваного комплексу, дотримуються наступних правил:

1) максимум пропускання світлофільтра повинен знаходитись в області розташування смуги поглинання комплексу;

2) при наявності фона, обумовленого поглинанням домішок, вибирається фільтр, смуга пропускання якого якнайменше перекривається зі смугами домішок;

3) для зме­ншення впливу розсіювання світла досліджуваним розчином вимірювання виконують при якомога більшій довжині хвилі монохроматичного світла.

Вибираючи світлофільтр, співвідносять його забарвлення із забарвленням розчину, що аналізується (табл. 1).

Таблиця 1 – Вибір світлофільтру

Забарвлення розчину	Забарвлення світлофільтра	Область максимального пропускання, нм
Жовто-зелене	Фіолетове	400-465
Жовтегоряче	Блакитний	465-482
Жовте	Зеленувато-блакитне	482-487
Жовтегоряче-червоне	Синьо-зелене	487-493
Червоне	Блакитно-зелене	493-498
Пурпурово-червоне	Зелене	498-530
Пурпурово-червонувате	Жовтувато-зелене	530-559
Пурпурове	Жовто-зелене	559-571
Фіолетове	Зеленувато-жовте	571-576
Блакитне	Жовте	576-580
Блакитне	Жовтувато-жовтогаряче	580-587
Зеленувато-блакитне	Жовтогаряче	587-597
Синьо-зелене	Червонувато-жовтогаряче	597-617
Синьо-зелене	Червоне	617-780

Кювети стандартні мають робочу довжину 5, 10, 20, 30 та 50 мм. Зазвичай роз­мір кювет для аналізу розчинів сполук або комплексів підбирається з урахуванням аб­сорбційної здатності досліджуваного розчину і оптимальної точності вимірювання, що залежить від застосованих у аналізі методу фотометрії і типу приладу (його фото­приймача).

Розчин порівняння. Згідно закону Бера ефективність поглинання світла кожним компонентом розчину, у відсутності можливості утворення димерів, не залежить від складу суміші. Як наслідок цього явища – оптичній густині D розчину n компонентів властива – адитивність (кожен поглинаючий компонент поглинає випромінювання незалежно від іншого, так що сумарна оптична густина системи є сумою оптичних густин поглинаючих компонентів), що можна представити у вигляді:

(3)

де D_λ,i – сумарна оптична густина системи; D_i,k – оптична густина k-того компонента при і-тій довжині хвилі.

Адитивність оптичної густини є підґрунтям ряду методів, методик та підходів при­йнятих в абсорбціометрії, зокрема, методики введення поправки на поглинання роз­чинника і домішок, дослідження багатокомпонентних систем та диференційного мето­ду вимірювання.

Поправку на поглинання розчинника і домішок вводять шляхом віднімання оптич­ної густини розчину порівняння (званий також "нульовим" розчином) від оптичної гус­тини розчину досліджуваної сполуки. Розчин порівняння готовлять як суміш всіх реактивів і в тих же співвідношеннях, які використовувались при приготуванні досліджуваного зразка, крім речовини, що визначається. У випадку, коли реактиви, які використовувались при приготуванні досліджуваного зразка, не змінюють оптичну густину розчину, то в якості розчину порівняння може братися розчинник (дистильована вода, органічний розчинник)

Похибка фотометричних вимірювань.

1. Абсолютний метод фотометрії. Діапазон концентрацій, що фотометрично визначаються, обмежений верхньою і нижньою межами. При високих концентраціях поглинаючої речовини інтенсивність випромінювання на виході з кювети мала і чутли­вість фотометра недостатня для її вимірювання, а при низьких концентраціях – похиб­ка в показниках приладу стає дуже великою в порівнянні з вимірюваною величиною. Оптимальна оптична густина при застосуванні фотометрів типу СФ з ваку­умним фотоелементом в якості фотоприймача в два рази вища, ніж для фотометрів типу КФК, у яких фотоприймач з внутрішнім фотоефектом. Окрім того, форма за­лежності відносної похибки від оптичної густини дозволяє в першому випадку досить точно визначити концентрацію при значеннях оптичної густини, що перевищують 2, тоді як в другому – значення найбільшої величини не перевищує 0,8. Нижня межа досить точного визначення оптичної густини в обох випадках однакова і складає приблизно 0,25.

2. Диференційний метод фотометрії. Розглянуті оптимальні межі величини оптичної густини відносяться до абсолютного методу фотометричного аналізу, коли оптична густина розчину вимірюється по відношенню до розчинника. Для розширення шкали вимірювання оптичної густини в бік зростання при забезпеченні необхідної ве­личини відносної похибки застосовують метод диференційної фотометрії.

У разі диференційного методу виміряна на фотоколориметрі або спектрофотоме­трі величина оптичної густини є різницею між абсолютними величинами оптичної гус­тини стандартного розчину і досліджуваного розчину. Таким чином, в диференційній фотометрії оптична густина досліджуваного розчину визначається як алгебраїчна сума попередньо визначеної оптичної густини зразка порівняння (стандарту) і виміряної різ­ниці оптичних густин порівнюваних розчинів. Точність диференційної фотометрії тим вища, чим більша оптична густина дослід­жуваного розчину і чим ближче її значення до відповідної величини розчину порівнян­ня. Найменша величина відносної похибки досягається при значеннях оптичної густи­ни в межах 2-3 у кожного з порівнюваних розчинів.

Диференційний метод особливо придатний для аналізу висококонцентрованих зразків. Його застосування дозволяє запобігти втратам робочого часу і зростанню похиб­ки аналізу, що пов'язано з багатократним розведенням зразка необхідним при засто­суванні абсолютного методу фотометрії. Переваги диференційного методу особливо відчутні за використання двопроменевих фотоколориметрів і спектрофотометрів типу: СФ або ФЕК.

Принцип дії цього фотометра ґрунтується на порівнянні інтенсивності світлового потоку І₀, що пройшов крізь розчинник або контрольний розчин, відносно якого ви­конується вимірювання, та світлового потоку І, що пройшов крізь досліджуване сере­довище.

Концентрацію речовини у фотометрії, як і в інших інструментальних методах аналізу, встановлюють одним з чотирьох методів.

Метод градуювального графіка. Готують серію розчинів, концентрація речовини в яких точно відома, і виміривши їх оптичну густину, будують графік у координатах C-D. Оптична густина досліджуваного розчину виміряється в тих самих умовах, що і для стандартних, а досліджувану концентрацію знаходять за графіком. Для вимірювання концентрації речовини в розчині потрібно заздалегідь вико­нати ряд операцій щодо підготовки зразків у такій послідовності:

1. вибір довжини хвилі;

2. вибір кювети;

3. побудова градуювального графіка для даної речовини;

4. вимірювання концентрації речовини.

Вибір довжини хвилі. Для забезпечення найменшої похибки у визначенні кон­центрації потрібно правильно вибрати довжину хвилі, на якій виконуватиметься вимі­рювання. Для цього за спектральною кривою розчину слід вибрати таку ділянку, на якій дотримуються такі умови:

• оптична густина має максимальну величину;

• хід кривої приблизно паралельний горизонтальній осі, тобто оптична густина мало залежить від довжини хвилі. Довжина хвилі, що відповідає цій ділянці, вибирається для вимірювання. Якщо для деяких розчинів друга умова не виконується, то робоча довжина хвилі вибираєть­ся за першою умовою.

Вибір кювети. Як зазначалось, абсолютна похибка вимірювання коефіцієнта пропускання не перевищує 0,5%. Відносна похибка вимірювання оптичної густини роз­чину буде різною і досягне мінімуму при значенні оптичної густини 0,4. Тому при роботі на фотометрі рекомендується шляхом відповідного вибору довжини кювети працюва­ти поблизу цього значення оптичної густини, наприклад у межах 0,3-0,6.

Побудова градуювального графіка. Приготувати ряд розчинів даної речовини з відомими концентраціями, що охоплюють область можливих концентрацій цієї речовини в досліджуваному розчині. Виміряти оптичну густину всіх розчинів і побудувати градуювальний графік, відкладаючи на осі абсцис відомі концентрації, а на осі ординат – відповідні їм значення опти­чної густини. Слід впевнитись у тому, що залежність концентрації від оптичної густини – лінійна, тобто виражається на графіку прямою лінією.

Вимірювання концентрації речовини в розчині. Досліджуваний розчин налити в кювети такої самої робочої довжини, за якої проводилось калібрування, і встановити вибрану довжину хвилі. Зняти покази оптичної густини і за градуювальним графіком визначити концентрацію речовини в розчині.

Метод порівняння зі стандартом. Готують тільки один стандартний розчин, максимально близький за концентрацією до досліджуваного. Вимірявши оптичні густини двох розчинів в однакових умовах, досліджувану концентрацію знаходять зі співвідношення:

(4)

Цей метод менш трудомісткий у порівнянні з методом градуювального графіка, але поступається йому за точністю у тих випадках, коли значення С_х заздалегідь не відоме. Обидва методи застосовують, коли є впевненість, що сполука аналізованого розчину мало відрізняється від сполуки стандартних розчинів.

Метод добавок. Застосовують при аналізі об'єктів, склад яких варіює в широких межах. У цьому методі до точно відомого об'єму аналізованого розчину додають точно виміряний невеликий об'єму стандартного розчину, такий, щоб оптична густина збільшилася приблизно в два рази. Досліджувану концентрацію знаходять за формулою:

(5)

де D_заг – оптична густина розчину з добавкою; D_х – оптична густина досліджуваного розчину.

Метод прямого розрахунку. Метод заснований на застосуванні рівняння:

(6)

В аналітичній практиці застосовується рідко через відсутність надійних значень для використовуваного інтервалу хвиль.