Фотометрический метод основан на измерении поглощения немонохроматического света с применением упрощенных способов монохроматизации (светофильтры).

Метод визуальной колориметрии также является част­ным случаем применения немонохроматического излучения видимого участка спектра.

Как известно, при поглощении системой некоторого количе­ства лучистой энергии атомы вещества будут возбуждаться и перехо­дить на более высокий энергетический уровень. В однородной систе­ме, которую мы имеем в случае спектрофотометрии и фотометрии, количество энергии поглощения находится в прямой зависимости от концентрации вещества в растворе.

В неоднородной системе, при действии на нее светового по­тока, будет наблюдаться также явление рассеяния лучистой энергии, что используется в методах нефелометрии, турбодиметрии.

При применении указанных трех методов ход анализа обычно имеет три этапа:

1. Приготовление окрашенного раствора анализируемого вещества путем добавления соответствующего реагента (лучше комплексообразующего).

2. Измерение оптической плотности полученного окрашенно­го раствора.

3. Проведение расчетов по определению концентрации ве­щества, находящегося в растворе.

Зависимость между основными параметрами: концентрацией вещества в растворе и поглощением излучения - определяется объе­диненным законом Бугера-Ламберта-Бера.

Когда поток излучения (с интенсивностью 1₀) падает на по­верхность кюветы (стеклянный сосуд с плоскими стенками) с раство­ром, то часть его (с интенсивностью Ir) отражается от поверхности кюветы, часть (с интенсивностью 1а) будет поглощаться раствором и только часть (It), пройдет через него. Поэтому между этими величи­нами будет следующая математическая зависимость:

I₀=Ir + Ia + It. (1)

При пользовании одной и той же кюветой (что чаще всего бывает на практике) интенсивность отраженного света постоянна. Учитывая, что в случае водных растворов, с которыми обычно имеют дело в абсорбционном анализе, эта величина невелика, то ею можно пренебречь. Тогда получим:

Io~Ia + It. (2)

la зависит от наличия в растворе молекул или ионов вещест­ва. Непосредственно эту величину определить нельзя. Она узнается по разности интенсивностей падающего света (/о) и света, прошед­шего через слой анализируемого раствора (It).

Таким образом, проходя через раствор, световой поток теря­ет часть своей интенсивности, и тем большую, чем больше молекул или ионов будет в растворе. Поэтому степень ослабления светового излучения будет зависеть не только от природы вещества, но и от концентрации (с) и толщины слоя его (I).

Н.Бугером и И.Ламбертом была установлена зависимость ме­жду поглощением световой энергии и толщиной слоя окрашенного раствора. Эта зависимость может быть сформулирована так: относи­тельное количество поглощенного окрашенной средой света не зави­сит от интенсивности первоначального излучения. Каждый слой равной толщины поглощает одну и ту же часть проходящего монохроматического излучения.

---

Математически этот закон выражается следующим уравнением:

it - 1(>е , \3)

где It - интенсивность светового потока после прохождения через раствор; 1₀ - интенсивность падающего светового потока; е - основание натуральных логарифмов; / - толщина слоя рас­твора; к - коэффициент поглощения.

Коэффициент к зависит от природы поглощающего вещества, численно он равен обратной величине толщины слоя поглощающего вещества, ослабляющего интенсивность падающего излучения в 10 раз, т.е.

///;„= 1/ю.

Если формулу (3) записать, применив десятичные логариф­мы, то будем иметь:

lt~l₀W^u. (4)

Закон Н. Бугера и И. Ламберта справедлив для монохромати­ческого излучения, т.е. излучения с. определенной длиной волны.

А. Бером было изучено изменение поглощения светового по­тока слоем раствора постоянной величины (/) при изменении концен­трации вещества в нем и установлено, что поглощение потока излу­чения прямо пропорционально числу частиц поглощающего вещест­ва, через которое проходит данный поток излучения. Этот закон мо­жет быть выражен математически следующим образом:

к^ЕС, (5)

где £ - коэффициент пропорциональности, который называют коэф­фициентом поглощения или погашения; С - концентрация раствора поглощающего вещества.

Объединив формулы (4) и (5), получим математическое выра­жение объединенного закона Бугера-Ламберта-Бера:

It = I₀10-^eCl. (6)

Разделив правую и левую части уравнения на величину Iq, получим:

Выражение It /1₀ называют пропусканием или прозрачностью раствора и обозначают буквой Т и тогда можно написать:

Г = Л//₀=/(Г^£С/. (7)

При 1=1 см Г носит название коэффициента пропускания, ко­торый может быть выражен в процентах. Обратная величина пропус­кания, или прозрачности, /₀ / /, называется непрозрачностью или поглощением.

Десятичный логарифм непрозрачности называется оптиче­ской плотностью D. Следовательно,

Ј> = /g/₀//, = eC/. (8)

Из уравнения (8) следует, что оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации окрашенного анализируемого веще­ства и толщине слоя раствора.

Следует иметь в виду, что величина е зависит от способа вы­ражения концентрации и толщины слоя поглощающего раствора. Так, при / = 1 см и С= 1 моль/л е называется молярным коэффициен­том поглощения. В этом случае D = е.

Молярный коэффициент поглощения е является основной характеристикой поглощающей системы, которая находится в опре­деленной зависимости от длины волны Я поглощаемого излучения. Следовательно, зависимость D от Я определяется зависимостью еот Л.

5.2.1. Визуальная колориметрия

Колориметрия - один из наиболее простых методов аб­сорбционного анализа и является частным случаем использования немонохроматического излучения видимого участка спектра. Он ос­нован на сравнении окраски анализируемого и стандартного раство­ров.

Известно, что окраска растворов связана с их способностью поглощать световые излучения с определенной длиной волны. Длину волны монохроматического излучения измеряют в настоящее время в нанометрах: 1 нм - 10'⁹ м.

---

Излучения с длиной волны, равной от 100 до 400 нм, образу­ют невидимую, ультрафиолетовую (УФ) часть спектра; излучения с длиной волны от 400 до 760 нм дают видимую область спектра, с величиной свыше 760 нм образуют инфракрасную (ИК) область Спектра.

Необходимо помнить, что понятие «окрашенный раствор» Г- или «окраска раствора» имеет условное значение и может рассматриваться как частный случай поглощения сплошного излучения ви­димой части света. Чем интенсивнее окраска раствора, тем больше концентрация вещества или иона в данном растворе. Если же окра­ски исследуемого и стандартного растворов одинаковы, то это зна­чит, что содержание вещества в них, при всех других равных услови­ях, одинаково.

Уравнивание окраски стандартного и исследуемого растворов можно произвести изменением толщины слоя исследуемого раствора. Рассмотрим методы визуальной колориметрии.

1. Метод уравнивания (метод изменения толщины слоя). Сущность метода уравнивания заключается в том, что если имеются
два окрашенных раствора, содержащих одно и то же вещество, но в различных концентрациях, то поглощение будет соответственно
равно: D^cCh и D₂ = e₂C₂l₂.

Путем изменения толщины слоя этих растворов можно до­биться оптического равновесия, так как, несмотря на различные кон­центрации, интенсивность светового потока, прошедшего через оба раствора, будет одинакова. При этом

D, = D₂ и е, С, I, = е₂ С₂1₂. Так как коэффициент поглощения е один и тот же, то C,li~C]h или li/h = C₂/C,. (9)

Уравнение (9) показывает, что произведение концентрации раствора на толщину его слоя для обоих растворов при одинаковой наблюдаемой окраске имеет одинаковое значение. Метод уравнива­ния может быть применен к растворам в интервале концентраций, отвечающих закону поглощения Бугера-Ламберта- Бера.

2. Метод стандартных серий. При применении этого ме­тода не требуется соблюдения основного закона колориметрии. Ис­следуемый раствор сравнивают с набором стандартных растворов. Стандартные растворы должны отличаться друг от друга по своей концентрации не менее чем на 10-15%.

Если окраска анализируемого раствора идентична окраске стандартного, то концентрация их одинакова. В том случае, когда окраска раствора испытуемого вещества находится между окраской двух ближайших стандартных образцов, то концентрация его вычис­ляется как средняя арифметическая величина.

5.2.2. Фотометрия

Если в методах визуальной колориметрии содержание веще­ства (иона) определяется на глаз путем сравнения окраски раство­ров, то при фотометрии об интенсивности прошедшего через раствор света судят по силе фототока, который возбуждается в фотоэлемен­тах и регистрируется или гальванометром, или каким-либо другим детектором (приемником), например индикаторной лампой.

Из уравнения закона Бугера-Ламберта-Бера: D = £ С/ неиз­вестную величину С можно определить, зная оптическую плотность раствора D. Для непосредственного измерения этой величины можно применить приборы, носящие название «фотоэлектроколориметры» -ФЭК. В качестве монохроматизатора применяют светофильтры.

---

Точность фотометрических методов зависит от индивидуаль­ных особенностей фотометрической реакции, характеристик приме­няемого прибора и других факторов. Обычно относительная погреш­ность метода составляет 1-2 %. Экспериментальным путем, а также теоретическими расчетами установлено, что результаты получаются более точными, если измерения оптических плотностей выполняют в пределах 0,2<D<0,7,

Существует несколько приемов фотометрических измерений: метод градуировочных графиков; метод молярного коэффициента поглощения; метод добавок; метод дифференциальной фотометрии.

Чаще всего применяется метод градуировочных графиков. В соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера график в коорди­натах «оптическая плотность - концентрация» должен быть линеен, и прямая должна проходить через начало координат. Для высокой точности определения концентрации различных ионов при анализе градуировочные графики строятся по 15-20 точкам, результаты обра­батываются методом наименьших квадратов.

5.2.3. Спектрофотометрия

Спектрофотометрия основана на тех же законах светопогло-щения, что и фртоколориметрия. В отличие от последней в спектро-фотометрии исследуют поглощение монохроматического света, т.е. излучения в узком интервале длин волн (±1-2 нм). В связи с этим повышается точность определений и снижается предел обнаружи­ваемых концентраций. Поэтому спектррфотометрический метод осо­бенно пригоден для определений малых количеств веществ. Другим преимуществом спектрофотометрического анализа является возмож­ность исследования бинарных и многокомпонентных систем путем измерения оптической плотности раствора при различных длинах волн монохроматического света, включая ультрафиолетовую види­мую и инфракрасную области спектра. Существует множество разно­видностей спектральных методов.

Метод УФ-спектрофотометрии основан на определении веществ по собственному поглощению света. Многие органические соединения, растворенные в том или ином растворителе, характери­зуются способностью поглощать УФ-лучи. Анализ проводят без пред­варительной обработки исследуемого раствора, он основан только на собственном поглощении определяемых веществ. При таких определениях достигается довольно высокая чувствительность (0,2-0,5 мкг/мл). В качестве растворителей используют воду, этилен, гексан, гептан, изооктан и др. Очень важно, чтобы растворитель не содержал примесей, поглощающих в той же области, что и исследуе­мые вещества. Измерения светопоглощения проводят главным обра­зом в диапазоне 220-370 нм. При более низких значениях длин волн сильнее сказывается влияние посторонних веществ.

Метод УФ-спектрофотометрии применяют при анализе пести­цидов и при контроле вредных веществ (антибиотиков) на предпри­ятиях фармацевтической промышленности на участках сушки и фа­совки препаратов, где сопутствующие примеси практически отсутст­вуют.

---

Количественное определение соединений методом УФ-спектрофотометрии основывается на аддитивности поглощения. В простейшем случае смеси двух компонентов имеется два основных метода определения поглощения индивидуальных веществ.

Нефелометрия и турбидиметрия. При прохождении света через дисперсные системы (аэрозоли, суспензии, эмульсии) происхо­дит рассеяние или поглощение излучения частицами дисперсной фа­зы. Это явление положено в основу нефелометрии и турбидиметрии. Метод, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, называется нефелометрией. При турбидиметрическом методе анализа измеряют ослабление интенсивности светового потока при прохождении через дисперсную систему. Чувствительность нефело-метрических и колориметрических методов примерно одинакова, но первые характеризуются несколько более высокими погрешностями измерений. Отечественная промышленность выпускает нефелометр жидкостной фотоэлектрический с микро-ЭВМ типа НФО и турбиди-метр фотоэлектрический ТФ.

Инфракрасная спектрометрия. Спектры поглощения в инфракрасной области связаны с изменением колебательного и вра­щательного энергетического состояния молекул и содержат чрезвы­чайно специфичную информацию о строении химических соединений и наличии в их молекулах различных функциональных групп. Вследствие этого ИК-спектрометрия стала высокоэффективным методом идентификации органических веществ и расшифровки их структуры.

ИК-область спектра - от 0,8 до 200 мкм. Эту область в зави­симости от различных колебательно-вращательных энергетических уровней молекул можно разбить на несколько участков. Ближняя ИК-область занимает диапазон примерно от 800 до 2500 нм (от 0,7 до 2,5 мкм) и непосредственно примыкает к видимой области света. Пи­ки поглощения в этой области обусловлены валентными колебаниями водорода между другими атомами молекулы и вследствие слабой ин­тенсивности эти спектральные полосы редко используют для иссле­дования состава вещества.

Фундаментальная (основная) область - от 2,5 до 50 мкм. На­блюдаемые в этом интервале спектры отличаются особой специфич­ностью для отдельных структур и позволяют проводить качественные и количественные определения. Интервал 2,5 - 15 мкм наиболее час­то используют для анализа органических соединений, так как именно здесь располагаются характерные пики поглощения многих функцио­нальных групп. Область от 15 до 50 мкм включает полосы поглоще­ния, обусловленные колебаниями циклических структур и тяжелых атомов, может использоваться при исследовании неорганических соединений. К далекой ИК-области относят диапазон длин волн от 50 до 500 мкм, в которой наблюдаются спектры поглощения, обуслов­ленные низкочастотными колебаниями и вращениями молекул.

С целью снижения влияния содержащихся в атмосферном воздухе СО₂ и паров воды (интенсивно поглощающих излучение в фундаментальной области спектра) в ИК-спектрометрах используют двухлучевые оптические системы.

---

Смотрите также файлы

• Экология жилья.doc

• упп по порядку.docx

• ЕЛЕЦКИЙ Н.Д. - ОСНОВЫ ПОЛИТИЧЕСКОЙ ЭКОНОМИИ.doc

• Кино Италии. Неореализм.doc

• метод. 1 курс ЗО.doc