Колориметрія – це один з найпростіших методів фотометричного аналізу, в основі якого вимірювання близького до монохроматичного (але не монохроматичного) світла забарвленими розчинами у видимій частині спектру.

Основою спектрофотометрії є вимірювання поглинання розчином суто монохроматичного світла.

Забарвлення при колориметричних і спектрофотометричних дослідженнях, як правило, викликають шляхом додавання до розчину, що містить досліджувану речовину, реактивів, які взаємодіють з цією речовиною з утворенням забарвлених продуктів.

Вимірюючи світопоглинання досліджуваного розчину або порівнюючи одержане забарвлення із забарвленням розчину відомої концентрації, визначають вміст забарвленої речовини у розчині, що аналізується.

При колориметруванні застосовують кольоровий світловий потік, що проходить скрізь світлофільтр і має в результаті цього вузькі спектральні межі. За допомогою світлофільтрів виділяється та частина спектру, в якій розташований максимум поглинання у спектрі досліджуваної речовини.

Основними вузлами всіх фотоелектроколориметрів є

• джерело світла (лампа розжарювання та ртутно–кварцова лампа),

• приймач світла (фотоелемент),

• кювети із забарвленим та стандартним розчинами,

• реєструвальний прилад (гальванометр),

• пристрій для зміни ширини щілини перед фотоелементом (діафрагма).

Принцип роботи фотоелектроколориметрів ґрунтується на вимірюванні інтенсивності забарвлення розчинів фотоелементами. При цьому світло від лампи розжарювання направляється конденсором в щілину діафрагми, з якої вузький пучок поліхроматичного світла потрапляє через об’єктив і теплозахисний фільтри на світлофільтри, що служать для виділення вузьких ділянок спектру з суцільного спектру випромінювання лампи. В подальшому світловий потік з вузьким діапазоном довжини хвиль, проходячи захисне скло, направляється в кювету з розчином, з якої, послаблений розчином, світловий потік потрапляє через захисне скло на фіксуючий фотоелемент , який працює у межах 315 – 540 нм, або фотодіод при вимірюванні в межах спектру 590 – 980 нм. Пластина ділить світловий потік на 2 частини, з яких приблизно 90% направляється на фотоелемент і 10% – на фотодіод . Для врівноваження фототоків при роботі з різними кольоровими світлофільтрами перед фотодіодом встановлений світлофільтр, а більш рівномірне освітлення фотоприймачів (фотодіода і фотоелемента) досягається за допомогою матових стекол.

Отже, світловий потік, проходячи через кювету з розчином, що аналізується, потрапляє на фотоелемент. Останній перетворює світлову енергію на електричну. Електричний струм, що виникає при цьому, вимірюється гальванометром. Сила цього струму прямопропорційна інтенсивності освітлення.

Для запобігання потрапляння денного світла до фотоприймачів (при відкриванні кришки кюветної камери), встановлена металева заслінка, що автоматично закривається при відкриванні кришки.

Максимум пропускання світлофільтра повинне збігатися з максимумом поглинання розчину. Світлофільтри на ФЕК встановлюють з різною довжиною хвилі в області максимуму пропускання. Світлофільтри пропускають лише ту частину спектра, яка поглинається забарвленим розчином, і затримують іншу.

Кожен світлофільтр повинен мати певне забарвлення, що співвідноситься із забарвленням аналізованого розчину.

Кювети мають робочу довжину 5, 10, 20, 30 та 50 мм. Для аналізу інтенсивно забарвлених розчинів беруть кювети з меншою робочою довжиною, і навпаки.

Для розчину порівняння (“нульового” розчину), відносно якого визначається оптична густина досліджуваних розчинів, як правило, використовують чистий розчинник (дистильовану воду, спирт тощо). У цьому разі оптична густина розчину визначається тільки концентрацією розчинених у ньому речовин. Правильніше використовувати як “нульовий” розчин усі “реактиви”, які добавляють до досліджуваних розчинів, за винятком тих, після добавляння яких виникає забарвлення розчину.

Чим вища оптична густина “нульового” розчину, тим вища чутливість фотометричних визначень.

Крім оптичної густини досліджуваного розчину, вимірюють оптичні густини серії стандартних розчинів. На підставі цих визначень креслять графік залежності оптичної густини від концентрації. За графіком можна знайти концентрацію досліджуваного розчину.

Побудова калібрувального графіка. При визначенні вмісту речовини у великій серії зразків найбільш зручно користуватися калібрувальним графіком.

Для його побудови у 5 – 6 мірних колб на 50 або 100 мл наливають зростаючі кількості досліджуваного компонента у вигляді стандартного розчину.

Після забарвлення розчину (згідно з технікою проведення аналізу) вимірюють його оптичну густину на фотоелектроколориметрі. Потім на міліметровому папері будують калібрувальний графік. Для цього на осі ординат (вертикальна вісь) відкладають оптичну густину D, а на осі абсцис (горизонтальна вісь) – відповідну їй концентрацію речовини. Нанесені точки з’єднують плавною лінією. Так само проводять визначення досліджуваного розчину. Знаходять його концентрацію за графіком опускаючи перпендикуляр на вісь абсцис.

Далі проводять розрахунок за формулою:

x – вміст компонента, мг/100 г ґрунту;

V – об’єм розчину, взятого для забарвлення, мл;

m – знайдена за графіком маса компонента, мг;

V₁ – загальний об’єм розчину в колбі, мл;

m₁ – маса наважки речовини, взятої для аналізу, мг.

Калібрувальний графік слід періодично перевіряти, так як з часом чутливість приладів змінюється.

7.2. Полуменево–фотометричний аналіз

Полумунева фотометрія. Полуменево–фотометричний аналіз належить до емісійного спектрального методу аналізу. Отримані при згоранні розпиленого розчину в полум’ї пальника спектри називають спектрами випромінювання, або емісійними спектрами, звідки і назва методу. Інтенсивність випромінювання атомів пропорційна вмісту їх в розчині, який ввели в полум’я. За допомогою калібрувального графіка знаходять вміст елемента, який визначається із серії стандартних розчинів.

В полум’ї відбувається ряд процесів: випаровування розчинника з утворенням твердих частинок речовини, випаровування цих твердих частинок з утворенням атомної пари, дисоціація молекул на атоми, часткова іонізація, збудження атомів, повернення атомів у вихідний стан з випромінюванням квантів світла.

Інтенсивність випромінювання в емісійних методах вимірюють в полуменевих фотометрах, перетворюючи світловий потік на електричний струм (фотострум) за допомогою фотоелементів.

Основними вузлами всіх полуменевих фотометрів є: пальник, в який подається газова суміш, аналізований розчин у вигляді аерозолю, інтерференційних світлофільтр, що пропускає випромінювання тільки того елемента, який визначається, фотоелемент і гальванометр, компресор для подавання повітря, балон із стисненим газом, розсіювач.

Принцип роботи полуменевого фотометра. Аналізована речовина розпилюється пульверизатором: туман, який утворюється при цьому, вводиться в полум’я пальника (температура 1700 – 3000°С). Конус полум’я дає спектр, що складається з ліній з характерною для кожного елемента довжиною хвилі (інфрачервоної лінії калію, червоної – кальцію, жовтоъ – натрію і т.д.). Одну з ліній виділяють інтерференційним світлофільтром і спрямовують на фотоелемент, який здатний перетворювати світлову енергію випромінювання на електричну. Фотострум, який виникає при цьому, вимірюють мікроамперметром.

За допомогою полуменевого фотометру визначають калій, кальцій, магній, натрій та ін.

Тривалість одного вимірювання 25 – 30 сек.

У полуменевих фотометрах широко використовують полум’я ацетилено–повітряні суміші (t = 2300ºС) або полум’я пропан–бутан–повітряної суміші (t = 1800ºС).

Побудова калібрувального графіка. При визначенні вмісту речовини у великій серії зразків найбільш зручно користуватися калібрувальним графіком. З цією метою готують зразкові розчини із зростаючим вмістом елемента, що визначається.

Потім на міліметровому папері будують калібрувальний графік. Для цього на осі ординат (вертикальна вісь) відкладають інтенсивність випромінювання, яка відповідає показанням амперметра, а на осі абсцис (горизонтальна вісь) – значення концентрації розчину. Нанесені точки з’єднують плавною лінією. Відхилення від прямолінійної залежності може спостерігатися на початку і в кінці кривої, що відповідає малим і дуже великим концентраціям.

Так само проводять визначення досліджуваного розчину. Знаходять його концентрацію за графіком опускаючи перпендикуляр на вісь абсцис.

Далі проводять розрахунок за формулою:

x – вміст компонента, г–екв/100 г ґрунту або %;

V – об’єм витяжки, який відповідає взятій для аналізу наважці, мл;

m – знайдена кількість елемента, мг/мл або гр–екв/мл;

m₁ – маса наважки речовини, взятої для аналізу, мг.

Перед тим, як розпочати вимірювання, слід чітко уявити собі етапи фотометричного визначення і суворо дотримуватись правил роботи на полуменевому фотометрі.

7.3. Потенціометричний аналіз

Потенціометричний аналіз – один з електрохімічних методів аналізу, в основі якого вимірювання потенціалу електрода, зануреного в досліджуваний розчин, або, інакше кажучи, визначення іона за величиною електрорушійної сили (ЕРС) гальванічного елемента.

Гальванічний елемент складається з двох електродів (вимірювальний електрод і електрод порівняння), а його ЕРС являє собою різницю потенціалів цих електродів.

Потенціал окремовзятого електрода виміряти не можна. Для цього складають гальванічний елемент з вимірювального електрода і електрода порівняння, потенціал якого відомий.

Електроди порівняння. Електроди з відомим і сталим потенціалом називають електродами порівняння. Прикладом таких електродів служить насичений хлорсрібний електрод, який виготовляють методом електролітичного нанесення хлориду срібла на срібний дріт. Електрод занурюють в розчин хлориду калію, який міститься в посуді, зв’язаному солевим містком з розчином, що вимірюється.

При визначенні рН розчинів, як правило, користуються скляними мембранними електродами. Головна їх частина – тонка скляна мембрана у формі кульки, що припаяна до скляної трубки. В середину кульки наливають 0,1М розчин соляної кислоти.

Для визначення концентрації інших іонів найчастіше користуються індикаторними електродами з відповідними мембранами з матрицями з органічних полімерів. Принцип їх дії в цілому схожий із дією скляних електродів. Однією з важливих характеристик таких електродів є селективність, тобто можливість проведення вимірювань концентрацій досліджуваних іонів в присутності інших.

Широко розповсюджені мембранні електроди, призначені для визначення калію, кальцію, натрію, срібла, амонію, магнію, хлору, йоду, нітрату тощо. Ці електроди можна використовувати в парі з електродом порівняння, заповненим концентрованим розчином хлориду калію.

ЕРС вимірюють спеціальними приладами – потенціометрами, які також називають рН–метрами, або іономірами.

Особливістю потенціометричного методу є виконання вимірювань у каламутних розчинах, суспензіях, пастах. Під час потенціометричних вимірювань концентрація досліджуваних розчинів майже не змінюється, а для роботи потрібні невеликі об’єми розчинів.

7.4. Рефрактометричний аналіз

Рефрактометричний аналіз – метод оптичного аналізу, що ґрунтується на вимірюванні показника відбивання світла при переході з одного середовища в інше.

Принцип методу: на межі двох середовищ при переході світла з одного прозорого середовища в інше напрямок променя світла змінюється, оскільки промінь відбивається. Показником відбивання буде відношення синуса кута падіння променя sin α до синуса кута йог відбивання sin β: . Для кожної речовини показник відбивання є сталою величиною.

Принцип роботи рефрактометра Е.Аббе: на поверхню вимірювальної призми наносять піпеткою або скляною паличкою аналізований розчин і проводять відлік показань за шкалою.

7.5. Поляриметричний аналіз

Поляриметричний аналіз грунтується на явищі поляризації світла оптично активними речовинами. При цьому між кутом обертання площини поляризації і концентрацією розчину існує прямо пропорційна залежність: чим концентрованіший розчин, тим більший кут обертання. Цей метод широко використовують для визначення вмісту сахарози в коренях цукрових буряків і крохмалю в зерні і картоплі.

Зміна кута обертання площини поляризації світла оптично активними речовинами зумовлена наявністю асиметричного атома вуглецю в їхній молекулі. За допомогою поляриметрів проводять кількісний аналіз оптично активних речовин.

Цукрометр є різновидом поляриметра. Ці прилади використовують для вимірювання кута обертання площини поляризації світла. Проходячи крізь шар оптично активних речовин площина поляризації світла може повертатися вліво або вправо.

У цукрометрі СУ–5 (цукрометр універсальний) на шкалі замість кута обертання α нанесено значення концентрації сахарози у відсотках. Перевіряють цукрометр–поляриметр за дистильованою водою. При однаковій освітленості обох половин поля зору нуль ноніуса на приладі шкали збігається з нульовою поділкою шкали.

Аналіз ґрунтів

8. Відбір зразків грунту
та підготовка їх до аналізу

8.1. Суть грунтово–агрохімічного обстеження сільськогосподарських угідь

Грунтово–агрохімічне обстеження сільськогосподарських угідь – це перша і найважливіша ланка суцільного грунтово–агрохімічного моніторингу. Основним завданням його є масовий відбір ґрунтових зразків з метою кількісного визначення показників родючості ґрунту, а при необхідності й рівнів забруднення його важкими металами, радіонуклідами та залишковими кількостями пестицидів з наступним складанням відповідних картограм, використанням одержаних даних для якісної оцінки ґрунтів, складання еколого–агрохімічних паспортів полів або земельних ділянок та розробкою на їх основі конкретних науково–обґрунтованих рекомендацій по ефективному, екологічно безпечному застосуванню агрохімічних засобів.

8.2. Вимоги до елементарних ділянок