3.2.Фотометрический
анализ
Каждое вещество поглощает определенные (характерные только для него) длины волн, т. е. длина волны поглощаемого излучения индивидуальна для каждого вещества, и на этом основан качественный анализ по светопоглощению.
Основой количественного фотометрического анализа является закон Бугера— Ламберта—Бера:
(1)
где I0, I – интенсивности потоков света, направленного на поглощающий раствор и прошедшего через него; с — концентрация вещества, моль/л; l — толщина светопоглощающего слоя, см; ε — молярный коэффициент светопоглощения.
Из уравнения (13.1) следует (I/I0) = 10 – εlc, откуда
lg(I/I0) = –εlc, или –lg(I/I0)
= А = εlc,
где А — оптическая плотность раствора.
Часто используют также величину, называемую пропусканием, Т:
Пропускание связано с оптической плотностью раствора соотношением
–lgT = –lg(I/I0) = A. (2)
Из уравнений (13.1) и (13.2) получается еще одно выражение для закона Бугера—Ламберта—Бера:
А = ε1с.
Графически зависимость оптической плотности от концентрации окрашенного вещества, если выполняется закон Бугера— Ламберта—Бера, выражается прямой, проходящей через начало координат. Эта зависимость соблюдается при выполнении определенных условий (работа с разбавленными растворами, монохроматичность падающего света и т. д.).
Возможности современных измерительных приборов таковы, что позволяют измерять величину А от 0,02 до 3,0. Однако для получения удовлетворительных по точности результатов значения измеряемой оптической плотности должны находиться в пределах 0,05 < А < 1,0. (3)
Для определения концентрации анализируемого вещества наиболее часто используют следующие методы: 1) метод молярного коэффициента светопоглощения; 2) метод градуировочного графика; 3) метод добавок; 4) метод дифференциальной фотомет¬рии; 5) метод фотометрического титрования.
Фотометрическим методом можно определять также компоненты смеси двух и более веществ. Эти определения основаны на свойстве аддитивности оптической плотности:
Асм=А1+А2+…+An
или
Асм=l(ε1*с1+ ε2*с2+… εn*сn). где Асм — оптическая плотность смеси; A1, ε1; с1 — соответственно оптическая плотность, молярный коэффициент светопоглощения и концентрация первого компонента смеси; А2, ε2, с2 — те же величины для второго компонента смеси и т. д.
Расчет концентрации веществ, находящихся в смеси, может быть выполнен либо графическим, либо аналитическим методом. A NAME=" Общие рекомендации">
Общие рекомендации
1) cтрого следовать методике приготовления растворов (соблюдайте порядок сливания реагентов, поддерживайте нужную кислотность);
2) выполнять правила приготовления растворов, отбора аликвот, измерения объемов и пр.;
3) соблюдать чистоту кювет для измерения светопоглощения. Перед заполнением кювету ополаскивают небольшой порцией исследуемого раствора во избежание его разбавления остатками воды после промывания кюветы;
4) кювету заполнять до такого уровня, чтобы весь световой по-ток проходил через слой раствора. Кюветы устанавливать в строго определенное положение во избежание «кюветной» ошибки;
5) ознакомиться с описанием прибора и порядком измерений;
6) по окончании работы выключить прибор, вымыть посуду и кюветы и сдать
их лаборанту. Привести в порядок рабочее место.
Порядок работы на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М
Принцип работы фотоэлектроколориметров состоит в сравнении интенсивности потоков света, прошедшего через раствори¬тель (I0) и через исследуемый раствор (I). Внешний вид и оптическая схема ФЭК-56М представлена на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Внешний вид фотоэлектроколориметра ФЭК-56М: 1 – источник света (лампа накаливания); 2 – шторка; 3 – кюветное от-деление; 4 – барабан светофильтров; 5, 6 – левый и правый барабаны; 7 – микроамперметр; 8 , 9 – шкалы для считывания показаний.
Для измерения светопоглощения выбирают спектральную область, в которой чувствительность анализа наиболее высокая. Фо-тоэлектроколориметр ФЭК-56М снабжен кассетой с девятью светофильтрами (табл.8). При выборе светофильтра необходимо знать области поглощения света веществом (его спектр).
Таблица 8
Характеристики светофильтров
|
№ светоф. |
Длина волны в максимуме пропускания, нм |
Ширина полосы пропускания, нм |
|
1 |
290-340 |
35 |
|
2 |
340-390 |
25 |
|
3 |
360-440 |
45 |
|
4 |
400-480 |
40 |
|
5 |
455-525 |
35 |
|
6 |
510-565 |
25 |
|
7 |
565-615 |
25 |
|
8 |
640-690 |
20 |
|
9 |
730-770 |
20 |
Как известно, ощущение цвета возникает в результате воздействия на зрительный нерв электромагнитного излучения с длинами волн 380-760 нм (т. н. видимая часть спектра). Суммарное действие электромагнитных излучений во всем указанном интервале вызывает ощущение белого цвета. При отсутствии в видимой части спектра определенного интервала длин волн возникнет ощущение цветности. Если вещество поглощает луч какого-либо цвета (назовем его спектральным), оно окрашивается в так называемый дополнительный цвет. Именно он возникает в зрительном аппарате, если из белого луча изымается спектральный цвет. Например, если вещество поглощает свет с длиной волны 590 нм (желтый), то оно окрашено в синий цвет (425 нм).
В соответствии с вышесказанным, цвет светофильтра должен являться дополнительным по отношению к окраске раствора (табл.9).
Таблица 9
Соотношение окраски растворов и характеристики светофильтров
|
Окраска раствора |
Поглощаемая длина волны, нм |
Цвет светофильтра |
Длина волны пропускаемого света, нм |
|
Зеленовато-желтая |
400 |
Фиолетовый |
400-430 |
|
Желтая |
425 |
Синий |
420-450 |
|
Оранжевая |
450 |
Зеленовато-синий |
430-460 |
|
Красная |
490 |
Синевато-зеленый |
460-500 |
|
Пурпурная |
510 |
Зеленый |
490-530 |
|
Фиолетовая |
530 |
Зеленовато-желтый |
520-550 |
|
Синяя |
590 |
Желтый |
590 |
|
Сине-зеленая |
640 |
Красный |
600-650 |
Рис. 5. Оптическая схема ФЭК-56М. 1 – источник света; 2 – сменный светофильтр; 3 – призма; 4 – зеркала; 5 – кюветы с рас-творами; 6 – раздвижные диафрагмы с измерительными барабанами; 7 – фотоэлементы; 8 – усилитель; 9 – микроамперметр. A NAME=" Порядок работы на приборе ФЭК-56М">
Порядок работы на приборе ФЭК-56М
1. Включить блок питания и лампу накаливания за 30 минут до начала измерений для предварительного прогрева.
2. Световые пучки перекрыть шторкой.
3. Рукояткой «нуль» установить стрелку микроамперметра на «0».
4. С помощью рукоятки с цифрами 1- 8 (левая панель) устанавливают нужный светофильтр.
5. Правый и левый барабаны устанавливают на «0» по шкале светопропускания (черного цвета).
6. Открывают шторку. Положение стрелки микроамперметра не должно измениться. Закрывают шторку.
7. На пути левого светового пучка устанавливают кювету с растворителем на все время измерений. На пути правого пучка кювету с исследуемым раствором и рядом еще одну кювету с растворителем. Все кюветы должны быть одинаковыми.
8. Правый барабан устанавливают на 100 делений по шкале светопропускания (черная).
9. Открывают шторку и вращением левого барабана устанавливают стрелку микроамперметра на «0».
10. Поворотом рукоятки заменяют кювету с исследуемым раствором на кювету с растворителем на пути правого пучка света. Стрелка микроамперметра смещается. Вращением правого бараба-на вновь выводят стрелку на «0» (левый барабан остается в прежнем положении). По красной шкале правого барабана отсчитывают величину оптической плотности исследуемого раствора за вычетом оптической плотности растворителя при данном светофильтре. Измерения проводят три раза, данные записывают в журнал.
Описанный порядок измерений (растворитель → раствор → растворитель) позволяет исключить ошибку, связанную с нелинейностью характеристик фотоэлементов, т.к. потоки света, поступающие на фотоэлемент, остаются неизменными как в начале, так и в конце измерения.
Во время измерений барабаны следует подводить к нужному положению каждый раз с одной и той же стороны, чтобы исключить люфт в механизме.
По окончанию работы закрывают шторку, выключают электропитание, вынимают
кюветы, промывают их дистиллированной водой, сушат и убирают в футляр.