Тема. Фотометрические методы анализа

В зависимости от используемой аппаратуры фотометрические методы анализа делят на две группы: фотоколориметрический анализ и спектрофотометрический анализ.

Схема фотометрического анализа представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема фотометрического анализа: 1 – источник излучения, 2 – кювета, 3 – детектор.

При фотоколориметрическом методе анализа измеряют поглощение световых лучей широких участков видимого спектра.

При спектрофотометрическом анализе измеряют поглощение монохроматического света. Спектрофотометрический анализ используется для видимой, ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областей спектра. Связь цвета, прошедшего через раствор (окраска раствора), и цвета поглощенного светового потока представлена в табл. 1.

Таблица 1

Цвет раствора и длины волн света

Цвет раствора и длина волн света, прошедшего через раствор, нм	Цвет и длина волны света, поглощенного раствором, нм
Фиолетовый 400 – 450	Желто-зеленый 550 – 575
Синий 450 – 480	Желтый 575 – 585
Зелено-синий 480 – 490	Оранжевый 585 – 620
Сине-зеленый 490 – 500	Красный 620 – 750
Зеленый 500 – 560	Пурпурный (красно-голубой)
Желто-зеленый 550 – 575	Фиолетовый 400 – 450
Желтый 575 – 585	Синий 450 – 480
Оранжевый 585 – 620	Зелено-синий 480 – 490
Красный 620 – 750	Сине-зеленый 490 – 500
Пурпурный (красно-голубой)	Зеленый 500 – 560

В зависимости от природы окрашенного вещества лучи с одной длиной волны поглощаются сильнее, а с другой длиной волны – слабее. В результате этого световой пучок, выходящий из раствора, окрашен в дополнительный цвет. Следовательно, визуально наблюдаемый цвет раствора является дополнительным к цветупоглощенных лучей. Для характеристики окрашенных растворов различных соединений используют их спектры поглощения (кривые светопоглощения). Для получения спектра поглощения (кривой светопоглощения), построенной в координатах оптическая плотность (А) – длина волны (λ), проводят серию измерений оптической плотности раствора при различных длинах волн. По полученным данным строят кривую (рис. 2).

Рис. 2. Спектр поглощения света в видимой области

Длина волны, при которой отмечается максимум поглощения света, обозначается через λ_max. При работе с разбавленными окрашенными растворами измерение их оптической плотности желательно проводить в той области спектра, в которой поглощение лучей определяемым веществом является максимальным. Это позволяет произвести количественное определение вещества с наибольшей точностью и чувствительностью. Для того чтобы из всей видимой части спектра выделить лучи определенных длин волн, на пути света перед поглощающими растворами помещают светофильтры.

При колориметрическом методе анализа интенсивность окрашивания (оптическую плотность) анализируемого раствора сравнивают либо с оптической плотностью раствора, концентрация которого известна (стандартный раствор), либо раствора, не содержащего определяемого вещества (раствор сравнения).

Сравнение ведут визуально (метод стандартных серий, метод уравнивания окрасок) или при помощи приборов, снабженных фотоэлементами, – фотоэлектроколориметров.

При визуальном анализе добиваются равенства оптической плотности (интенсивность окрашивания) анализируемого и стандартного растворов.

В соответствии с законом Ламберта – Бугера – Бера оптическая плотность анализируемого раствора равна

A_х = ɛ_λl_хc_x

Оптическая плотность стандартного раствора

A₀ = ɛ_λl₀c₀

В момент равенства оптических плотностей

A₀= A_x

Молярный коэффициент светопоглощения (εх) – величина постоянная для данного окрашенного вещества, а измерения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов производят в одной и той же кювете (I_х = I0), следовательно,

.

Для определения концентрации вещества при помощи градуировочного графика (калибровочная кривая) приготавливают серию стандартных окрашенных растворов, концентрации которых охватывают область возможных определяемых концентраций. Затем измеряют величины их оптических плотностей и строят график зависимости оптической плотности раствора от концентрации растворенного вещества. Для этого по оси ординат откладывают значения оптических плотностей растворов, а по оси абсцисс – их концентрацию. Полученные точки соединяют прямой линией. В случае правильно построенного графика он представляет собой отрезок прямой, проходящей через начало координат (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость оптической плотности от концентрации вещества (градуировочный график)

Определение концентрации раствора при помощи калибровочного графика выполняется следующим образом: величина оптической плотности анализируемого раствора отмечается на оси ординат. Из этой точки проводят прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с калибровочной прямой. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс и отсчитывают искомую концентрацию. Оптическую плотность анализируемого раствора измеряют по отношению к раствору сравнения (нулевому раствору). В качестве последнего используют либо дистиллированную воду, либо раствор реактива. Раствор реактива используют только в тех случаях, когда применяемый реагент обладает собственной окраской. Важным моментом выполнения фотоколориметрического анализа является измерение оптической плотности окрашенных растворов. Для этого используют фотоколориметры различной конструкции.

В зависимости от оптической схемы прибора все фотоколориметры делятся на два типа: однолучевые и двухлучевые.

Аналитическая абсорбционная спектрофотомерия основана на тех же законах светопоглощения, что и фотоколориметрические методы, но в отличие от последних в спектрофометрии, как сказано выше, используют поглощение монохроматического света, т. е. света очень узкого интервала длин волн (1–2 нм).

Достоинства спектрофотометрических методов при сравнении их с фотоколориметрическими следующие:

- более высокая чувствительность и точность количественного определения, а также возможность работы с «бесцветными» для глаза растворами, которые поглощают излучение в ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра;

- возможность анализа большого количества компонентов в смеси.

При проведении спектрофотометрических анализов используют более сложные приборы, чем фотоэлектроколориметры. С помощью отечественных спектрофотометров СФ-4А, СФ-9, СФ-26, импортных U-1800, U-2800, Specord UV-VIS, серии Helios и других проводят измерения в ультрафиолетовой области. Отечественные спектрофотометры ИКС-16, ИКС-21, ИКС-22Ф, импортные UR-10, UR-20, IR-75, ИК-Фурье спектрометры серии AVATAR используются дляпроведения анализов в инфракрасной области.

Рис. 4. Внешний вид фотоэлектроколориметра «ФЭК-М»: 1 – корпус, 2 – крышка отделения светофильтра, 3 – секторы со светофильтрами, 4 – лампа, 5 – крышка кюветного отделения, 6 – рукоятка шторки, 7 – кюветосодержатель, 8 – шкала, 9 – гальванометр, 10 – лимб смены светофильтров, 11 – оптический клин тонкой настройки, 12 – оптический клин грубой настройки, 13– переключатель чувствительности отсчетный барабан.

Рис. 5. Оптическая схема фотоэлектроколориметра «ФЭК-М»:1 – источник света, 2, 2´ – зеркала, 3, 3´ – светофильтры, 4, 4´ – кюветы, 5, 5´ – селеновые фотоэлементы, 6, 7 – нейтральные клинья (их вводят для ослабления светового потока), 8 – диафрагма, связанная с барабаном.