Теоретические основы фотометрического анализа
Основной закон светопоглощения – закон Бугера-Ламберта-Бера. При прохождении монохроматического светового потока через поглощающий раствор интенсивность прошедшего светового потока I отличается от интенсивности падающего светового потока Iо на поглощение света раствором (см. рис. 30). Отношение I / Iо называют пропусканием (или прозрачностью) раствора и обозначают Т.
.
Iо I
8
Рис. 30 Прохождение светового потока через поглощающую среду
Величина lg (I / Iо) является важной характеристикой раствора, поглощающего свет, ее называют оптической плотностью Д:
Обычно Т выражают в процентах, тогда
.
Уменьшение интенсивности света при прохождении через поглощающий раствор подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:
т.е. оптическая плотность раствора пропорциональна произведению концентрации поглощающего свет вещества на толщину слоя раствора.
При подчинении раствора основному закону светопоглощения наблюдается прямо пропорциональная зависимость Д от с при постоянной толщине поглощающего слоя b (см. рис. 31).
Рис. 31 Зависимость оптической плотности от концентрации поглощающего
вещества в растворе:
1 – закон Бугера-Ламберта-Бера соблюдается, 2 – закон Бугера-Ламберта-Бера не соблюдается.
Молярный
коэффициент поглощения
является
основной характеристикой поглощения
света системой при данной длине волны.
Молярный коэффициент поглощения вещества представляет собой оптическую плотность раствора с концентрацией поглощающего вещества 1 моль/л при толщине поглощающего слоя 1 см. Поскольку поглощение при различных длинах волн неодинаково, то величина е зависит от длины волны. При данной длине волны е зависит от природы вещества, от температуры и не зависит от концентрации и толщины слоя раствора, т.е. при определенной длине волны и температуре молярный коэффициент поглощения представляет собой постоянную для данного соединения величину и является индивидуальной характеристикой.
Закон аддитивности светопоглощения.
Важным
дополнением к закону Бугера-Ламберта-Бера
является закон аддитивности светопоглощения.
В соответствии с этим законом, при
наличии в растворе нескольких поглощающих
веществ, каждое из них будет давать
свой аддитивный вклад в экспериментально
измеряемую оптическую плотность смеси
:
где
и т.д. – оптическая плотность вещества
1
при длине волы л, вещества 2
и т.д.
Так
как
то
Выбор условий для фотометрического определения
Фотометрическое определение компонентов следует проводить при условиях, обеспечивающих полноту образования поглощающего (окрашенного) соединения в растворе, отсутствие (или минимизацию) отклонения от основного закона светопоглощения, способствует достижению наибольшей точности и чувствительности анализа.
Получению отсутствия отклонения способствуют правильно выбранные длины волны, диапазон измерений, толщина поглощающего слоя и качественно окрашенное вещество.
Выбор длины волны светового потока. Для измерения светопоглощения исследуемого раствора выбирают длину волны светового потока, соответствующую максимуму оптической плотности полосы поглощения, для чего измеряют оптическую плотность раствора при разных длинах волн и строят график зависимости Д = f (л) – спектр поглощения. Работа в области максимума поглощения обеспечивает наибольшую чувствительность и точность определения.
Для монохроматизации светового потока в фотоэлектроколориметрах применяют набор светофильтров. Светофильтры – это специальные стекла, пропускающие излучение определенного интервала длин волн (20-30 нм). Для количественного анализа исследуемого компонента по светопоглощению выбирают светофильтр, пропускающий излучение, которое исследуемый компонент поглощает, т.е. минимум поглощения света светофильтром должен совпадать с максимумом поглощения раствора.
Оптимальный диапазон измерения оптической плотности (светопропускания). Фотометрические приборы имеют определенную погрешность измерения оптической плотности (светопропускания), что приводит к погрешности Дс определения концентрации с исследуемого компонента в растворе. Минимальная относительная погрешность Дс/с получается, когда оптическая плотность исследуемого раствора находится в интервале 0,1 – 1,0.
Толщина поглощающего слоя. В соответствии с уравнением Бугера-Ламберта-Бера увеличение толщины поглощающего слоя b позволяет понизить предел обнаружения исследуемого вещества при прочих равных условиях. Однако при толщине поглощающего слоя больше 5 см возрастают потери на рассеивание света. Поэтому для фотометрирования растворов обычно используют кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 – 5 см.
Условия проведения фотометрической реакции. В результате проведения фотометрической реакции исследуемый компонент переводят в окрашенное соединение:
И сследуемое + Реагент Окрашенное
в ещество соединение
Количество образовавшегося окрашенного соединения эквивалентно количеству исследуемого вещества. Поэтому количество исследуемого вещества определяют путем измерения светопоглощения полученного окрашенного соединения. Условия проведения фотометрической реакции должны обеспечивать полноту образования и устойчивость получающегося окрашенного соединения.
Интенсивность окраски может изменяться во времени, поэтому надо исследовать зависимость Д = f (ф), на основании которой устанавливается оптимальное время для проведения фотометрической реакции.