Закон Бера

Послаблення інтенсивності світлового потоку при проходженні через розчин залежить від кількості центрів, що поглинають світло, на шляху світлового потоку. Розглянемо поглинання світла розчином забарвленого з'єднання за умови, що склад і структура цього з'єднання не міняється зі зміною його концентрації. Прикладом такого розчину може бути хромат калію; для постійності pH при розбавленні до розчину додають тетраборат натрію.

Якщо налити трохи цього розчину у високий циліндр і вимірювати поглинання світла згори, тобто в повному шарі. Згідно з умовою, загальна кількість центрів, що поглинають світло, залишається постійною при розбавленні розчину, тому загальне светопоглощение також не змінюється. При розбавленні розчину в n разів концентрація розчину зменшиться в n разів, а товщина шару в циліндрі в стільки ж разів відповідно збільшиться, тому загальна оптична щільність не зміниться. Отже:

(13)

де k - коефіцієнт пропорціональності, що означає зазвичай через _.

Нехай розчин, концентрація якого С1, при товщині шару b1 має таку ж оптичну щільність, як і розчин тієї ж речовини при більшій товщині шару b2 . Очевидно, в другому розчині концентрація С2 речовини менша, ніж в першому розчині у відношенні :

С1: С2 = b2: b1 (14)

С1 b1 = С2 b2 (15)

Цю залежність встановив в 1852 г Бер і експериментально перевірив її вимірами оптичної щільності газоподібного хлору при різних тисках.

Об'єднуючи рівняння (9) і (14), можна написати:

(16)

Ця залежність називається законом Бугера - Ламберта - Бера і застосовується при різних розрахунках у фотометричному аналізі. Якщо концентрація З виражена в мілі на літр, а товщина шару b - в сантиметрах, то коефіцієнт _ називають молярним коефіцієнтом поглинання; він є постійною величиною, залежною від довжини хвилі світла, що падає, природи розчиненої речовини, температури розчину, і відповідає светопоглощению молярного розчину аналізованої речовини.

Також треба сказати, що джерелами помилок при фотометрії можуть бути відхилення від закону Бугера - Ламберта - Бера і особливості виникаючого забарвлення. Відхилення від закону Бугера - Ламберта - Бера можуть бути викликані і сторонніми речовинами, присутніми в розчині.

Методи фотометричного аналізу

Визначення концентрації забарвленої речовини фотометричним методом практично зводиться до визначення інтенсивності світлового потоку до і після поглинаючого розчину (відповідно I0 і It ). Абсолютне визначення інтенсивності цих світлових потоків можливе тільки за допомогою фотоелементів. При визначенні по абсолютній інтенсивності світлового потоку джерело світла, кювета з досліджуваним розчином і приймач світла розташовуються на одній прямій. Це так званий метод однопроменевої фотометрії.

Умови визначення концентрації речовини цим методом також описуються законом Бугера - Ламберта - Бера:

Оскільки фотострум пропорційний інтенсивності світла, що падає, то

де i0 - фотострум, пропорційний інтенсивності світла I0

it - фотострум, пропорційний інтенсивності світла It

Метод однопроменевої фотометрії дуже простий, але вимагає постійності початкового світлового потоку. У фотометричному аналізі однопроменева фотометрія використовується в методі пропорційних відхилень.

При вимірі по методу порівняння інтенсивностей світловий потік від джерела світла пропускають через дві паралельні кювети, що містять порівнювані розчини; промені, що пройшли через кювети, потрапляють на самостійні приймачі світла. Це так званий метод двулучевой фотометрії. Порівняння інтенсивності світлових потоків можна проводити і візуально, людське око здатне уловлювати різницю в інтенсивностях забарвлень в межах 10 - 15%.

У фотометричному аналізі застосовуються реакції різних типів. Для визначення неорганічних компонентів найчастіше використовують реакції утворення (іноді - руйнування) забарвлених комплексних з'єднань. Більшість металів і неметалів здатна до утворення різних комплексних сполук, у тому числі забарвлених, або, в усякому разі, здатні до взаємодії із забарвленими комплексами. Тому сфера застосування фотометричних методів аналізу практично не має обмежень; нині відомі досить прості фотометричні методи визначення майже усіх елементів або їх з'єднань. Для фотометричного визначення органічних компонентів найчастіше використовують реакції синтезу забарвлених з'єднань. Реакції синтезу зручно застосовувати і для визначення деяких неорганічних компонентів, наприклад сульфідів або нітриту. Значно рідше застосовують у фотометричному аналізі реакції окислення - відновлення. Ряд фотометричних методів заснований на каталітичному ефекті. Чутливість фотометричних методів, заснованих на звичайних реакціях утворення забарвлених з'єднань, має природну межу. Тому якщо потрібне значне підвищення чутливості, визначуваний компонент вводять в деяку систему в якості каталізатора. В результаті кожна частка визначуваного компонента призводить до утворення великої кількості часток продукту реакції.

Таким чином, центральне місце у фотометричному аналізі займає хімічна реакція. Час, що витрачається на аналіз, чутливість методу, його точність і вибірковість залежать від вибору хімічної реакції і оптимальних умов утворення забарвленого з'єднання. Правильний вимір светопоглощения має велике значення. Проте вибір того або іншого способу виміру поглинання світла обумовлений, як правило, не особливостями аналізованого матеріалу або вибраною реакцією, а загальними умовами роботи тієї або іншої лабораторії.

Прилади:

поглинання світла вимірюють за допомогою приладів з фотоелементом. Такі прилади називають фотоэлектроколориметрами (ФЭК). У відмінності від візуального способу, за допомогою ФЭК можна безпосередньо виміряти послаблення інтенсивності первинного світлового потоку. Тому немає необхідності кожного разу готувати стандартний розчин. Зазвичай при роботі з ФЭК перед виконанням аналізів складають калібрувальний графік по серії стандартних розчинів. Калібрувальним графіком користуються для багатьох визначень, що дуже зручно для масових однотипних аналізів. Якщо поглинання світла вимірюють за допомогою ФЭК, такий спосіб називають фотоколориметричним аналізом.

найбільш досконалим, хоча і складнішим приладом є спектрофотометр. У спектрофотометрі послаблення інтенсивності світлового потоку вимірюється також за допомогою фотоелементів. Проте в спектрофотометрі є призма або дифракційні грати, а також щілина. Це дозволяє виділити вузьку ділянку спектру, саме той, з яким «оптично реагує» забарвлене з'єднання. Відомі дуже мало «сірих речовин», що поглинають світло рівномірно в усіх ділянках спектру. Більшість же забарвлених речовин поглинають переважно яку-небудь одну ділянку спектру. Тому вимір при довжині хвилі, що відповідає максимуму спектру поглинання, збільшує чутливість. Крім того, полегшується визначення одного забарвленого з'єднання у присутності іншого, інакше забарвленого; зокрема, при роботі із спектрофотометром значно покращуються результати фотометричного визначення із застосуванням забарвлених реактивів.