6.3.2. Фотометрический анализ

Объекты определения. Фотометрические реакции. Напомним, что поглощение молекул (ионов, комплексных соединений и т. п.) в УФ- и видимой областях спектра связано с электронными переходами. Однако кванты соответствующей энергии поглощают далеко не все молекулы. Из неорганических соединений в этих областях спектра определяют по собственному поглощению лишь те соединения, молекулы или ионы которых содержат d- или f-элементы (например, соли меди, никеля, кобальта; перманганат калия, соли р.з.э.), а также некоторые комплексные соединения (например, роданидные комплексы железа, молибдатные гетерополикомплексы фосфора). В той же области длин волн поглощают многие органические соединения, преимущественно непредельные и ароматические углеводороды, а также их производные (фенолы, альдегиды, кислоты, амины и т. п.). В структуре соответствующих органических молекул должны быть так называемые хромофорные системы, например, определенные комбинации π-связей или неподеленных электронных пар. На поглощение света хромофорной системой влияют и некоторые функциональные группы (ауксохромы), в частности, гидроксильные или аминные группы, если они есть в соответствующей молекуле. А вот предельные углеводороды, не имеющие π-связей или неподеленных электронных пар, свет в области 200–800 нм не поглощают. Определять содержание предельных углеводородов по собственному светопоглощению можно лишь в ИК-области спектра.

Таким образом, по собственному светопоглощению можно определять лишь немногие вещества. Для определения других веществ (Х) придется проводить так называемые фотометрические реакции. Это означает, что после перевода пробы в раствор надо будет добавить туда подходящий реагент R, взяв его в избытке по сравнению с определяемым веществом. В результате реакции Х + R = Y определяемый компонент должен количественно перейти в новое соединение Y, интенсивно поглощающее в видимой или УФ-области спектра. Например, определяя ионы Fe³⁺, в качестве фотометрического реагента используют роданид (тиоцианат) калия. При этом образуется смесь интенсивно окрашенных роданидных комплексов железа, раствор приобретает кроваво-красную окраску. После завершения фотометрической реакции измеряют оптическую плотность полученного раствора.

Градуировочные графики в таких случаях строят по стандартным растворам Х, добавляя к ним тот же фотометрический реагент. График представляет собой зависимость оптической плотности раствора Y от начальной концентрации Х. Концентрацию Х в пробе можно рассчитать не только по градуировочному графику, но и другими традиционными способами (метод сравнения, метод добавок).

К фотометрическим реакциям предъявляют примерно те же требования, что и к реакциям, используемым в химических методах анализа (полнота протекания, быстрое установление равновесия, стехиометрический характер реакции, устойчивость продуктов во времени и т. п.). Кроме реакций комплексообразования, для получения интенсивно поглощающих соединений иногда используют процессы окисления-восстановления, а также некоторые реакции органического синтеза. Так, для определения фенолов их связывают с аминами и нитрит-ионами, при этом образуется органический азокраситель (реакция Грисса).

Спектры поглощения. Выбор условий фотометрического анализа. Чтобы выбрать оптимальные условия анализа, после проведения фотометрической реакции исследуют спектр поглощения полученного соединения. Вид конкретного спектра и значения вышеперечисленных характеристик определяются природой поглощающих частиц. Спектры поглощения меняются в результате диссоциации, комплексообразования, окислительно-восстановительных реакций и других процессов, в которых принимают участие частицы этого вещества. Кроме того, на спектр поглощения растворенного вещества влияют природа растворителя, рН, ионная сила и температура раствора. Спектр поглощения отдельного раствора строят в координатах А – . При изменении толщины поглощающего слоя или при разбавлении раствора спектральная кривая будет сдвигаться по вертикали (рис. 6.22), но число максимумов на этой кривой и их положение в шкале длин волн не изменятся.

Рис. 6.22. Спектры поглощения растворов с разной концентрацией Х и их обобщение

Длину волны, при которой наблюдается максимальное поглощение, обозначают _max, а молярный коэффициент поглощения на этой длине волны – ε_max. Зависимость ε (или lg ε) от  характеризует все растворы данного качественного состава. Она не меняется при изменении концентрации растворенного вещества или толщины поглощающего слоя. Именно такие «обобщенные» спектры поглощения индивидуальных веществ приводят в спектральных атласах. Чем больше ε_max, тем меньшие концентрации Х можно определять по данной методике, т. е. ε_max – это характеристика предельной чувствительности методики. У большинства окрашенных веществ ε_max ≈ n · 10³, и соответствующие методики анализа приводят к пределам обнаружения порядка 10^–5 моль/л. Некоторые, наиболее интенсивно поглощающие вещества имеют ε_max порядка 10⁴–10⁵, что позволяет снизить пределы обнаружения до 10^–7–10^–5 моль/л.

Выбор аналитической длины волны. Если проба содержит только один компонент, поглощающий свет, то в качестве аналитической длины волны выбирают _max, что обеспечивает максимальную чувствительность (см. рис. 6.19). Если же в растворе надо определять два и более компонента по отдельности, аналитические длины волн выбирают так, чтобы на каждой поглощал бы лишь один компонент. Это не всегда удается: в молекулярных спектрах полосы поглощения достаточно широки и часто накладываются друг на друга. В таких случаях селективность фотометрического анализа обеспечивают, проводя соответствующую пробоподготовку. Например, маскируют или заранее отделяют один из компонентов. Существуют и математические методы, позволяющие рассчитывать концентрации компонентов по спектру поглощения смеси, однако добиться высокой точности анализа в этом случае нелегко.

При проведении измерений на ФЭКе необходимо выбрать подходящий светофильтр. Общее правило – светофильтр должен в максимальной степени пропускать свет в области поглощения фотометрируемого соединения. Если спектральные характеристики фотоэлемента неизвестны, светофильтр можно выбрать по видимой окраске раствора (табл. 6.2). Правило следующее – цвет светофильтра должен быть дополнительным к цвету раствора.

Таблица 6.2

Выбор светофильтра при работе на фотоэлектроколориметре

Цвет раствора	Область поглощения, нм	Светофильтр
Желто-зеленый	400–450	Фиолетовый
Желтый	450–480	Синий
Оранжевый	480–490	Зелено-синий
Красный	490–500	Сине-зеленый
Пурпурный	500–560	Зеленый
Фиолетовый	560–575	Желто-зеленый
Синий	575–590	Желтый
Зелено-синий	590–625	Оранжевый
Сине-зеленый	625–750	Красный

Выбор кюветы. Рекомендуется измерять оптическую плотность в диапазоне значений А от 0,1 до 0,8 единиц. В этом диапазоне относительная погрешность измерений близка к минимуму, который достигается при А = 0,43 (см. рис. 6.21).

Если величина молярного коэффициента поглощения известна, то можно расчетным способом подобрать либо концентрацию, либо толщину слоя раствора, обеспечивающие именно такие значения оптической плотности. Второй способ предпочтительнее, так как в распоряжении аналитика есть набор кювет с разной толщиной слоя – от 0,1 до 10 см. Естественно, чем меньше ожидаемая концентрация раствора и чем меньше величина , тем больше должна быть толщина слоя (длина кюветы). Однако с увеличением длины кюветы возрастают потери за счет рассеяния света. Поэтому стараются использовать кюветы с толщиной слоя порядка 1 см.

Пример 6.1. Ионы кобальта(II) можно определять в виде комплексных соединений состава 1:1, включающих в качестве лигандов реагенты R₁ или R₂. У первого соединения на аналитической длине волны  = 4,3·10³, у второго  = 2,1·10². В каких кюветах лучше всего фотометрировать соответствующие окрашенные растворы, если ожидаемая концентрация кобальта(II) – 1 мг/л? С каким реагентом следует ожидать более точных результатов анализа?

Решение. Молярная концентрация Со(II) равна: (10^–3 г/л : 58 г/моль) ≈ 2·10^–5 моль/л. Такой же будет и концентрация комплексного соединения кобальта в каждом из окрашенных растворов. Из формулы (6.27) следует, что для получения оптимальной величины А ≈ 0,43 надо использовать кюветы с толщиной слоя:

l₁ = ≈ 5 (см); l₂ = ≈ 10² (см).

Чтобы точно измерить оптическую плотность окрашенного раствора, во втором случае понадобилась бы слишком длинная кювета. Поэтому для определения кобальта на уровне 1 мг/л лучше использовать первый реагент.

Отклонения от закона Бугера–Ламберта–Бера. Как уже отмечалось, в отсутствие посторонних веществ графическая зависимость А от С проходит через начало координат, и при строгом выполнении закона Бугера–Ламберта–Бера эта зависимость должна быть прямолинейной. Однако в реальных условиях нередко наблюдаются значительные отклонения от основного закона светопоглощения, особенно в области больших или очень малых концентраций. Отклонения приводят к нелинейности градуировочного графика (см. рис. 6.19). Причины отклонений могут быть разными, но чаще всего аналитики сталкиваются с двумя.

1. Немонохроматичность излучения. Если оптическую плотность измеряют с помощью фотоэлектроколориметра, спектральная полоса пропускания светофильтра нередко оказывается слишком широкой, необходимая степень монохроматизации не достигается. Измеренная таким способом оптическая плотность раствора Х ( ) оказывается усредненной величиной, меньшей, чем величина А при _max. Отличия от А_max возрастают при повышении концентрации Х, что ведет к уменьшению наклона градуировочного графика. Точность определения концентрации снижается тем сильнее, чем более широкий интервал (₁, ₂) пропускает светофильтр.

2. Изменение состояния Х в растворе. Напомним, что вещество Х обычно переводят в новую форму Y, добавляя избыток реагента R. Но для связывания больших количеств Х введенного количества R может не хватить. Начиная с какого-то момента, рост концентрации Х перестанет приводить к росту концентрации Y, градуировочный график выйдет на плато.

При снижении концентрации Х может усиливаться диссоциация Y. Если окрашенный комплекс диссоциирует с образованием бесцветных продуктов, то в области низких концентраций измеренное значение А окажется заниженным. Наоборот, в концентрированных растворах могут усиливаться процессы комплексообразования, ассоциации и даже полимеризации Х, могут меняться значения рН и ионной силы раствора. Все это приводит к сдвигу равновесия между разными формами Х. В результате в растворе начинают доминировать формы Х с другими спектрами поглощения, имеющие иной молярный коэффициент поглощения на аналитической длине волны. Это также приведет к изменению наклона графика.

Очевидно, для предотвращения систематических погрешностей анализа недостаточно проводить измерения на высококачественных спектрофотометрах. Необходимо также следить за постоянством рН, ионной силы и других факторов, влияющих на состояние определяемого компонента в растворе; устранять влияние посторонних веществ; обеспечивать избыток R по сравнению с ожидаемым содержанием Х в пробе.

Аналитические возможности и метрологические характеристики. Простота оборудования и самих фотометрических измерений сделали спектрофотометрию одним из самых распространенных методов анализа. В отличие от АЭС и ААС, этот метод не требует применения высоких температур, высокой квалификации исполнителей, его область применения не ограничена задачами элементного анализа. Сегодня фотометрическим методом аналитики определяют и элементный, и молекулярный, и вещественный, и структурно-группо- вой состав веществ. Для идентификации веществ этот метод применяют редко; спектрофотометрия – это в основном способ количественного анализа. Нижняя граница определяемых концентраций обычно характеризуется значениями порядка 0,1–1,0 мкг/мл, что в большинстве случаев полностью удовлетворяет требованиям практики. Относительная погрешность результата анализа (при традиционном способе фотометрических измерений) составляет 2–5 %, а в некоторых случаях может быть снижена до 1 %.

Весьма важно, что определяемый компонент пробы можно заранее связать с подходящим реагентом в новое, интенсивно окрашенное соединение. Такой прием повышает селективность анализа, позволяет определять почти все элементы и множество их соединений. К недостаткам фотометрического анализа можно отнести лишь невысокую селективность и необходимость предварительного перевода пробы в раствор.

Фотометрический анализ широко применяют в контрольно-аналитических лабораториях на предприятиях химической, пищевой, нефтеперерабатывающей промышленности, в криминалистике, в сельском хозяйстве, в клиническом анализе и научных исследованиях. Особенно важен данный метод для мониторинга окружающей среды и контроля выбросов токсичных веществ.