24.2. Фотометрические методы анализа

Фотометрические методы анализа основаны на избира­тельном поглощении света анализируемым веществом или его соединением с подходящим реагентом. Интенсив­ность поглощения можно измерять любым способом, неза­висимо от характера окрашенного соединения. Точность метода зависит от способа измерения. Различают колори­метрический, фотоколориметрический и спектрофотометрический методы.

В колориметрическом методе окраску анализируемого раствора визуально сравнивают с окраской стандартного. Однако визуально невозможно установить количествен­но, во сколько раз один раствор окрашен интенсивнее дру­гого. В этом случае можно установить только одинаковую окраску анализируемого раствора при сравнении его со стандартным.

Фотоколориметрический метод позволяет количест­венно определить интенсивность поглощения света анали­зируемым раствором с помощью фотоэлектроколориметров (иногда их называют просто фотоколориметрами). Для этого готовят серию стандартных растворов и вычер­чивают зависимость светопоглощения определяемого ве­щества от его концентрации. Эта зависимость называется градуировочным графиком. В фотоколориметрах свето­вые потоки, проходящие через раствор, имеют широкую область поглощения - 30-50 нм, поэтому свет здесь явля­ется полихроматическим. Этю приводит к потере воспро­изводимости, точности и избирательности анализа. Достоинство фотоколориметра заключается в простоте конст­рукции и высокой чувствительности благодаря большой светосиле источника излучения - лампы накаливания.

Более чувствительным и точным является спектрофотометрический метод. В используемых приборах - спек­трофотометрах - световой пучок, проходящий через раствор, монохроматичен, т.е. имеет одну длину волны. Измерение поглощения света растворами на спектрофото­метрах проводят при длине волны максимума поглогцения. Это дает возможность в одном растворе анализиро­вать вещества, максимумы поглощения которых расположены при разных длинах волн. Так же, как и фотоколори­метрический метод, спектрофотометрический основан на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.

В основу фотометрических методов положено образова­ние окрашенных соединений, интенсивность светопогло­щения которых измеряется. Окрашенные соединения в растворе образуются в результате реакций окйсления-восстановления и комплексообразования. ОВ-реакции, при­меняемые в фотометрии, например окисления Мn²⁺ до М11О4 протекают, как правило, практически до конца.

В случае применения реакций комплексообразования необходимо учитывать процессы ступенчатого комплексо­образования, недостаточную устойчивость образующегося комплекса, собственную окраску реагента и т.д. Зная кон­станту устойчивости комплексных соединений и константу диссоциаций реагентов, можно рассчитать, при каких кон­центрациях реагента будет достигнута необходимая полно­та реакции и как будут влиять сопутствующие элементы. Например, катион Fe³⁺ образует с роданид-ионом SCN^- ряд комплексных ионов кроваво-красного цвета различной ин­тенсивности в зависимости от избыточной концентрации роданид-иона. В присутствии Сl^- - ионов степень связыва­ния катионов Fe³⁺ в роданидный комплекс заметно умень­шается, а в присутствии фосфорной кислоты происходит полное обесцвечивание раствора роданида железа.

Влияние рН в большинстве случаев сводится к измене­нию состава окрашенного соединения. Изменение рН сре­ды способствует образованию окрашенных комплексов с посторонними ионами, присутствующими в растворе, обусловливает изменение растворимости комплексных соединений. Необходимый интервал рН среды обеспечива­ется применением буферных растворов.

Минимальная концентрация, которую можно опреде­лить с помощью фотометрических методов, зависит от особенностей реакции образования окрашенных соедине­ний, характеристик применяемых приборов и других факторов. Например, при навеске анализируемой пробы в 1 г обычный спектрофотометрический анализ позволяет определять минимальную массовую долю следов элемен­тов на уровне 5 • 10^-5 %, а фотоколориметрический - на уровне 1 • 10^-4 - 3 • 10^-4 %. Обычная погрешность фотоме­трических методов составляет примерно 1-2 %.

В клинической практике фотометрические методы ана­лиза применяют для определения содержания гемоглоби­на и сахара в крови, холестерина, общего белка. В медико-гигиенических исследованиях с помощью фотометричес­ких методов определяют аммиак, железо и нитриты в во­де, оценивают качество питьевой воды.

Основные закономерности светопоглощения

При прохождении через окрашенный раствор светово­го потока с интенсивностью I₀ его интенсивность умень­шается до значения I. Это происходит вследствие погло­щения, отражения и рассеяния света окрашенным раство­ром. Поглощенное световое излучение оценивается отно­сительной величиной - оптической плотностью А, кото­рая представляет собой логарифм отношения интенсивно-стей I₀ и I.

D = lg I₀ / I. (24.1)

Эту же величину называют также поглощением или экстинкцией. Уменьшение интенсивности света, прошед­шего через раствор, характеризуется коэффициентом про­пускания (или просто пропусканием ) Т:

T = I / I₀ (24.2)

Для окрашенных растворов между оптической плот­ностью, концентрацией раствора (С) и толщиной слоя (I) существует зависимость, называемая законом Бугера. По этому закону поглощение монохроматического света, про­шедшего через слой окрашенной жидкости, пропорцио­нально концентрации светопоглощающего вещества в рас­творе и толщине слоя раствора:

lg I₀ / I = εCl (24.3),

где е — коэффициент светопоглощения.

Если в уравнении (24.3) концентрация С выражена в молях поглощающего излучение соединения на 1 л, а тол­щина слоя I — в сантиметрах, то е называют молярным ко­эффициентом светопоглощения. Иными словами, е равен оптической плотности одномолярного раствора при тол­щине слоя 1 см.

Из уравнения (24.3) получаем:

I₀ / I = 10^εCl , (24.4)

откуда

I = I₀ / 10^εCl = I₀ • 10^-εCl (24.5)

Если два раствора одного и того же окрашенного веще­ства различной концентрации С₁ и С₂ и различной толщи­ны (высоты) слоя l₁ и l₂ поместить в прибор, с помощью ко­торого можно легко измерять и менять толщину слоя каж­дого из них, то можно сравнивать интенсивность проходя­щего света:

I₁ = I₀ • 10^{-εC1l 1} ;

I₂ = I₀ • 10^{-εC2l 2} ;

Так как оба раствора освещены одним и тем же свето­вым потоком, а в растворе находится одно и то же вещест­во, то значение I₀ и е в обоих уравнениях одинаковы. Ког­да оба слоя будут окрашены одинаково интенсивно, т.е. системы будут оптически уравнены, то при соблюдении закона Бугера I₁ = I₂.

Отсюда:

10^{-εC1l 1} = 10^{-εC2l 2} и εC₁l ₁ = εC₂l ₂

Так как е - число постоянное, то

C₁l ₁ = С₂l₂ или C₁ / С₂ = l₂ / l ₁. (24.6)

Из (24.6) следует, что при одинаковой видимой интен­сивности окрасок двух растворов одного и того же вещества концентрации растворов обратно пропорциональны толщи­не (высоте) слоев, через которые прошел один и тот же пучок света. При равной интенсивности окрасок испытуемого и стандартного растворов произведения толщины (высоты) слоя каждого раствора на его концентрацию одинаковы как для стандартного, так и для испытуемого растворов:

С_исп • l_исп = С_ст • l_ст или С_исп = С_ст • l_ст (24.7)

l_исп

На основании соотношения (24.7) вычисляют концентрацию испытуемого раствора.

Закон Бугера (см. 24.3) выведен для монохроматическо­го излучения и справедлив для всех областей электромаг­нитных излучений от рентгеновского до радиоволн. Если же при измерении оптической плотности пользуются све­тофильтром с достаточно широкой областью пропускания света, то наблюдается отклонение от прямой пропорцио­нальности между оптической плотностью и концентраци­ей вещества. Поэтому закон Бугера в основном используют при расчетах в спектрофотометрическом анализе, где фотометрирование проводится в монохроматическом свете.

Коэффициент ε в уравнении (24.3) зависит от показате­ля преломления среды. Если концентрация раствора срав­нительно невелика, его показатель преломления остается таким же, каким он был у чистого растворителя, и в этом случае отклонений от закона Бугера не наблюдается. За­кон Бугера соблюдается, если при изменении концентра­ции (разбавление) раствора вещество не претерпевает ни­каких химических изменений: не происходит ассоциации или диссоциации молекул, разрушения малоустойчивых комплексов под влиянием температуры, ионной силы, рН. Например, при разбавлении дихромата калия проис­ходит не просто уменьшение концентрации иона дихрома­та, а протекают процессы химического взаимодействия:

Сr₂О^2-₇ + H₂O ↔ 2НСrO^-₄ ↔ 2СrO^2-₄ + Н₂О

Вместо дихромат-ионов в растворе появляются гидро­хромат и хромат-ионы. Поскольку коэффициенты светопоглощения дихромат-ионов и хромат-ионов различны, зависимость оптической плотности от общей концентра­ции хрома в растворе не будет линейной. В связи с этим определение хрома надо проводить либо в сильнокислом растворе (определение Сr₂О^2-₇), либо в достаточно щелоч­ном растворе (определение СrO^2-₄ ).

Рис. 24. 1. Колориметрическая пробирка

В колориметрических методах Интенсивность окраски анализируемого раствора сравнивают с интенсивностью окраски стандартного раствора визуально. Визуальные методы в значительной степени субъективны, так как сравнение интенсивности окрашивания растворов осуществляется невоору­женным глазом. Существует не­сколько визуальных методов, одна­ко только два из них до настоящего времени не утратили практическо­го значения: метод стандартного ряда и метод уравнивания окраски.

Метод стандартного ряда. В этом методе окраску анализируемого раствора сравнивают с окрасками стандартных растворов. Для этого готовят ряд стандартных раство­ров с постепенно изменяющимися концентрациями. Например, ряд стандартных растворов может содержать 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 мг и т.д. данного вещества в известном объеме растворителя. Для приготовления растворов используются колориметри­ческие пробирки (рис. 24.1).

К определенным объемам каждого стандартного рас­твора и к такому же объему анализируемого раствора до­бавляют равные объемы необходимых реактивов. Если при сравнении окажется, что цвет анализируемого раство­ра по интенсивности совпадает с цветом стандартного рас­твора, содержащего, например, 0,3 мг данного вещества, то масса его в исследуемом растворе равна 0,3 мг. Если же окраска анализируемого раствора окажется промежуточ­ной, например между 0,2 и 0,3 мг, то это означает, что и концентрация анализируемого раствора будет средней между концентрациями этих стандартных растворов (приблизительно 0,25 мг). В некоторых случаях для полу­чения более точных результатов приходится готовить но­вый стандартный ряд в этом интервале концентраций.

При сравнении окрасок стандартного и анализируемого растворов необходимо придерживаться следующих правил.

1. Состав и способ приготовления стандартного и ана­лизируемого растворов, а также их объемы должны быть одинаковыми.

2. Растворы должны находиться в одинаковых градуи­рованных пробирках и их окраску сравнивают при одина­ковом освещении.

3. Оба раствора готовят одновременно, так как часто интенсивность окраски изменяется во времени.

Определение по методу стандартного ряда может быть проведено быстро и без применения специальной аппара­туры. Единственным требованием является воспроизведе­ние интенсивности окраски. Применение метода экономи­чески целесообразно только при массовом определении одного и того же вещества.

Метод уравнивания окраски. Метод основан на том, что при одинаковой видимой интенсивности окрасок двух растворов толщина их слоев (или высота слоя) обратно пропорциональна концентрациям (см. 24.6).

Колориметрические определения по методу уравнивания проводят в так называемых цилиндрах Генера (рис. 24.2). Стандартные и испытуемые растворы готовят в мерных колбах.

Рис. 24.2. Цилиндры Генера

Для определения количе­ства вещества требуется два цилиндра Генера: один для стандартного раствора, дру­гой для анализируемого. Каждый цилиндр предвари­тельно ополаскивают соот­ветствующим раствором. Высоту столба стандартного раствора для удобства вы­числений устанавливают точно на одном из делений, а анализируемый раствор осторожно выливают в под­ставленный сухой цилиндр. Глядя сверху в цилиндры, сравнивают окраски раство­ра. Когда окраска растворов будет казаться совершенно одинаковой, выливание прекращают. Отсчитывают высоту слоя по делениям на ци­линдрах анализируемого и стандартного растворов и вы­числяют концентрацию анализируемого раствора по фор­муле (24.7).

Фотоколориметрия

По сравнению с визуальными методами фотоколориме­трический метод является наиболее объективным и дает более точные результаты. В методе применяются фотоэлектроколориметры (ФЭК) различных марок. Принцип ра­боты ФЭКа заключается в следующем. Световой поток, проходя через окрашенный раствор, частично поглощает­ся. Остальная часть попадает на фотоэлемент, который преобразует световую энергию в электрическую. Возника­ющий в фотоэлементе ток регистрируется с помощью микроамперметра.

В аналитической практике используется несколько ма­рок фотоколориметров: ФЭК-56, ФЭК-56М, КФК, КФК-2 и др. Они предназначены для измерения пропускания или оптической плотности растворов в диапазоне 315-630 нм, а КФК-2 (рис. 24.3) - в области спектра 350-980 нм. При­боры позволяют также производить относительные измерения интенсивности рассеяния взвесей, эмульсий и кол­лоидных растворов в проходящем свете.

Все приборы снабжены набором светофильтров. Свето­фильтр ставится на пути светового потока и пропускает

Рис. 24.3. Общий вид прибора КФК-2

определенную часть спектра. Он применяется для выделе­ния той области спектра, которая максимально поглоща­ется веществом. Светофильтр подбирают эксперименталь­но. С этой целью готовят минимальную концентрацию ок­рашенного раствора и наблюдают его поглощение при данной рабочей длине (толщине) кюветы с разными свето­фильтрами. Для работы выбирается тот светофильтр, при котором наблюдается максимальное поглощение раство­ра. Иногда при подборе светофильтра для фотометрирования используют менее точный, но более быстрый прием, выбирая светофильтр по Цвету анализируемого раствора (табл. 24.1). Например, при фотометрировании растворов с желтой окраской используют синий светофильтр, по­скольку растворы желтого цвета поглощают синюю часть спектра.

Перед тем как приступить к работе на фотоколори­метре, необходимо детально изучить инструкцию, при­лагаемую к прибору. Измерения на приборе проводят спустя 15-20 мин после включения. В течение этого времени устанавливается режим накала лампы освети­теля.

Таблица 24.1. Цвета растворов и соответствующих им светофильтров

Цвет раствора	Поглощаемая часть спектра, нм	Цвет светофильтра
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

Кюветы, в которые наливают окрашенные растворы, должны быть тщательно вымыты. При постановке кювет в кюветное отделение надо следить за тем, чтобы они рас­полагались на одинаковом расстоянии от светофильтра. Кюветы берут за стенки, через которые не проходит поток электромагнитного излучения.

Оптическую плотность стандартного и анализируемого растворов всегда измеряют по отношению к раствору сравнения,

Рис. 24.4. Градуировочный график

или нулевому раствору. В качестве такого раствора можно использовать раствор, содержащий все добавляе­мые реактивы, кроме определяемого вещества. Если же все компоненты раствора сравнения и добавляемый реагент бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой части спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

Определение концентрации растворов на фотоколори­метрах проводят обычно с помощью градуировочного гра­фика (рис. 24.4). Градуировочный график отражает связь между оптической плотностью А (ранее обозначаемой бук­вой Д) и концентрацией С вещества в сериях стандартных растворов. Оптическую плотность называют также аб­сорбцией (А). Для построения градуировочного графика готовят стандартный раствор, содержащий строго опреде­ленное количество исследуемого вещества. Из этого стан­дартного раствора готовят серию стандартных растворов с постепенно возрастающими концентрациями определяе­мого вещества. С этой целью точно измеренные объемы исходного стандартного раствора переносят в мерные кол­бы вместимостью 100 мл и добавляют соответствующие реактивы, вызывающие окраску анализируемого раство­ра. Затем содержимое каждой колбы доводят дистиллиро­ванной водой до метки. Определение оптической плотнос­ти приготовленных стандартных растворов начинают с раствора, окрашенного слабее других. По полученным данным строят градуировочный график. На оси абсцисс откла­дывают значения концентраций стандартных растворов (размерности концентраций могут быть любыми); на оси ординат - величины их оптических плотностей. Приготов­ление стандартных и анализируемого растворов проводят в строго одинаковых условиях. В дальнейшем по градуировочному графику определяют концентрацию вещества в анализируемом растворе, зная его оптическую плотность.

Градуировочный график, построенный для определе­ния какого-либо вещества, справедлив только для опреде­ления данного вещества по данной методике.

Определение железа. Ионы трехвалентного железа в кислой среде взаимодействуют с роданид-ионами и, в за­висимости от концентрации последних, образуют ряд комплексов. В растворе могут существовать железороданидные комплексы с координационным числом от 1 до 6. Поэтому при определении железа применяют большой из­быток роданида, при котором образуется соединение Fe(SCN)₃:

Fe³⁺ + 3SCN^- ↔ Fe(SCN)₃.

Лабораторная работа 1. Определение ионов железа ме­тодом стандартного ряда.

Цель работы. Приобрести навыки колориметрического определения ионов трехвалентного железа.

Оборудование. Колориметрические или простые про­бирки.

Реактивы. 1. Стандартный раствор соли железа (III), который готовят следующим образом: 0,8640 г железоаммонийных квасцов NH₄Fe(SO₄)₂ • 12Н₂О растворяют в мер­ной колбе вместимостью 1 л в 200-300 мл воды, добавля­ют 30 мл х.ч. серной кислоты (1:5) и доводят водой до метки. Приготовленный таким образом раствор содержит 0,1 мг железа в 1 мл.

2. Соляная кислота, разбавленная (1:1).

3. 5М раствор роданида аммония NH₄SCN готовят пу­тем растворения 370 г его в дистиллированной воде и раз­бавляют водой до 1 л.

Выполнение работы. 10 мл стандартного раствора соли железа (III) помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл и разбавляют водой до метки. Полученный раствор содержит 0,01 мг железа в 1 мл раствора. Анализируемый раствор помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл, разбавляют водой до метки и тщательно перемешивают. В 10 пробирок с помощью градуированной пипетки вносят соответственно5,0; 4,5; 4,0; 3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0; 0,5 мл разбавленного стандартного раствора. В одну пробирку вносят 5 мл анализируемого раствора. В каждую пробир­ку добавляют 4 капли раствора соляной кислоты (1:1) и 1 мл раствора роданида аммония NH₄SCN. Содержимое каждой пробирки доводят до объема 10 мл и хорошо пере­мешивают. Сравнивают окраску анализируемого раствора с окраской растворов в пробирках шкалы. Сравнение про­водят на белом фоне при одинаковом освещении. Необхо­димо избегать прямого попадания солнечных лучей на пробирки с растворами. Если при сравнении окраска ана­лизируемого раствора совпадает с окраской раствора в ка­кой-либо пробирке шкалы, то концентрации таких раство­ров одинаковы. Если интенсивность окраски анализируе­мого раствора является средней между интенсивностью окраски двух соседних стандартных растворов, то концентрацию анализируемого раствора можно считать средней между концентрациями этих стандартных растворов.

Делают вывод о концентрации ионов железа в анализи­руемом растворе.

Лабораторная работа 2. Определение ионов железа ме­тодом уравнивания окраски.

Цель работы. Приобрести навыки определения ионов железа методом уравнивания окраски.

Оборудование. Мерные колбы, цилиндры Генера.

Реактивы. Хлороводородная кислота (1:1). Остальные см. в лабораторной работе 1.

Выполнение работы. В мерную колбу вместимостью 100 мл вносят 3 мл стандартного раствора соли желе­за (III), а в другую — анализируемый раствор. Затем в обе колбы добавляют воды до половины, по 10 капель хлоро­водородной кислоты и по 2 мл раствора роданида аммония NH₄SCN. Доводят содержимое колб до метки, закрывают пробкой и тщательно перемешивают, опрокидывая колбы вверх дном. Стандартный раствор наливают в цилиндр Ге­нера и устанавливают определенную высоту столба (до се­редины цилиндра). В другой цилиндр наливают анализируемый раствор. Предварительно каждый цилиндр опола­скивают тем окрашенным раствором, который будут в не­го наливать. Меняя высоту столба анализируемого раство­ра, уравнивают интенсивность окраски в обоих цилинд­рах. Определение повторяют 2 раза и берут среднее значе­ние. Рассчитывают содержание ионов железа в анализи­руемом растворе по формуле (24.7).

Делают вывод о содержании ионов железа в растворе.

Лабораторная работа 3. Фотоколориметрическое опре­деление ионов железа в растворе.

Цель работы. Приобрести навыки определения ионов железа в растворе фотоколориметрическим методом.

Оборудование. ФЭК любой марки, мерные колбы вмес­тимостью 50 мл.

Реактивы. Те же, что в лабораторных работах 1 и 2.

Выполнение работы. В мерную колбу вместимостью 50 мл помещают точный объем раствора неизвестной кон­центрации, добавляют 5 капель хлороводородной кисло­ты, добавляют воды до половины колбы и 1 мл раствора NH₄SCN. Доводят содержимое колбы водой до метки и перемешивают. Определяют оптическую плотность раствора при 500—560 нм (см. табл. 24.1) и в кювете с рабочей тол­щиной 1 см. По градуировочному графику определяют со­держание ионов железа в растворе.

Делают вывод о содержании ионов железа в растворе.

Лабораторная работа 4. Фотоколориметрическое опре­деление ионов кальция с кислотным хром синим К.

Ионы кальция образуют окрашенное соединение с кис­лотным хром синим К при рН = 12. Концентрацию ионов кальция в исследуемом растворе определяют с Помощью градуировочного графика, построенного по стандартным растворам хлорида кальция.

Цель работы. Приобрести навыки колориметрического определения ионов кальция в растворе.

Оборудование. ФЭК любой марки, аналитические ве­сы, мерные колбы вместимостью 25 мл, пипетки.

Реактивы. Кислотный хром синий К (раствор с массо­вой долей 0,1 %), раствор гидроксида натрия с массовой долей 2 %, стандартный раствор хлорида натрия.

Выполнение работы. В мерную колбу вместимостью 25 мл помещают 0,5-15 мл «исследуемого раствора соли кальция, добавляют 1 мл раствора кислотного хром сине­го К, 1 мл раствора NaOH, доводят водой до метки и пере­мешивают. Оптическую плотность окрашенного раствора измеряют в кювете с толщиной слоя 2 см при 480 нм (си­ний светофильтр). В качестве раствора сравнения исполь­зуют те же реактивы, что и в исследуемом растворе. Мак­симальная окраска раствора развивается сразу же после добавления кислотного хром синего К и остается постоян­ной в течение 2-3 ч. Линейная зависимость между кон­центрацией ионов кальция и оптической плотностью рас­твора наблюдается в интервале 1-30 мкг в растворе объе­мом 25 мл.

Для построения градуировочного графика 0,5466 г х.ч. СаСl₂ • 6Н₂О растворяют в воде в мерной колбе вместимос­тью 1 л. 2 мл этого раствора переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводят водой до метки и переме­шивают. 1 мл такого стандартного раствора хлорида каль­ция содержит 2 мкг ионов кальция. Этот раствор исполь­зуют для построения градуировочного графика.

С этой целью стандартные растворы хлорида кальция объемом 1,0; 2,5; 5,0; 10,0; 12,5 мл, содержащие соответ­ственно 2, 5, 10, 20, 25 мкг ионов кальция, обрабатывают также, как и анализируемый раствор.

Лабораторная работа 5. Фотоколориметрическое опре­деление ионов магния с эриохромом черным Т.

Эриохром черный Т образует с ионами магния окра­шенное (красное) соединение при рН 10. Окраска соедине­ния неустойчива, поэтому оптическую плотность опреде­ляют сразу же после смешивания всех растворов.

Цель работы. Приобрести навыки колориметрического определения ионов магния в растворе.

Оборудование. ФЭК любой марки, аналитические ве­сы, мерные колбы вместимостью 100 мл, пипетки.

Реактивы. Раствор эриохрома черного Т с массовой до­лей 0,1 % в метаноле. Растворяют при нагревании и полу­ченный раствор фильтруют.

Буферный раствор с рН 10,2.В100мл1М раствора ам­миака растворяют 0,75 г хлорида аммония.

Стандартный раствор сульфата магния.

Выполнение работы. В мерную колбу вместимостью 100 мл помещают 0,5 мл анализируемого раствора, добав­ляют 25 мл буферного раствора, разбавляют водой и перемешивают. Затем приливают 10 мл раствора эриохрома черного Т, перемешивают и разбавляют водой до метки. По­лученный раствор опять перемешивают и сразу измеряют оптическую плотность раствора по отношению к раствору сравнения при 520 нм. В качестве раствора сравнения ис­пользуют те же растворы, что и в анализируемом растворе.

Для построения градуировочного графика 1,0141 г х.ч. MgSO₄ • 7Н₂О растворяют в воде в мерной колбе вместимо­стью 1л. В 1 мл приготовленного стандартного раствора содержится 100 мкг ионов магния. Этот раствор использу­ют для построения градуировочного графика.

С этой целью стандартный раствор сульфата магния объемом 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 мл, содер­жащий соответственно 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 мкг, вносят в мерную колбу вместимостью 100 мл и обрабаты­вают также, как и анализируемый раствор.

В анализируемом растворе содержание ионов магния не должно превышать 100 мкг.

Лабораторная работа 6. Фотоколориметрическое опре­деление редуцирующих Сахаров в растворе.

Определение основано на том, что глюкоза, галактоза, арабиноза и другие сахара восстанавливают в щелочной среде гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆] в гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆]. Содержание сахара опре­деляют или по количеству выделившегося K₄[Fe(CN)₆] или же по избытку непрореагировавшего K₃[Fe(CN)₆].

Метод используют при определении больших концент­раций Сахаров (например, содержание глюкозы в пробе составляет 15-20 мг) в кондитерских и хлебо-булочных изделиях, напитках и овощных консервах.

Цель работы. Приобрести навыки колориметрического определения сахаров.

Оборудование. ФЭК любой марки, водяная баня, кони­ческие колбы, бюретки, мерные цилиндры, песочные ча­сы (1 мин).

Реактивы. Стандартный раствор глюкозы. 1,09 г чистой кристаллической глюкозы растворяют в мерной колбе вмести­мостью 500 мл. 1 мл такого раствора содержит 2 мг глюкозы.

Раствор K₃[Fe(CN)₆] готовят растворением 10 г этой со­ли в 1 л воды

Раствор гидроксида калия с концентрацией 1,25 моль/л.

Выполнение работы. В коническую колбу вносят 20 мл раствора K₃[Fe(CN)₆], 10 мл раствора гидроксида калия и 10 мл анализируемого раствора. Раствор кипятят на водяной бане 1 мин, охлаждают и измеряют оптическую плотность при 400-440 нм в кювете с толщиной слоя 10 мм. Поглоще­ние раствора обусловлено непрореагировавшим избытком K₃[Fe(CN)₆]. В качестве раствора сравнения служит вода.

Для построения градуировочного графика в 7 коничес­ких колб вносят по 20 мл раствора K₃[Fe(CN)₆], 10 мл рас­твора КОН и определенные объемы раствора глюкозы (6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 9,5 мл). В каждой колбе объем доводят водой до 40 мл.

Реакция между глюкозой и K₃[Fe(CN)₆] протекает не строго стехиометрически, поэтому градуировочный гра­фик непрямолинеен.

Определение аммиака. Обнаружение аммиака в воде свидетельствует о том, что вода является непригодной для питья. Реактив Несслера используют не только для качест­венного обнаружения аммиака и аммонийных солей, но и для их количественного определения с помощью фотометри­ческих методов анализа. Определение основано на реакции

2K₂[HgI₄] + 4KOH +NH₄Cl → [Hg₂ONH₂]I↓ + 3Н₂О + 7KI + КСl.

Фотометрическое определение аммиака в растворе со­пряжено с некоторыми особенностями. Определение ам­миака нельзя проводить, если содержание аммиака пре­вышает 5 мг/л, так как в этом случае выпадает красно-ко­ричневый осадок. После приливания реактива Несслера к анализируемому раствору последний при стоянии начина­ет коагулировать, поэтому сравнение окраски надо прово­дить до коагуляции. В то же время надо иметь в виду, что реакция солей аммония и аммиака с реактивом Несслера протекает не сразу. Если концентрация аммиака в раство­ре меньше 5 мг/л, то при приливании реактива Несслера возникает окрашивание раствора от желтого до светло-ко­ричневого. При содержании аммиака 0,05 мг/л окраши­вания не наблюдается.

Перед добавлением реактива Несслера в анализируе­мый раствор приливают раствор сегнетовой соли, которая связывает ионы магния, кальция и железа.

Для получения реактива Несслера поступают следую­щим образом. 32 г йодида ртути (II) HgI₂ и 20 г йодида ка­лия KI растворяют в 50 мл воды и доводят объем до 200 мл водой. 20 мл полученного раствора смешивают с 30 мл концентрированного раствора КОН. Реактив хранят в темном месте. Для получения воды, не содержащей амми­ака, дистиллированную воду перегоняют вторично в при­сутствии карбоната натрия.

Для приготовления стандартного раствора 0,3141 г х.ч. хлорида аммония NH₄Cl растворяют в мерной колбе вмес­тимостью 1 л в дистиллированной воде, не содержащей аммиака. Приготовленный таким образом раствор содер­жит 0,1 мг NH₃ в 1 мл раствора или 100 мг в 1 л раствора. Из этого раствора готовят стандартный раствор, для чего 10 мл раствора переносят с помощью пипетки Мора в мер­ную колбу вместимостью 100 мл и доливают водой до мет­ки. Стандартный раствор содержит 0,01 мг NH₃ в 1 мл рас­твора или 10 мг в 1 л раствора.

Для приготовления раствора сегнетовой соли взвеши­вают 50 г NaKC₄H₄O₆ • 4Н₂О (ч.д.а.) и растворяют в 100 мл нагретой до 40 °С свежеперегнанной воды.

Лабораторная работа 1. Определение аммиака в рас­творе методом стандартного ряда.

Цель работы. Приобрести навыки определения аммиа­ка методом стандартного ряда.

Оборудование. Колориметрические или простые про­бирки, мерные колбы вместимостью 100 мл.

Реактивы. 1. Стандартный раствор соли аммония, со­держащий 0,01 мг NH₃ в 1 мл раствора. 2. Раствор сегне­товой соли. 3. Реактив Несслера.

Выполнение работы. В 10 пробирок наливают соответ­ственно 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1,0; 1,4; 1,7; 2,0; 2,5; 3,0 мл стандартного раствора и доводят объем в каждой пробир­ке водой до 20 мл. 10 мл анализируемой воды наливают в пробирку и разбавляют водой до 20 мл.

В каждую пробирку стандартного ряда и в пробирку с анализируемым раствором приливают по 0,5 мл раствора сегнетовой соли, по 1 мл реактива Несслера и перемеши­вают. Через 5-7 мин после добавления реактивов сравни­вают окраску анализируемого раствора с окраской раство­ров стандартного ряда.

Если содержание аммиака в анализируемом растворе больше, чем в стандартном, необходимо раствор предвари­тельно разбавить. С этой целью определенный объем ана­лизируемого раствора помещают в мерную колбу вмести­мостью 100 мл и разбавляют водой до метки. Раствор тща­тельно перемешивают.

Делают вывод о содержании аммиака в воде.

Лабораторная работа 2. Фотоколориметрическое опре­деление аммиака в воде.

Цель работы. Приобрести навыки определения аммиа­ка фотоколориметрическим методом.

Оборудование. ФЭК любой марки, мерная колба вмес­тимостью 50 мл.

Реактивы. См. лабораторную работу 1.

Выполнение работы. Определенный объем анализируе­мого раствора помещают в мерную колбу вместимостью 50 мл и добавляют 0,5 мл раствора сегнетовой соли. Раз­бавляют раствор водой, добавляют 1 мл раствора Нессле­ра, приливают воду до метки и перемешивают. Оптичес­кую плотность полученного окрашенного раствора изме­ряют с синим светофильтром, поместив во вторую кювету дистиллированную воду в качестве раствора сравнения. По градуировочному графику определяют содержание ам­миака в воде.

Для построения градуировочного графика используют стандартный раствор аммиака, содержащий 0,01 мг NH₃ в 1 мл раствора. Определенные объемы стандартного рас­твора (табл. 24.2) помещают в мерную колбу вместимос­тью 50 мл и обрабатывают как анализируемый раствор.

Таблица 24.2. Данные к построению градуировочного графика для фотоколориметрического определения содержания аммиака в воде

№ опыта	Стандартный раствор NH3, мл	Содержание NH3, мг/л	№ опыта	Стандартный раствор NH3, мл	Содержание NH3, мг/л
1	1,0	0,20	6	6,0	1,20
2	2,0	0,40	7	7,0	1,40
3	3,0	0,60	8	8,0	1,60
4	4,0	0,80	9	9,0	1,80
5	5,0	1,00	10	10,0	2,00

Делают вывод о качестве воды.

Колориметрическое определение рН. Как известно, ре­акцию среды и рН водных растворов электролитов опреде­ляют с помощью индикаторов (гл. 2.1.). Теория кислотно-основных индикаторов изложена в гл. 20.3. Приближен­ное определение рН анализируемого раствора проводят с помощью универсальной индикаторной бумаги, которая представляет собой смесь индикаторов. Однако колориме­трическое определение рН можно проводить безбуферным и буферным методами. Точность этих методов не превы­шает 0,1 ед. рН. Наиболее распространенным методом без­буферного определения рН является метод Михаэлиса. Этот метод применяется в микробиологических лаборато­риях при проверке рН питательных сред, особенно агаро­вых. Метод Михаэлиса основан на применении стандарт­ных рядов, полученных с одноцветными индикаторами – динитро- и нитрофенолами - в растворах с различными значениями рН (табл. 24.3). Предварительно при помощи универсальной индикаторной бумаги узнают примерное значение рН анализируемого раствора. По этому значе­нию рН выбирают индикатор. Допустим, по универсаль­ной индикаторной бумаге рН анализируемого раствора 3,0. Следовательно, определение рН раствора надо прово­дить с индикатором 2,4-динитрофенолом, интервал пере­хода окраски которого равен 2,0 - 4,7 рН (см. табл. 24.3).

Таблица 24.3. Одноцветные индикаторы, предложенные Михаэлисом

Индикатор	Область перехода рН	Окраска в щелочной среде
Пикриновая кислота	0,0-1,3	Желтая
2,6-динитрофенол	1,7-4,4	«
2,4-динитрофенол	2,0-4,7	«
2,5-динитрофенол	4,0-5,4	«
л-нитрофенол	5,6-7,6	«
т-нитрофенол	6,6-8,6	«
Фенолфталеин	8,2-9,8	Красная
Салициловый желтый	10,0-12,0	Желтая

В пробирку наливают 3 мл анализируемого раствора, добавляют 0,5 мл выбранного индикатора и перемешива­ют. Окраску анализируемого раствора сравнивают с рас­творами этого индикатора с промежуточными значениями рН в интервале 2,0-4,7.Совпадение окраски анализируемого раствора и одного из стандартных растворов указыва­ет на то, что в обоих растворах одинаковое значение рН.

При отсутствии стандартных растворов выбранного ин­дикатора их готовят самостоятельно.

Буферный метод основан на сравнении окраски инди­катора в анализируемом растворе и в стандартных буфер­ных растворах с известными величинами рН, к которым добавлен тот же индикатор и в том же количестве.

Лабораторная работа. Колориметрическое определе­ние рН буферным методом.

Цель работы. Приобрести навыки определения рН бу­ферным методом.

Оборудование. Пробирки одинакового диаметра.

Реактивы. Буферные растворы, выбранный индикатор.

Выполнение работы. Определяют приближенное зна­чение рН анализируемого раствора по универсальной ин­дикаторной бумаге. С этой целью каплю анализируемого раствора наносят на полоску индикаторной бумаги и срав­нивают окраску пятна на индикаторной бумаге с окраской цветной шкалы рН, прилагаемой к индикаторной бумаге.

Затем по ориентировочному значению рН выбирают индикатор и состав буферного раствора (ацетатный, фос­фатный) для данной области рН. Например, ориентиро­вочное значение рН равно 4. Тогда для точного определе­ния рН готовят серию ацетатных буферных растворов (табл. 24.4), рН которых отличаются друг от друга при­мерно на 0,2 единицы и охватывают область приближен­ного значения рН. В данном случае для точного определе­ния рН готовят по 10 мл ацетатных буферных растворов с рН 3,80; 4,15; 4,39; 4,58. Приготовленные буферные рас­творы помещают в пронумерованные пробирки и прибав­ляют в каждую пробирку по 3 капли индикатора метил­оранжа. Растворы тщательно перемешивают. В отдель­ную пробирку такого же диаметра приливают 10 мл ана­лизируемого раствора, добавляют 3 капли индикатора ме­тилоранжа и перемешивают. Сравнивают окраску анали­зируемого раствора с окраской буферных растворов на фо­не белой бумаги. Значение рН анализируемого раствора равно рН того буферного раствора, окраска которого сов­падает с окраской анализируемого. Если окраска анализируемого раствора лежит между окраской двух соседних буферных растворов, например с рН 4,15 и рН 4,39, то ис­комое значение рН раствора будет 4,27.

Таблица 24.4. Приготовление буферных растворов для определения рН

А*, мл	В, мл	Ацетатный буфер, рН	Фосфатный буфер, рН
9 8 7 6 5 4 3 2 1	1 2 3 4 5 6 7 8 9	3,80 4,15 4,39 4,58 4,76 4,93 5,12 5,36 5,17	5,91 6,24 6,47 6,64 6,81 6,98 7,17 7,38 7,73

* Примечание. 1. Ацетатный буфер: 0,1М раствор СН₃СООН (А);

0,1М раствор CH₃COONa (В).

2. Фосфатный буфер: 0,1М раствор NaH₂PO₄ (A);

0,1М раствор Na₂HPO₄ (В).

Делают вывод о значении рН анализируемого раствора.