6.2. Фотометрические методы анализа
Фотометрические методы анализа – группа количественных аналитических методов, основанных на измерении пропускания, поглощения или рассеяния света определяемым веществом. В зависимости от характера взаимодействия определяемого вещества со световой энергией, способа её измерения и типа используемого оптического измерительного прибора различают следующие фотометрические методы:
1. Фотоколориметрию – определение количества вещества по поглощению полихроматического света, измеряемого фотоэлектрическими колориметрами в узких интервалах видимой части спектра.
2. Спектрофотометрию - определение количества вещества по поглощению монохроматического света, измеряемого призменными или дифракционными фотоэлектрическими спектрофотометрами.
3. Колориметрию - визуальное количественное определение вещества по интенсивности окраски раствора.
4. Турбодиметрию - определение количества вещества по поглощению света взвешенными частицами определяемого вещества и нефелометрию – определение количества вещества по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами определяемого вещества.
5. Флуорометрию - определение количества вещества по интенсивности флуоресценции, возникающей при облучении вещества УФ-лучами.
Наибольшее распространение получили спектрофотометрия и фотоколориметрия.
6.2.1. Фотоколориметрический анализ
Фотоколориметрия – определение количества вещества путём перевода определяемого компонента при помощи реактива в растворимое окрашенное соединение и измерение светопоглощения полученного раствора фотоэлектрическим колориметром в узких интервалах видимой части спектра. При количественных определениях сравнивают поглощение (или пропускание ) света исследуемым и стандартным растворами.
Зависимость между светопропусканием раствора и его концентрацией выражается законом Бугера – Ламберта – Бера
It = Io· 10-еlc
где It – интенсивность света после прохождения слоя; Io - интенсивность света до прохождения слоя; c – концентрация вещества, поглощающего свет, моль/л; l - толщина слоя раствора, поглощающего свет, см; е – молярный коэффициент поглощения. Учитывая, что
D = lg Iо/It
получим D = ålc, где D – величина оптической плотности.
При соблюдении этого закона между концентрацией окрашенного раствора и его оптической плотностью имеется прямолинейная зависимость, которая и используется при количественных определениях.
Оптимальное значение оптической плотности, обеспечивающее наибольшую точность измерений, равно 0,43, максимальное и минимальное значения l равны соответственно 2,00 и 0,01.
В связи с тем, что светопоглощения зависит от длины волны поглощаемого света, измерения оптической плотности растворов производят в той области спектра, в которой наблюдается максимальное поглощение света определяемым веществом. Это обеспечивает наибольшую точность и чувствительность определения. Для выделения из смешанного (белого) света лучей, которые максимально поглощаются анализируемым окрашенным раствором, применяют светофильтры, которые пропускают главным образом лучи лишь необходимого участка спектра.
В фотоколориметрическом анализе используют комплексные или внутрикомплексные соединения, продукты реакций окисления – восстановления, азосочетания и некоторые другие. Все окрашенные соединения должны удовлетворять следующим основным требованиям:
1. Достаточно высокая прочность (малая диссоциация) в водных растворах. Если используют заметно диссоциирующие окрашенные соединения, то для уменьшения их диссоциации применяют органические растворители, смешивающиеся с водой (спирты, ацетон, диоксан и др.), и вводят постоянный избыток реактива.
2. Достаточная устойчивость окраски во времени ( не менее 10-15 мин. )
3. Большое значение величины молярного коэффициента поглощения е. Для веществ с высокой поглощающей способностью величина е достигает 1,0·105 – 1,5·105, для веществ с малым светопоглощением 4,0·102 – 5,0·102.
Концентрацию раствора определяют различными методами.
По методу сравнения измеряют оптические плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов (Dст. и Dх); неизвестную концентрацию рассчитывают по формуле:
Сх=
Сст.·
Dx/
Dст.
где Сст – концентрация стандартного раствора. Метод применяют при стандартных определениях.
Метод калибровочного графика (калибровочной кривой). По серии стандартных окрашенных растворов, охватывающих область определяемой концентрации, строят калибровочный график зависимости оптической плотности раствора от его концентрации. Затем измеряют оптическую плотность исследуемого раствора и по калибровочному графику находят неизвестную концентрацию. Метод применяют при многократных, серийных анализах
По методу добавок измеряют оптическую плотность исследуемого окрашенного раствора, затем оптическую плотность того же раствора с известной добавкой определяемого компонента (Dх+доб.) и рассчитывают концентрацию вещества по формуле:
Сх= Сдоб.· Dx(Dx+доб.- Dx)
где Сдоб. – концентрация добавки в пересчёте на весь объём раствора.
Чувствительность определения в фотоколориметрическом анализе равна 1·10-7 г-моль/л. Применяют для определения малых количеств вещества 1·10-4 - 1·10-7 %. Относительная ошибка ± 0,5 – 2,0 %.