8. Колориметрия

Колориметрия – метод измерения выхода продукта колориметрической реакции (реакции, в результате которой из бесцветных продуктов возникает окрашенный) по поглощению света в видимой части спектра. Затем к колориметрии стали относить измерение поглощения света любыми окрашенными веществами при помощи упрощенных приборов, в которых определенные участки видимого света выделялись при помощи светофильтров. Разработан ряд специальных фильтров, в частности интерференционных, для ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра и созданы упрощенные фотометры с их использованием. Работы, связанные с измерением поглощения света при помощи таких фотометров или абсорбциометров, часто относят к разделу колориметрии. По способу регистрации световых потоков различают методы визуальной колориметрии и фотоэлектрической. Целью колориметрии является определение концентрации растворов, а в некоторых случаях – анализ многокомпонентных систем.

В основе количественного определения лежит закон поглощения – закон Бургера–Ламберта–Бера. Однако пределы его применимости более ограничены, чем при спектральном анализе. Отклонения от закона в этом случае обусловлены в большей степени условиями измерения, т. е. соотношением ширины полосы поглощения и области пропускания фильтра. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем больше интервал линейной зависимости измеряемой оптической плотности от концентрации и шире возможности метода.

8.1. Визуальные методы

Визуальные методы основаны на сравнении интенсивности окраски исследуемого и стандартного растворов. Наиболее простым является метод стандартной шкалы, состоящей из растворов вещества известной концентрации. Концентрация анализируемого раствора принимается равной концентрации стандартного раствора, не отличающегося от него по своей окраске. Сравнение производят при одинаковых условиях освещения в эквивалентных пробирках при не слишком высокой интенсивности окраски растворов. Более совершенным является определение концентрации раствора при помощи концентрационных колориметров. Принцип их действия основан на выравнивании интенсивности поглощения света окрашенными растворами путем изменения толщины поглощающего слоя.

При соблюдении основного закона поглощения можно, зная концентрацию стандартного раствора С_ст и измерив толщины слоев, вычислить концентрацию анализируемого раствора С_х по уравнению

, (8.1)

где d_cт и d_x – толщина слоев стандартного и анализируемого растворов.

Принципиальная схема визуального колориметра такова: рассеянный дневной свет или свет от специального осветителя направляется двумя потоками через два одинаковых стакана с исследуемым и стандартным растворами. Свет проходит через стеклянные столбики, уровень погружения которых в стаканы определяет толщину слоя раствора, и при помощи специальной призмы освещает две половины поля зрения. Правая полови- на поля зрения освещается потоком, проходящим через левый стакан, а левая – проходящим через правый стакан. Меняя толщину слоя, т. е. опуская или поднимая стеклянные столбики (в некоторых приборах – перемещая стаканы относительно неподвижных столбиков), можно уравнять интенсивность окраски полей. Измерения обычно производят при толщине слоев не менее 5 и не более 30 мм. Толщину слоев измеряют по шкале при помощи нониусов. Точность отсчета ±0,1 мм.

Если встречаются затруднения в приготовлении растворов известной концентрации (растворы пигментов в растворителе), то в качестве стандартного выбирают раствор другого вещества, близкий по спектру (цвету) к измеряемому. Для этого раствора произведение концентрации на толщину слоя должно оставаться постоянным в широком интервале изменения концентрации и толщины слоя. Толщина слоя анализируемого раствора обычно остается постоянной. Для проведения измерений лучше пользоваться колориметрами, имеющими набор фильтров.

Принцип действия фотометров типа ФМ-56, ФМ-57, ФМ-58 основан на выравнивании световых потоков, проходящих через стандартное и анализируемое вещества (или их растворы), при помощи измерительных диафрагм. При равной освещенности обеих половин поля зрения окуляра справедливо (при условии выполнения основного закона поглощения) соотношение:

С_х = С_ст , (8.2)

где С_ст – концентрация стандартного раствора; D_х и D_ст – оптические плотности анализируемого и стандартного растворов.

Приборы снабжены двумя наборами светофильтров, один из которых содержит три широкополосных фильтра, второй – восемь фильтров, выделяющих участки видимого спектра шириной около 40 нм. Набор стеклянных кювет позволяет проводить измерения при толщине слоя 1; 10 и 50 мм. При проведении серийных анализов на этих приборах целесообразно пользоваться градировочным графиком, построенным в координатах оптическая плотность D – концентрация С на основании результатов измерения стандартных растворов различной концентрации, изменяющейся в требуемом для анализа интервале. Оптическая плотность растворов должна быть в пределах 0,15…0,85.