Tomchuk_POSІB_VET_BІOHІMІJa

Т – абсолютна температура;

F – постійна Фарадея (96500 Кл/моль);

n – число електронів, які беруть участь в реакції; аокис, авіднов – активності відповідно окисненої та відновленої форм редокс-систе-

ми;

Е° – стандартний потенціал редокс-системи. Потенціометричний метод використовують для визначення

концентрації іонів в розчині (пряма потенціометрія) та потенціометричного титрування, коли еквівалентну точку визначають за різкою зміною потенціалу.

Пряма потенціометрія. Методом прямої потенціометрії визначають концентрацію іонів водню (рН-метрія) і деяких інших іонів: K+, Na+, Cl-, F-, NH4+ (іономерія).

Для визначення рН частіше всього використовують скляні електроди. Вони являють собою трубку, до кінця якої припаяна кулька. Всередині електроду знаходиться хлористоводнева кислота (НСІ), насичений розчин АgСl та срібний дріт, тому розчин має постійну активність (концентрацію) іонів Гідрогену. При вимірювання рН розчину між внутрішньою та зовнішньою поверхнями скляної мембрани виникає різниця потенціалів При цьому потенціал внутрішньої поверхні залишається практично постійним, а потенціал зовнішньої поверхні залежить від рН розчину, який аналізується. Перевагами скляного електроду є простота роботи, швидке встановлення рівноваги та можливість визначення рН в окисню- вально-відновних системах.

У прямій потенціометрії градуювання електрохімічної комірки полягає в тому, що її по черзі заповнюють стандартними розчинами іону (Х), занурюють в неї іонселективний електрод та вимірюють Ест. Із залежності Ест від lgc(Х) знаходять параметри Ео та θ, а потім досліджуваному розчині вимірюють Ех та визначають:

де θ – стала величина для конкретної електрохімічної комірки, яка близька до теоретичного значення, що підраховується як

R·T/(n·F).

Потенціометричне титрування. Потенціометричне титру-

вання засноване на визначенні точки еквівалентності за результатами потенціометричних вимірів. Поблизу точки еквівалентності

31

відбувається різка зміна (стрибок) потенціалу індикаторного електроду. Так само, як і в інших титрометричних методах, реакції титрування потенціометра повинні протікати строго стехіометрично, мати високу швидкість і йти до кінця.

Для потенціометричного титрування збирають ланцюг з індикаторного електроду в аналізованому розчині і електроду порівняння. В якості електродів порівняння найчастіше використовують каломельний або хлорсрібний електроди. Тип індикаторного електроду залежить від властивостей розчину, що піддається титруванню, та його взаємодії з електродом.

Для знаходження точки еквівалентності часто будують диференціальну криву в координатах (ΔЕ/ΔV – V). На точку еквіваленттності вказує максимум отриманої кривої, а відлік по осі абсцис, відповідний цьому максимуму, дає об’єм титранта (V), який витрачений на титрування до точки еквівалентності.

Основними перевагами методу потенціометричного титрування є висока точність і можливість проводити визначення в розбавлених розчинах, в каламутних і забарвлених середовищах, а також визначати декілька речовин в одному розчині без попереднього розділення. Значно розширюється сфера практичного застосування потенціометричного титрування при використанні неводних розчинників. Воно дозволяє аналізувати багатокомпонентні системи, які у водному розчині визначити не можливе, провести аналіз речовин, що нерозчинні або розкладаються у воді. Потенціометричне титрування легко може бути автоматизоване.

Серед недоліків методу можна відмітити не завжди швидке встановлення потенціалу після додавання титранту та необхідність у багатьох випадках проводити при титруванні велику кількість відліків.

У потенціометричному аналізі основними вимірювальними приладами є потенціометри різних типів. Вони призначені для виміру ЕРС електродної системи. Оскільки ЕРС залежить від концентрації (активності) відповідних іонів в розчині, багато потенціометрів дозволяють безпосередньо вимірювати також величину рХ – від’ємний десятичний логарифм концентрації іона Х. Такий потенціометр в комплекті з відповідним іон-селективним електродом носить назву іономер. Якщо потенціометр і електродна система призначена для вимірювання лише іонів водню, прилад називається рН-метром (рис. 1.5).

32

1.3. ОПТИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ

Електромагнітне випромінювання оптичного діапазону – оп-

тичне (світлове) випромінювання – термін поєднує видиме світло, інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.

До оптичного діапазону відносяться електромагнітні хвилі з довжиною від 100 до 10000 нм, яке розділяють на три області :

-ультрафіолетову (УФ) 100–380 нм;

-видиму 380–760 нм;

-інфрачервону (ІЧ) 760–10000 нм.

Світло, як і інші електромагнітні хвилі характеризується час-

тотою, довжиною хвилі, поляризацією та інтенсивністю (визнача-

ється амплітудою хвилі). У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю (~300 000 км/с). Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі.

Світло, як електромагнітне випромінювання, має природу частки та хвилі одночасно. Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами чи фотонами, енергія яких залежить від частоти:

Е=h·ν=h·с/λ,

де Е – енергія кванта, ν – частота випромінювання, с – швид-

кість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі, h – стала Планка (6,62 10-34 Дж/с), λ – довжина хвилі.

Випромінювання, яке має тільки одну довжину хвилі називається монохроматичним, а яке охоплює більший інтервал – поліхроматичним. Властивості світла, від яких залежить сприйняття кольору, обумовлені довжиною хвилі чи частотою. Кожний колір в однорідному середовищі відповідає певній довжині хвилі та частоті. При переході в інше середовище довжина хвилі може змінюватись, а частота – ні. Відповідність між характеристиками монохроматичного світла та кольорами подано в табл. 1.2.

Потік світлової енергії, потрапляючи на речовину, частково відбивається та проходить через шар поглинаючої речовини. При проходженні випромінювання через речовину відбувається селективне його поглинання із певними частотами.

34

Таблиця 1.2. – Відповідність частот електромагнітного випромінювання та кольорів

Поглинання електромагнітного випромінювання речовиною (М) можна представити наступним чином:

М + hν M*

М* - атом чи молекула у збудженому стані.

Час перебування в цьому стані дуже малий (10-9–10-10 с), а повернення до основного стану частіше всього супроводжується виділенням тепла:

М* М + тепло.

Можливий розпад М* з утворенням нових речовин – фотохімічна реакція. Крім того, повернення до основного стану супроводжується виділенням фотона – флуоресценція.

М* М + hν+ тепло.

Оскільки час життя М* дуже малий то концентрація цих часток в будь-який момент часу при нормальних умовах незначна, а кількість тепла, що виділяється, невідчутна. Тому опромінення системи в процесі випромінювання супроводжується мінімальними її пошкодженнями, що є перевагою абсорбційних методів.

При переході світла із одного середовища в інше змінюється швидкість його розповсюдження, що призводить до заломлення. Поряд із заломленням на межі двох середовищ світло може також

35

відбиватись. Заломлення та відбиття світла використовується в різноманітних оптичних приладах: призмах, лінзах, дзеркалах.

Закон Бугера-Ламберта-Бера. Потік світлової енергії, проходячи крізь речовину, послаблюється. При цьому інтенсивність початкового випромінювання Іо зменшується до значення І. Відношення цих інтенсивностей називають пропусканням або коефіцієн-

том пропускання.

Т = I/Іо,

де Іо інтенсивність падаючого світлового потоку, І – інтенсивність потоку світла, яке пройшло через речовину.

Пропускання виражають, як правило, у відсотках. Для абсо-

Зниження інтенсивності залежить від концентрації речовини, що поглинає, та довжини шляху, який цей потік проходить. Зниження інтенсивності випромінювання при його проходженні через розчин підчиняється закону Бугера-Ламберта-Бера.

Згідно із цим законом:

або

-lg T = А= ε ·l·c,

де А – оптична густина світопоглинання (екстинція);

l – оптичний шлях (см), який дорівнює товщині зразка (кювети, в якій поміщують розчин );

c – молярна концентрація розчину речовини (моль/дм3);

ε – молярний коефіцієнт поглинання речовини, що поглинає світло, при певній довжині хвилі падаючого світла.

Фізичний зміст молярного коефіцієнта поглинання дорівнює значенню А речовини з концентрацією 1 моль/дм3 при довжині оптичного шляху 1 см. Молярний коефіцієнт поглинання – індивіду-

36

альна характеристика речовини, він залежить від природи речовини та довжини хвилі і не залежить від концентрації та довжини кювети. Максимально можливе значення ε складає ~105 дм3· см -1· моль -1.

У науковій літературі часто зустрічаються різні назви та позначення одних і тих же величин (табл. 1.3).

Таблиця 1.3. – Основні величини, які використовуються в абсорбційній спектроскопії

Закон Бугера-Ламберта-Бера лежить в основі визначення концентрації речовини за величиною їх екстинції. Однак не завжди спостерігається лінійна залежність між екстинцією А і молярною концентрацією с. Відхилення від основного закону світлопоглинання обумовлені двома причинами: немонохроматичністю потоку енергії і станом досліджуваної речовини.

Класифікація оптичних методів. До оптичних методів ана-

лізу відносять физико-хімічні методи, засновані на взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Ця взаємодія приво - дить до різних енергетичних переходів, які реєструються експериментально у вигляді поглинання випромінювання, віддзер-калення і розсіяння електромагнітного випромінювання.

У залежності від характеру взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням оптичні методи розділяють на :

абсорбційні (засновані на вимірюванні поглинання речовиною світлового випромінювання). До них відносять колориметрію, фотоколориметрію, спектрофотометрію, атомно-адсорбційні методи;

37

емісійні (засновані на вимірюванні інтенсивності світла, випромінюваного речовиною). До них відносяться флуориметрія, емісійний спектральний аналіз.

Методи, які пов’язані із взаємодією світлового випромінювання з суспензіями, поділяють на:

турбодиметрію (заснована на вимірюванні інтенсивності світла, яке поглинається незабарвленою суспензією, вимірювання проводять прямо в пучку світла);

нефелометрію (заснована на вимірюванні інтенсивності світла, яке відбивається або розсіюється забарвленою або незабарвленою суспензією, вимірювання проводять перпендикулярно до падаючого світла).

Методи, засновані на явищі поляризації молекул під дією світлового випромінювання ділять на :

рефрактометрію (заснована на вимірюванні показника заломлення світла);

поляриметрію (заснована на вимірюванні кута обертання площини поляризації поляризованого променя світла, що пройшов через оптично активне середовище).

Оптичні методи аналізу обумовлюють використання сучасних приладів різної складності, що дає ряд переваг у порівнянні з класичними хімічними методами: швидкість, простоту методики, використання невеликої кількості речовини для аналізу, можливість аналізувати сполуки будь-якої природи, проведення експрес аналізу багато компонентних сумішей. Крім того вони підвищують чутливість, точність і відтворюваність результатів.

1.3.1. Спектрофотометричні методи аналізу

До молекулярних абсорбційних методів відноситься фотометричний аналіз, який заснований на вимірюванні поглинання світла речовиною. Він включає саме спектрофотометрію (метод з використанням монохроматичного світла як у видимій, так і ультрафіолетовій та інфрачервоній частинах оптичного спектру) та фотоелектроколориметрію (метод, заснований на вимірюванні інтенсивності вузької смуги поліхроматичного світла у видимій частині оптичного спектру, яку виділяють, зокрема, світофільтрами.

Кожна речовина поглинає світло з певними (характерним лише для неї) довжинами хвиль, тобто довжина хвилі поглинутого світла

38

індивідуальна для кожної речовини і на цьому заснований якісний аналіз. Максимум поглинання світла в певній спектральній області є важливою оптичною характеристикою речовини, а весь спектр поглинання характеризує його якісну індивідуальність.

У забарвлених речовинах максимум поглинання світла частіше знаходиться у видимій частині спектру, проте він може бути і в ультрафіолетовій та ближній інфрачервоної області.

Вимірювання поглинання світла, яке проходить крізь досліджуваний розчин унаслідок адсорбції його досліджуваною речовиною здійснюють на спеціальних спектральних апаратах, у яких пробу речовини вміщують між джерелом світла та фотоелементом, що реєструє світло.

Фотоколориметрія. При фотоколориметричних методах аналіз здійснюється за поглинанням поліхроматичного світла за допомогою фотоелементів. Прилади для фотоколориметрії – фотоколориметри або фотоелектроколориметри. В фотоколориметрах є можливість часткової монохроматизації спектру світлофільтрами (див. далі). За їх допомогою обирають ділянку оптичного спектру в тій області довжин хвиль, де поглинання світла для даного розчину мінімальна. Світлофільтри обирають так, щоб максимум поглинання розчину відповідав максимуму пропускання світлофільтра (табл.

1.4).

Обчислення в фотометрії ґрунтуються на використанні форму-

ли:

де Сх – вміст іону в розчині; Сст – вміст іону в стандартному розчині; Dх – оптична густина аналізованого розчину; Dст – оптична густина стандартного розчину.

39

Таблиця 1.4. – Колір розчину і відповідні їм світлофільтри

Спектрофотометрія. Блок-схема найпростішого однопроменевого спектрофотометра наведена на рис. 1.6. Розглянемо більш детально його будову.

Рис. 1.6. Блок-схема однопроменевого спектрофотометра: 1 – джерело випромінювання, 2 – світофільтр або монохроматор, 3, 4 – блок з експериментальною (вимірювальною) і порівняльною (контрольною) кюветами; 5 – приймач випромінювання (детектор), 6 – помножувач; 7 – реєструючий пристрій

У спектрофотометрах джерелом випромінювання, як правило, є газорозрядні джерела світла ультрафіолетового і видимого діапазонів. Ртутні лампи використовують для одержання лінійного спектра в ультрафіолетовій, видимій та ближній інфрачервоній областях. Для лампи розжарювання максимум спектра випромінювання лежить в ближній інфрачервоній області, але

40