книги из ГПНТБ / Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие

дет значительно больше при ^-макс> чем ПРИ ^мипПоскольку практическая ошибка измерения оптической плотности раствора приблизительно одинакова во

всем диапазоне измерений, при большем изменении ДD (ошибка измерения) соот­ ветствующее ему изменение концентрации раствора А С (ошибка определения) будет гораздо больше при Ямин, чем при ЯмаксИными словами, точность опреде ления будет тем выше, чем ближе длина волны поглощаемого света к Амане*

Рис. 130. Сравнение точности измерения оптической плот­ ности раствора и фотометрического определения при раз­ ных длинах волн поглощаемого света:

о — спектры поглощения растворов; б — зависимость D от С при

Амане и Ямин

К совершенно аналогичному выводу можно прийти при анализе математи­ ческого выражения закона Бугера—Ламберта—Бера (VIII,10):

D—s^Cl.

Продифференцировав это выражение по С, получим

т. е. изменение оптической плотности раствора ДD с изменением концентрации ДС тем больше, чем больше молярный коэффициент погашения е^. Этот коэффи­

циент всегда является наибольшей величиной при Ямакс.

Преимущества применения монохроматического света при фотометрических измерениях заключаются и в том, что в ряде случаев можно проводить измерения в присутствии посторонних веществ, поглощающих свет в близких к максимуму поглощения определяемого вещества областях спектра. При этом влияние посто­ ронних веществ уменьшается или вовсе устраняется. Таким образом, применение монохроматического света увеличивает специфичность фотометрических методов анализа. В этом собственно и заключается главное отличие фотоколориметрии от спектрофотометрии. В спектрофотометре есть возможность измерять оптическую плотность исследуемого раствора при любой длине волны поглощаемого света, что невозможно при работе с фотоэлектроколориметром.

В настоящее время промышленность СССР выпускает целый ряд спектрофо­ тометрических приборов: СФ-4, СФ-4А, СФД-2 и др., а также саморегистрирую­ щие спектрофотометры: СФ-10, СФ-8, СФ-9.

На рис. 131 показан общий вид и принципиальная оптическая схема широко распространенного спектрофотометра СФ-4А. Рабочий диапазон этого прибора находится в пределах длин волн 220—1100 нм. Более Сложный по устройству спектрофотометр СФ-9 дает возможность автоматически регистрировать спектр пропускания и излучения в области 186—2500 нм. Внешний вид прибора показан на рис. 132.

340 —

15 17 16 Ш 12 1

тт /

Рис, 132. Внешний вид спектрофото­ метра СФ-9

Все фотометрические приборы (колориметры, фотоэлектроколориметры и спектрофотометры) широко применяются в агрохимическом анализе. Определе­ ние азота, фосфора, железа, марганца, меди и других элементов в почвах и расте­ ниях, изучение качественного и количественного состава органического вещест­ ва почвы, определение красящих и дубильных веществ в плодах, винах и виноматериалах — таков далеко не полный перечень вопросов, которые можно решать с помощью методов фотометрии.

§ 101. Методы анализа по фотометрии пламени

Метод «фотометрии пламени» или пламенная фотометрия за последнее время получил широкое распространение в агрохимическом анализе. Этот метод позво­ ляет быстро определять элементы с точностью от 2 до 4%, а иногда до 0,5—1%, что вполне достаточно для практических целей. Известно, что в пламени сначала происходит поглощение энергии атомами элемента в связи с переходом некоторых

лишь легко возбудимые элементы. Простота спектров дает возможность применять для выделения искомой спектральной линии светофильтры или монохроматоры с малой дисперсией. Благодаря быстроте и простоте анализа, несложности аппа­ ратуры и достаточно высокой точности метод пламенной фотометрии успешно применяется для определения щелочных и щелочноземельных металлов, которые очень трудно определять химическими методами.

Работа на пламенном фотометре сводится к следующему. По серии заранее приготовленных стандартных растворов, содержащих определяемый элемент, строят калибровочную прямую, откладывая по одной оси концентрации элемента, а по другой—показания гальванометра. Далее снимают показания гальваномет­ ра при введении в пламя горелки исследуемых растворов и по графику опреде­ ляют концентрацию. Метод отличается высокой производительностью. За рабочий день можно проанализировать не одну сотню проб. Неслучайно он нашел широкое

применение в агрохимии для определения обменных оснований в почвах и для анализа удобрений и растительных материалов.

^ИС' показан общий вид портативного пламенного фотометра марки ППФ-УНИИЗ, который предназначен для определения калия, натрия и кальция в почвенных вытяжках и других растворах.

— 342 -

§102. Оптические методы анализа

Коптическим методам анализа относятся рефрактометрия и поляриметрия. Эти методы получили широкое распространение в агрохимическом анализе.

Рефрактометрия. Рефрактометрические методы анализа основаны на опреде­ лении коэффициента преломления исследуемого вещества. Впервые рефракто­ метрия была применена для исследования состава жидкостей еще в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым.

При прохождении луча света из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью меняется его направление — он испытывает преломление или ре­ фракцию. Это явление вызвано тем, что скорость света зависит от оптической плотности среды: чем плотнее среда, тем скорость меньше. С изменением же ско­ рости света на границе раздела двух сред с различной плотностью связано из­ менение направления падающего луча.

Рис. 134. Преломление света и полное внутреннее отражение

Отношение синуса угла падения луча к синусу угла его преломления назы­

где а — угол падения, а 0 — угол преломления.

Угол падения и угол преломления — это углы, образованные лучом и пер­ пендикулярами, восставленными из точки падения луча на поверхность раздела двух сред.

Если луч света переходит из более плотной среды в среду с меньшей плот­ ностью (например, из стекла в жидкость или воздух), наступает момент, когда угол преломления становится равным 90°, и луч, не попадая в другую среду, бу­ дет скользить по поверхности раздела. Лучи с еще большим углом падения от­ ражаются от поверхности. Угол падения, при котором угол преломления дости­ гает 90° и луч скользит по поверхности раздела двух сред, называется углом

где а ' — угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение. Следовательно, коэффициент преломления равен синусу угла полного внутрен­ него отражения. Этот способ определения показателя преломления вещества и ле­

343 —

жит в основе многих конструкций рефрактометров. Следует отметить, что для особо точных измерений коэффициента преломления используется другой — интер­ ферометрический принцип определения, который здесь не рассматривается.

Коэффициент преломления вещества зависит от ряда факторов и прежде всего от длины волны падающего света. Поэтому для коэффициентов преломления всегда указывают, какой длине волны они соответствуют. Обычно коэффициент преломления определяется для следующих длин волн: желтая линия натрия (ли­ ния D) — X = 5893 А; красная линия водорода (линия С) — Я. = 6562, 8 А; синяя линия водорода (линия F) — Я = 4861,3 А; фиолетовая линия водорода (линия (?) — Я ■= 4340,5 А. Поэтому при особо точных измерениях в рефракто­ метрах пользуются монохроматическим светом с указанными длинами волн.

Коэффициент преломления зависит и от температуры окружающей среды, поэтому при рефрактометрических измерениях постоянство температуры играет большую роль. Для этой цели наиболее сложные рефрактометры оснащаются спе­ циальными термостатическими устройствами.

Рис. 135. Оптическая схема рефрактометра:

Принципиальная оптическая схема обычного рефрактометра изображена на рис. 135. Луч А при отражении от зеркала попадает через узкое окно на осве­ тительную призму, в ней А преломляется и проходит через слой исследуемой жид­ кости. Далее луч попадает в измерительную призму, снова преломляется и попа­ дает в зрительную трубу. Так проходят все лучи, угол падения которых на по­ верхности жидкости меньше предельного угла. Эти лучи освещают часть выход­ ного окна, видимого в зрительной трубе. Лучи, падающие на поверхность иссле­ дуемой жидкости под углом, равным предельному или даже больше его (лучи В и С на схеме), в зрительную трубу не попадут, в результате чего часть выходного окна измерительной призмы не будет освещена, и в трубе мы увидим границу све­ тотени.

Вращением призмы относительно трубы добиваются совмещения светотени с крестом нитей окуляра зрительной трубы, а связанный с призмами указатель показывает по шкале коэффициент преломления исследуемого раствора или же концентрацию растворенного вещества (например, сахарозы).

Компенсатор 3, состоящий из двух призм (из которых одна закреплена не­

Рефрактометры довольно широко применяются в агрохимических лаборато­ риях, в основном для определения концентрации сахара в растворах. Наша про­ мышленность выпускает специальные рефрактометры-сахариметры. На рис. 136 показан общий вид наиболее распространенного рефрактометра-сахариметра марки РПЛ (рефрактометр прецизионный лабораторный), который выпускается Киевским заводом контрольно-измерительных приборов.

Отличие сахариметра от обычного рефрактометра состоит в том, что в саха­ риметре измерительная призма неподвижна, а граница светотени получается на шкале показателей преломления с помощью специального зеркальца, вращением которого она может перемещаться по шкале. Шкала проградуирована в весовых

— 344 —

процентах^ сахарозы. При измерениях перекрестие нитей окуляра совмещают с границей светотени и делают отсчет по шкале. Промышленность выпускает так­ же портативные сахариметры (например, марки РП), которые предназначены для определения сахара в плодах непосредственно в полевых условиях. При помощи портативного ручного пресса получают сок исследуемого плода и в нем опреде­ ляют содержание сахара.

Лабораторные сахариметры широко используются также для определения свободной и связанной воды в растениях по изменению концентрации стандарт­ ного раствора сахарозы после взаимодействия его с исследуемым объектом.

Поляриметрия. Этот метод определения концентрации оптически активных веществ основан на измерении угла вращения поляризованного света. Как сле­ дует из электромагнитной теории света, колебания световых волн происходят

I

Плоскость ‘ колебаний

_Плоскость

поляризации

"II

Рис. 137. Естественный и поляризо­ ванные лучи

Рис. 136. Рефрактометр-сахариметр РПЛ:

в плоскости, перпендикулярной к направлению луча. У обычного естественного луча эти колебания происходят во всех плоскостях, которые перпендикулярны к направлению луча (рис. 137).

Кристаллические решетки некоторых кристаллов обладают способностью пропускать через себя свет только с определенным направлением колебаний. Свет, выходя из такого кристалла, имеет колебания только в одной плоскости. Такой свет называется поляризованным. Плоскость, в которой происходят коле­ бания его, называется плоскостью колебаний поляризованного света, а перпен­ дикулярная к ней плоскость — плоскостью поляризации (рис. 137).

Все вещества в кристаллическом состоянии, а также растворы различных ве­ ществ могут быть разделены на две категории, в зависимости от их отношения к поляризованному свету.

Вещества, способные изменять (вращать) плоскость поляризации света, на­ зываются оптически активными; вещества, не способные вращать плоскость по­ ляризации, — оптически неактивными. Оптическая активность, как известно, может быть обусловлена в основном двумя причинами; 1) особенностями строения кристаллической решетки вещества (Si02, NaC103) или 2) особенностями строе­ ния молекулы вещества; оптическая активность этих веществ обусловлена нали­ чием в молекуле асимметричных атомов углерода, серы, азота и других элемен­ тов. Так, глюкоза СвН12Ов имеет две различные оптически активные формы: а-

— 345 —

глюкозу и fJ-глюкозу, которые отличаются расположением атомов в молекуле:

Этот тип оптически активных веществ проявляет свою активность только в растворенном или расплавленном состоянии. Если через слой оптически актив­ ного вещества проходит поляризованный луч, плоскость поляризации луча ока­ зывается повернутой на некоторый угол, который называется углом поворота плоскости поляризации.

Рис. 138. Схема поляриметрического исследования

Поляриметрические измерения проводят при помощи двух специальных призм — николей, изготовленных из прозрачной разновидности исландского шпата СаС03 специальным способом. Один из николей играет роль поляризатора, другой — анализатора. Оба николя обладают свойством пропускать через себя лучи света, колебания которых лежат строго в одной плоскости (поляризованный луч).

На рис. 138 показана схема поляриметрического исследования. Если поляри­ затор и анализатор установлены параллельно (рис. 138, а), то свет пройдет через оба николя. Если анализатор повернуть на 90°, лучи света не пройдут через ана­ лизатор (рис. 138, б), потому что плоскости колебания лучей, которые пропус­ кают в данном случае оба николя, взаимно перпендикулярны. Света за анализа­ тором не будет: николи, как говорят, установлены на темноту. Если между Нико­

лями поместить раствор оптически активного вещества, в анализаторе вновь по­ явится свет (рис. 138, в).

-346 —

Это объясняется тем, что вышедший из раствора луч света имеет колебания уже в какой-то другой плоскости MN и может быть разложен по правилу парал­ лелограмма на два луча (рис. 138, г). Один из этих лучей будет иметь колебания в плоскости анализатора и потому может пройти через него. Чтобы вновь уста­ новить николи на темноту, необходимо анализатор повернуть на некоторый угол

чениях длины волны и температуры. Обычно вращение относится к температуре 20° С и желтой линии натрия [а)о°.

На основании рассмотренного выше соотношения (VIII, 16) можно опреде­ лить концентрацию оптически активного вещества в растворе. Для этого необ­ ходимо измерить угол вращения плоскости поляризации с известной толщиной слоя раствора и удельным вращением. Измерение углов вращения плоскости по­ ляризации производят в специальных приборах, называемых поляриметрами.

Поляриметр простейшего типа состоит из поляризатора, трубки, в которой находится исследуемый раствор, и анализатора. При работе с поляризатором этого типа анализатор устанавливают «на темноту», а затем вводят трубку с раствором. При этом поле светлеет за счет вращения плоскости поляризации оптически активным раствором. Поворотом анализатора можно добиться нового потемнения поля, при этом угол поворота анализатора соответствует углу вращения плоскости поляризации раствора, его отсчитывают непосредственно по шкале.

На несколько другом принципе основано устройство так называемых полутеневых поляриметров, в которых угол вращения определяется не по наибольшей освещенности или затененности оптического поля, а по достижению равномерной слабой освещенности — полутени.

— 347 —

На рис. 189 показан общий вид полутеневого поляриметра — глюкозиметра марки ПГ, который в настоящее время выпускается Киевским заводом контроль­

но-измерительных приборов.

Поляриметрический анализ широко распространен в агрохимическом ана­ лизе при определении концентрации оптически активных веществ. Особенно боль­ шое значение он имеет в сахарной промышленности, где применяется для опре­ деления содержания сахаристых веществ, а также в масляной промышленности, где используется совместно с рефрактометрическим методом для идентификации масел.

§ 103. Хроматографические методы анализа

Хроматографические методы анализа за последнее время нашли самое широ­ кое применение в решении важнейших вопросов не только сельского хозяйства, но и химии, биологии, атомной техники, медицины, а также в нефтеперерабаты­ вающей, нефтехимической, химической и газовой промышленности. Эти методы успешно применяются для автоматизации различных технологических процес­ сов.

Обладая высокой чувствительностью, методы хроматографии дают возмож­ ность разделять и выделять в чистом виде различные вещества из сложных сме­ сей близких по своей природе химических соединений. Именно благодаря хрома­ тографическому анализу появилась возможность разделения столь близких по свойствам соединений, как стереоизомеры, а также разнообразные вещества, входящие в состав растений, — аминокислоты, органические кислоты, различ­ ные углеводы, ферменты, пептиды, неорганические вещества и многие другие. Попутно отметим, что разделение веществ с применением физических и химиче­ ских методов является сложным и трудоемким процессом, который требует зна­ чительно больше времени.

Наши знания об антибиотиках, витаминах, алкалоидах, а также о динамике обмена веществ в растениях почти целиком получены методами хроматографии. Для хроматографического анализа требуются незначительные количества иссле­ дуемого вещества — десятые доли миллиграмма, а иногда микрограммы и даже доли микрограмма.

Впервые хроматографический метод анализа был открыт русским ботаником М. С. Цветом в 1903 г. Он использовал для целей разделения и очистки веществ их неодинаковую адсорбируемость на разных адсорбентах в присутствии различ­ ных жидких фаз. Характеризуя основной принцип своего метода, М. С. Цвет писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты...

расслаиваются в виде отдельных, различно окрашенных зон. Подобно свето­ вым лучам в спектре, различные компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за другом в столбе адсорбента и становятся доступными количественному определению. Такой расцветочный препарат я назвал хромато­ граммой, а соответствующий метод анализа — х р о м а т о г р а ф и ч е с к и м

м е т о д о м » .

Существуют четыре вида хроматографического анализа: адсорбционная хроматография, осадочная хроматография, распределительная хроматография и газо-жидкостная хроматография. В зависимости от механизма адсорбции раст­ воренного вещества адсорбционная хроматография может быть разделена на два подвида: молекулярная хроматография и ионообменная хроматография. С по­ мощью молекулярной хроматографии разделяют неэлектролиты в неводных растворах. Ионообменная хроматография используется для разделения ионов.

Молекулярная адсорбционная хроматография. Молекулярная адсорбция основана на том, что поверхность различных адсорбентов обладает определенным количеством свободной потенциальной энергии, мерой которой является энергия единицы поверхности, называемая капиллярной постоянной. Поскольку соглас­ но второму закону термодинамики процессы протекают в сторону уменьшения свободной энергии, поверхностная потенциальная энергия всегда стремится к ми­ нимальным значениям за счет накопления на поверхности адсорбента веществ с меньшей капиллярной постоянной, т. ё. за счет адсорбции.

— 348 —

Адсорбент, т. е. материал, субстрат, на котором адсорбируются (накапливаются)_другие вещества, должен обладать как можно большей поверхностью и боль­ шей, чем у этих веществ, капиллярной постоянной. Чем меньше капиллярная по­ стоянная адсорбируемого вещества, тем оно более способно снизить уровень потенциальной энергии тел с большей капиллярной постоянной (в данном случае адсорбента) и вступить с ним в более прочную связь.

В качестве адсорбентов применяют обычно тонко измельченные карбонат кальция, крахмал, окись алюминия, сахар, инулин и другие вещества. Адсор­ бентом равномерно заполняют стеклянную трубку (колонку) и через нее фильт­ руют раствор, содержащий несколько веществ, подлежащих разделению. По­ скольку разделяемые вещества обладают различной капиллярной активностью по отношению к адсорбенту, они адсорбируются в колонке в порядке убывания адсорбционной активности, т. е. в верхней части колонки накапливается наибо­ лее капиллярно активное вещество, в нижней — наименее капиллярно активное.

При промывании колонки каким-либо растворителем адсорбированные ве­ щества передвигаются вниз по колонке с определенной скоростью, образуя от­ дельные зоны, каждая из которых содержит только одну составную часть анали­ зируемой смеси. Фильтрат можно собирать раздельно или, разделив колонку на части, из каждой выделять адсорбированное вещество. G этой целью хроматогра­ фические колонки иногда изготовляют разборными, состоящими из ряда отдель­ ных хорошо пришлифованных друг к другу колец.

В качестве примера на рис. 140 изображена хроматограмма хлорофилла, которая впервые была получена Цветом в результате пропускания через хромато­ графическую колонку с адсорбентом петролейно-эфирного экстракта из свежих тканей зеленых растений и промывания колонки бензолом. Описание этой хромотограммы приведено в табл. 69. Помимо веществ, указанных в таблице, сквозь

листьев состоит из четырех главных компонентов, которые теперь различают как

м ых в е щ е с т в и р а з л и ч н о й с к о р о с т и п е р е д в и ж е н и я о т д е л ь н ы х з о н п р и п р о м ы в а н и и х р о м а т о г р а ф и ч е ­ с к о й к о л о н к и н е в о д н ы м р а с т в о р и т е л е м .

Ионообменная хроматография. Ионообменная адсорбционная хроматогра­ фия в отличие от молекулярной протекает под действием сил электровалентной (химической) связи. Она основана на обратимом стехиометрическом обмене содер­ жащихся в хроматографируемом растворе ионов на подвижные ионы адсорбента, который носит название ионита или ионообменника. Если в молекулярной хро­ матографии вымывание адсорбированных веществ производят чистым раствори­

— 349 —