книги из ГПНТБ / Бабко А.К. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура

Ч а с т ь в т о р а я

Методы измерения оптической

плотности растворов

Г Л А В А 9

ВИЗУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОКРАСКИ

§ 1. Общая характеристика методов измерения интенсивности поглощения света

Основной закон, связывающий оптическую плотность раствора

Переменными величинами в этом уравнении являются оптиче­ ская плотность (D), концентрация поглощающего свет компонента (С) и толщина слоя (Ь) .

В основе любого метода измерения оптической плотности рас­ твора лежит определение ослабления интенсивности светового по­ тока (лучше — при определенной длине волны) после прохождения через испытуемый раствор. Для этого обычно сравнивают два све­ товых потока: один, проходящий через испытуемый раствор, а дру­ гой, проходящий через определенный стандартный раствор или, по крайней мере, через растворитель. Сравнение можно проводить ви­ зуальными методами или посредством фотоэлектрических прибо­ ров. В случае первого метода можно лишь твердо констатировать наличие сходства или разницы в окраске, но оценить количественно степень различия ее невозможно. Поэтому при всех визуальных ме­ тодах интенсивность и цвет обоих световых потоков в момент из­ мерения должны быть одинаковыми. В соответствии с уравнением

(1)этого можно достичь тремя путями.

Изменение концентрации растворов. Для этой цели приме­

няются следующие способы: метод стандартной серии (метод шка­ лы), метод разбавления и колориметрического титрования. В пер­ вом случае готовят серию стандартных растворов с известным со­ держанием определяемого компонента и сравнивают испытуемый раствор с этой цветной шкалой. При методе разбавления готовят

170

только два раствора — испытуемый и стандартный. Затем более ин­ тенсивно окрашенный раствор разбавляют до тех пор, пока не срав­ няется окраска обоих растворов. По методу колориметрического титрования испытуемый раствор сравнивают с другим раствором, в который постепенно прибавляют определяемый компонент до по­ лучения одинаковой окраски. Если в изучаемых растворах имеется два окрашенных компонента, применяют особые приемы, связанные с использованием компаратора, а также светофильтров.

Изменение толщины слоя. Согласно уравнению (1) с измене­ нием толщины слоя будет изменяться и оптическая плотность. Для изменения толщины слоя в колориметрах применяют различные си­ стемы. В наиболее распространенных колориметрах толщину слоя изменяют путем погружения в окрашенный раствор бесцветного стеклянного цилиндра (колориметр. Дюбоска). После прохождения через испытуемый и стандартный растворы световые потоки попа­ дают в поле зрения окуляра, пде и наблюдается уравнивание ин­ тенсивности окраски.

Изменение интенсивности светового потока. Два световых по­ тока можно уравнять, в том случае, если более интенсивный осла­ бить при помощи измерительной диафрагмы. Зная отношение от­ верстий соответствующих диафрагм, можно рассчитать отношение интенсивностей окраски двух растворов и таким образом опреде­ лить концентрацию. Пользуясь хорошими светофильтрами, можно установить количественно оптическую плотность и обойтись без применения стандартного раствора при каждом отдельном опреде­ лении. Этот метод лежит в основе применения фотометра Пульфриха (ФМ).

Значительно шире применяются фотометрические методы. Из уравнения (1) очевидно, что концентрацию (С) поглощающего свет компонента можно рассчитать, если непосредственно измерить оп­ тическую плотность раствора (D), т. е. относительное уменьшение интенсивности светового потока.

Для этого можно применять приборы (фотоэлементы), в кото­ рых энергия световых колебаний превращается в электрический ток. Метод прямого измерения силы тока, возбужденного светом, в на­ стоящее время почти не применяется. При изучении свойств фото­ элементов выяснилось, что они имеют ряд недостатков, вследствие которых отклонение гальванометра не прямо пропорционально ин­ тенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент. Поэто­ му в фютоэлектрической фотометрии часто пользуются различными методами уравнивания интенсивности двух световых потоков, применяя иногда некоторые из описанных выше методов — метод диафрагм, колориметрического титрования и др.

Противопоставление визуальных и фотоэлектрических методов колориметрии или выделение последних в совершенно особую груп­ пу не имеет оснований, так как измерение интенсивности поглоще­ ния света является только частью колориметрического определения. Все химические методы, разработанные для визуальной колоримет-

171

рни, можно обычно применить и при использовании фотоэлементов (и обратно).

Фотоэлектрические методы в общем удобнее при большом коли­ честве однотипных анализов, так как менее связаны с условием освещения лаборатории.

В некоторых случаях, например когда реактив имеет собствен­ ную окраску, визуальные методы дают большую точность. В случае применения таких реактивов изменение концентрации определяе­ мого иона создает другие оттенки цвета раствора, тогда как общее, изменение поглощения света невелико. Поэтому фотоэлемент мо­ жет показывать слабое изменение интенсивности светового потока, между тем как глазом можно зафиксировать небольшую разницу в цвете (сдвиг Хма1;с).

Фотоэлементы применяются в приборах двух типов — в фото­ электроколориметрах (ФЭК) и в спектрофотометрах (СФ). В ФЭК обычно применяют светофильтры, позволяющие измерять оптиче­ скую плотность главным образом в некотором участке спектра. В СФ применяют разложение света призмой рли диффраадионноп решеткой. Это дает возможность измерять поглощение света в бо­ лее узком участке спектра, полностью устраняя поглощение других частей спектра.

§ 2. Метод стандартных серий (метод шкалы)

Предварительно готовят набор из 10—15 пробирок 'равного диа­ метра и одинакового цвета стекла. Затем в эту серию пробирок наливают различные, постепенно возрастающие количества стан­ дартного раствора определяемого компонента и разбавляют до оди­ накового объема. Далее во все пробирки прибавляют одинаковые количества реактивов и проделывают все операции, необходимые для переведения определяемого компонента в окрашенное соеди­ нение.

Иногда приготовление окрашенных стандартных растворов тре­ бует ряда длительных операций (например, выпаривание, кипяче­ ние и др.), которые неудобно проводить в пробирках. В этом слу­ чае в соответствии с методикой готовят окрашенные растворы отдельно, переносят их в мерные колбы, разбавляют до определен­ ного объема и затем аликвотные части растворов переносят в про­ бирки стандартной серии. Пробирки со стандартными окрашенными растворами хорошо закрывают (или даже запаивают). Анализи­ руемый раствор обрабатывают по той же методике и переносят в подобную же пробирку. Последнюю сравнивают с отдельными про­ бирками стандартной серии, выбирая такую, окраска которой наи­ более близка к испытуемому раствору. В случае сомнений в пра­ вильности сравнения окраски часто применяют следующий прием. Из штатива вынимают две пробирки, имеющие окраски, близкие к испытуемому раствору. Далее берут пробирки с испытуемым рас­ твором. Закрывая рукой номера пробирок, несколько раз перемо-

172

щают их и затем располагают в соответствии с постепенно изме­ няющейся окраской. Посмотрев теперь на номера пробирок, про­ веряют правильность прежнего определения.

Лучше всего сравнивать окраски в светлой комнате с рассеян­ ным светом, поставив пробирки на лист белой бумаги.

Восприятие различных впечатлений нашими органами чувств зависит от величины относительного изменения факторов, вызываю­ щих восприятие. Поэтому правильнее применять растворы, концент­ рация которых изменяется в геометрической прогрессии, т. е. так, чтобы соседние растворы отличались в 1,2—1,5 раза.

В таких случаях концентрации в стандартной серии можно изме­ нять в арифметической прогрессии.

Главной областью применения метода стандартных серий яв­ ляется выполнение массовых однотипных анализов. Нецелесообраз­ но, очевидно, готовить серию стандартных растворов для единич­ ных анализов.

В некоторых других методах (колориметрическое титрование, метод разбавления) стандартный окрашенный раствор необходимо готовить при каждом определении; это вызывает излишнюю затра­ ту времени, если в лаборатории выполняется много определений одного и того же компонента. Метод стандартных серий имеет еще одно преимущество по сравнению с методом колориметрического титрования. В первом случае можно применять окрашенные соеди­ нения, которые образуются довольно медленно, например фосфор-, номолибдеповая синь.

Метод стандартных серий чрезвычайно прост в отношении аппа- > ратуры и методики, в частности не требует применения бюреток и специальных измерительных приборов. Поэтому данный метод применяют для контроля производства в цехах, в полевых условиях и т. п.

Главным недостатком описанного метода является непостоянен во окраски многих соединений во времени. Иногда это связано с разложением реактива; например, при колориметрическом опреде­ лении титана при помощи перекиси водорода последняя постепенно разлагается и окраска растворов слабеет. В таких случаях ко всем стандартным растворам время от времени прибавляют новые пор1 ими реактива. Однако часто при стоянии растворов происходят бо­ лее глубокие изменения, например обесцвечивание органических красителей под влиянием света, реакции окисления — восстановле­ ния между реактивом и определяемым веществом и другие побоч1 ные процессы. " ч

Поэтому иногда вместо стандартных растворов данного соедш нения применяют светофильтры или растворы других соединений, идентичных по окраске, но устойчивых во времени. Например, вместо растворов цветных индикаторов — органических красителей, «выцветающих» 'на свету, применяют смеси растворов хлорида же1

173

леза (III) и нитрата кобальта; при помощи таких растворов молено получить ряд смесей с различным соотношением желтого и ерасного оттенков. Вместо раствора кремнемолибденовой кислоты, не­ достаточно устойчивого во времени, применяется раствор хромата калия. Для колориметрического определения фосфора путем вос­ становления фосфорномолибденовой кислоты используют эталоны из смеси растворов нитратов меди, кобальта и железа (1].

§ 3. Методы разбавления

Пробирки с испытуемым и стандартным раствором помещают в специальный штатив с вырезанными в нижней части сквозными

гой—получающимися при сильном разбав­ лении заметными ошибками вследствие диссоциации окрашенного соединения.

§4. Колориметрическое титрование (дублирование)

Вштатив (рис. 49)- помещают две одинаковые 'пронумерован­ ные .пробирки диаметром 2—2,5 см и высотой 25—30 см. Чтобы проверить равенство диаметров пробирок, наливают в .них одина­ ковое количество воды (например, .по 50 мл) и сравнивают высоту слоев жидкости. В пробирки вставляют мешалки с отогнутыми в

сторону верхними концами. Штатив с пробирками ставят на лист бумаги. В одну пробирку наливают испытуемый раствор и обраба­ тывают реактивом, необходимым для переведения определяемого компонента в окрашенное соединение. В случае необходимости об­ работку реактивом ведут отдельно и в пробирку помещают уже окрашенный раствор.

Во вторую пробирку помещают такое же количество реактива и (по возможности) те же посторонние вещества (соли, кислоты и т. д.), которые находятся в испытуемом растворе. Разбавляют

174

жидкости в обеих пробирках до одинакового объема. Затем во вто­ рую пробирку при перемешивании прибавляют из микробюретки стандартный раствор определяемого компонента до одинаковой окраски обеих пробирок. Если приходится прибавлять значительное количество стандартного раствора и объем раствора во второй про­ бирке заметно увеличивается, тогда соответственно разбавляют

испытуемый раствор.

Если при достижении приблизительно одинаковых окрасок труд­ но оценить их интенсивности, то убирают мешалки, вынимают из штатива обе пробирки, закрывают рукой номера пробирок и не­ сколько раз меняют их положение. После сравнения окрасок опре­ деляют, нужно ли еще прибавлять стандартный раствор. При сла­ бых интенсивностях окрасок сравнение ведут, наблюдая сверху.

ление следующим образом. В одну про­ бирку наливают испытуемый раствор и реактив, а во вторую преж­

де всего вливают такое количество стандартного раствора, кото­ рое было затрачено при первом (приближенном.) определении. Да-; лее прибавляют во вторую пробирку такое же количество посто­ ронних электролитов, которое имеется в испытуемом растворе, раз­ бавляют стандартный раствор до такого же объема, как испытуег мый раствор, и только после этого прибавляют реактив. Сравни­ вают окраски и, если они оказываются различными, прибавляют из бюретки стандартный раствор к той из пробирок, которая окра­ шена слабее. Если слабее была окрашена пробирка с испытуемым раствором, тогда из количества стандартного раствора, взятого вначале во вторую пробирку, вычитают количество стандартного раствора, затраченного на дополнительное уравнивание окрасок,'

175

Применение колориметрического титрования встречает серьез­ ные затруднения, если реакция переведения определяемого иона в окрашенное соединение идет медленно или требует ряда предвари­ тельных операции (кипячение, специальный порядок сливания ре­

активов и т. д.).

В этих случаях колориметрическое титрование можно применять только при условии, если в качестве стандарта использовать не раствор определяемого иона, а готовый окрашенный продукт ре­ акции или подходящий имитирующий раствор. Та<к, при определе­ нии марганца в виде перманганата нельзя применять для приго­ товления стандарта раствор соли марганца (II), так как для его

•окисления требуется некоторое время и нагревание в присутствии катализатора. Поэтому в качестве стандарта применяется раствор перманганата калия.

Метод колориметрического титрования дает в общем достаточно точные результаты; при оптимальной интенсивности окраски сред­ нее отклонение составляет обычно ие более 5%. По точности этот метод не уступает методу стандартных серий, а иногда и опреде­ лению при помощи колориметра, так как оптическая система по­ следнего более сложна и некоторые недостатки ее или поврежде­ ния сильно затрудняют определение.

В отличие от методов, связанных с применением колориметра, колориметрическое титрование можно применять для растворов тех веществ, которые не подчиняются закону Бэра, а также в слу­ чае окрашенных реактивов. Если имеется возможность приготовить устойчивый стандартный раствор, содержащий окрашенный про­ дукт реакции (а не самый определяемый ион), то колориметриче­ ское титрование можно применять даже при наличии в испытуемом растворе других окрашенных компонентов. Для этого в обе про­ бирки наливают испытуемый раствор, затем в одну пробирку вво­ дят реактив, а в другую (не вводя в нее реактива) прибавляют из микробюретки стандартный окрашенный раствор до одинаковой окраски.

£ 5. Применение колориметра

Для измерения интенсивности окраски в колориметре (рис. 50) испытуемый и стандартный растворы помещают обычно в цилиндры с плоским и ровным дном, причем окраску раствора наблюдают сверху*. Под цилиндром 2 находится осветитель 3, представляю­ щий собой чаще всего зеркало или белое матовое стекло, установ­ ленное под углом около 45°. Горизонтальный поток света попадает на зеркало, отражается от него, проходит через слой окрашенного

* Исключением в этом отношении являются клиповые колориметры, где растворы помещают в кюветы, имеющие форму призм, из которых одна призма клиновидная. Окраски сравнивают сбоку через плоские боковые стенки.

176

раствора и попадает в оптическую систему. Наличие в приборах кювет, а также того или другого механизма для изменений толщи­ ны слоя, требует помещения кювет на некотором расстоянии друг от друга. Между тем сравнение окраски более надежно, если срав­ нивать два световых потока, находящихся рядом друг с другом и имеющих общую границу.

Оптическая система колориметра сводит два световых потока, прошедших через растворы на некотором расстоянии, в две рядом идущие полосы с общей границей. При этом в поле зрения окуляра наблюдается обычно круг, разделенный по диаметру на две поло­ вины, одна из которых соответствует потоку света, прошедшему

через испытуемый раствор, другая — потоку света, прошедшему че­ рез стандартный раствор.

Точность работы с колориметром может быть увеличена при­ менением следующих приемов.

а) Первый отсчет делают так, что толщина слоя одного из рас­ творов постепенно увеличивается; таким образом, глаз наблюдает усиление окраски одной половины поля зрения. Для второго отсче­ та уравнивают окраски в обратном порядке, т. е. при постепенном уменьшении толщины слоя. Такое чередование наблюдений меньше утомляет глаз и дает более надежные результаты.

б) После нескольких измерений меняют местами цилиндры -с растворами (испытуемым и стандартным) и снова повторяют на­ блюдения. Этот прием дает возможность обнаружить и устранить наблюдаемое иногда неодинаковое освещение обоих цилиндров с растворами, потемнение отдельных оптических частей колориметра и др.

Если после этой операции наблюдается существенное различие результатов, то необходимо проверить оптическую систему прибо­ ра млн составить калибровочный график. Можно также проводить измерение аналогично тому, как проводится взвешивание на весах с неравноплечным коромыслом. Для этого устанавливают испытуе­ мый раствор в цилиндре / (рис. 51) на определенной высоте и из­ меняют высоту столба стандартного раствора в цилиндре 2 до уравнивания окрасок обеих половин поля зрения. Оставляют стан­ дартный раствор в цилиндре 2 на этой высоте, выливают испытуе­ мый раствор из цилиндра 1, наливают в него стандартный раствор и изменением высоты столба в цилиндре 1 уравнивают окраски при правильной установке высот растворов в первом случае; высоты столбов стандартного раствора должны быть одинаковыми. Эту величину, очевидно, и следует принять во внимание для расчета по формуле закона Бэра.

§ 6. Типы оптических систем колориметров

Зеркала. Цилиндры У и 2 (см. рис. 51) с испытуемым и стан­ дартным раствором закрывают сверху специальной насадкой, внут­ ри которой находятся два зеркала 3,4. Зеркало 3 покрыто зеркаль­ ным слоем только в нижней части 5, верхняя часть остается про­ зрачной. Поток света, прошедший через цилиндр У, отражается от зеркала 3 в части 5 и создает в окуляре определенную окраску

Рис. 52. Схема оптической системы колориметров:

а — с д в у м я п р и з м а м и ; б — с о д н о й п р и з м о й ; / , 2 — ц и ­ л и н д р ы ; 3— 5 — п р и з м ы .

нижней половины поля зрения. Поток света, прошедший через ци­ линдр 2, отражается от зеркала 4. Нижняя часть этого потока све­ та задерживается непрозрачным участком 5 зеркала 3, а верхняя часть этого светового потока создает определенную окраску в верх­ ней половине поля зрения окуляра.

178

Иногда вместо того, чтобы снимать верхнюю часть зеркального слоя, в зеркальном слое зеркала 3 делают круглое отверстие посе­ редине. Тогда в поле зрения окуляра наблюдается кольцо и круг. Внешнее кольцо соответствует потоку света, прошедшему через цилиндр 1 и отраженному от зеркала 3; внутренний круг соответ­ ствует потоку света, который прошел через отверстие слоя зер­ кала 3.

Колориметр с двумя призмами. Потоки света, проходящие через цилиндры 1 и 2, попадают в призмы 3 и 4 с параллельными сторо­

такой пластинки по отношению к потоку све­ та, проходящему через цилиндр 2. Грани ab и

ed играют такую же роль по отношению к потоку света, прошед­ шему через цилиндр 1. Таким образом, главное требование к приз­ ме 5 — строгая параллельность граней ab и dc, а также ае и Ьс.

В результате прохождения через призму abode потоков света из цилиндров 1 и 2 потоки сближаются и, попадая в объектив, да­ ют две половины поля зрения с общей границей. При этом, как видно из рис. 52, б, левая половина поля зрения соответствует пра­ вому цилиндру, и наоборот. Это кажущееся неудобство не имеет никакого значения.

Для удобства работы с прибором призму abode и окуляр обыч­ но устанавливают таким образом, чтобы поле зрения можно было наблюдать сбоку.

§ 7. Изменение толщины слоя в колориметре

Для определений с изменением толщины слоя раствора чаще всего применяют колориметры погружения. Однако для этой цели используют и другие типы колориметров.

Цилиндры с кранами (колориметры сливания). Толщину слоя растворов можно изменить наливая (или выливая) жидкость в ци­ линдр с плоским, ровным дном и наблюдая окраску сверху. Ци­