3.2. Фотометрический метод определения вещества

Фотометрия представляет собой оптический метод анализа, основанный на измерениях оптических свойств анализируемого раствора, после введения в него реактива, реагирующего с определяемым компонентом с образованием интенсивно поглощающего свет соединения, в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра.

При прохождении через слой вещества (в частном случае раствора) светового потока с интенсивностью I₀ его интенсивность вследствие поглощения в слое, отражения и рассеяния уменьшается до значения I. Ослабление светового потока на выходе из раствора происходит за счет поглощения частицами вещества фотонов. Чем больше мощность светового потока и чем больше частиц вещества в растворе (т.е. чем больше концентрация), тем больше поглощение света веществом. Кроме того, величина поглощения будет зависеть и от длины пути светового потока: чем толще слой раствора, тем больше будет происходить столкновений частиц вещества с фотонами и тем большее будет поглощение. Но при этом надо учитывать, что не все фотоны поглощаются частицами вещества. Это связано с тем, что молекулы всех веществ могут существовать только в определенных энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями (орбиталями). Переход молекулы с одного уровня на другой сопровождается поглощением или испусканием фотона со строго определенной энергией, равной разности энергий энергетических уровней молекулы, т.е. молекулы, могут поглощать или испускать фотоны со строго определенной длиной волны. Поэтому при прохождении светового потока через раствор будет происходить ослабление света только определенной длины волны. Для каждого вещества максимум поглощения светового потока приходится на свой определенный интервал длин волн.

Интенсивности падающего светового потока I₀ и светового потока I, прошедшего через раствор, можно определить экспериментально. Доля рассеянного и отраженного света обычно мала и ею пренебрегают. Связь между интенсивностями световых потоков I₀ и I устанавливается законом Бугера-Ламберта, согласно которому однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии (при постоянной концентрации растворенного вещества).

Отношение I/I₀  называется пропусканием (Т), оно показывает, какая доля падающего на раствор света поглощается. Пропускание выражают в процентах. Для абсолютно прозрачных растворов Т=100%, для абсолютно непрозрачных Т=0.

Для характеристики поглощения излучения используют величину, называемую оптической плотностью, или экстинцией  (А):

A = lg(I₀/I) = – lgT.

Связь между концентрацией поглощающего раствора и его оптической плотностью выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества при постоянной толщине слоя:

A = lg(I₀/I) = kс,

где: k – коэффициент пропорциональности; с – концентрация растворенного вещества, моль/л.

Зависимость интенсивности светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от интенсивности падающего потока света, концентрации окрашенного вещества и толщины слоя раствора определяется объединенным законом Бугера-Ламберта-Бера, который является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа:

I = I₀10^–_^сl ,

где:  _  –  молярный коэффициент светопоглощения, зависящий от природы растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны света;

с – концентрация окрашенного раствора, моль/л;

l – толщина слоя раствора, см.

При соблюдении основного закона светопоглощения оптическая плотность раствора (А) прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощения, концентрации поглощающего вещества и толщине слоя раствора:

A = lg(I₀/I)  = _сl.

Измерение оптической плотности растворов производят с помощью фотометрических приборов.