2. Способы и оптимизация условий определения веществ фотометрическим методом

Вещества, имеющие интенсивные полосы поглощения (ε≥10³), определяют по их собственному поглощению. При определении веществ, имеющих слабоинтенсивные полосы поглощения, а также веществ, не обладающих сообственным светопоглощением в доступном спектральном диапазоне в УФ и видимой области спектра, используют химические реакции, сопровождающиеся образованием или разрушением светопоглощающих соединений. Эти реакции называются фотометрическими. При определении неорганических веществ чаще всего используют реакции комплексообразования с неорганическими и, особенно, с органическими реагентами. При определении органических веществ обычно прибегают к реакциям синтеза интенсивно окрашенных соединений (азосоединения, полиметиновые и хинониминовые красители и т. д.).

Как и любые другие реакции, применяемые в аналитической химии, фотометрические реакции, несмотря на различия в их химизме, должны протекать быстро, количественно, избирательно. Кроме того, светопоглощение образующихся или разрушающихся в результате фотометрической реакции веществ должно подчиняться основному закону светопоглощения и быть постоянным во времени.

В аналитической литературе описано большое число фотометрических реакций, предназначенных для определения неорганических и органических веществ. При выборе фотометрической реакции основное внимание уделяют таким характеристикам, как чувствительность и селективность определения. Важно, чтобы основной закон свегопоглощения выполнялся в широком интервале концентраций определяемого вещества.

Способы определения веществ методом абсорбционной молекулярной спектроскопии принято разделять на прямые и косвенные.

В прямых способах вещество определяют либо непосредственно по величине его свегопоглощения, либо с помощью подходящей фотометрической реакции это вещество переводят в светопо-глощающее соединение, а затем измеряют интенсивность его светопоглощения (т. е. фотометрируют):

X + R = ХR

X + R = X' +R'

определяемое реагент фотометрируемое

вещество вещество

При косвенных определениях измеряют светопоглощение вспомогательных веществ, которые при взаимодействии с определяемым веществом либо разрушаются (в этом случае содержание определяемого вещества находят по уменьшению светопоглощения вспомогательного соединения):

X + МR = МХ + R

определяемое вспомогательное слабопоглощающие

вещество фотометрируемое продукты

вещество реакции

либо образуют новые светопоглощающие вещества:

2 Сl^- + Ag₂ Сr О₄(тв) = 2АgС1(тв) + СгО₄^2-

определяемое вспомогательное фотометри-

вещество вещество руемое

вещество

Схема любого способа фотометрического определения включает несколько этапов:

• перевод анализируемого образца в раствор и отделение, в случае необходимости, мешающих компонентов;

• проведение фотометрической реакции (если определяемоевещество обладает интенсивным селективным поглощением, тонеобходимость в проведении фотометрической реакции отпадает);

• измерение светопоглощения раствора, полученного в результате проведения фотометрической реакции (или раствораанализирумого образца, если фотометрическая реакция не проводилась);

• расчет содержания определяемого вещества в анализируемом образце и его метрологическая оценка.

Каждый из перечисленных этапов одинаково важен, так как от правильности выполнения всех операций на том или ином этапе и учета всех факторов, влияющих на точность фотометрического определения, зависит конечный результат.

Фотометрические реакции проводят в условиях, обеспечивающих полноту превращения определяемого вещества. Важней­шими из них являются: рН раствора, концентрации реагентов, время реакции, температура.

Фотометрируемые растворы должны быть истинными во всем диапазоне определяемых концентраций. В тех случаях, ког­да это условие не выполняется, либо переходят в область более низких концентраций, либо используют защитные коллоиды, препятствующие образованию твердой фазы. Малорастворимые фотометрируемые соединения можно экстрагировать не смешивающимися с водой органическими растворителями. Метод, основанный на экстракции фотометрируемого соединения и измерении светопоглощения экстракта, называемый экстракционно-фотометрическим, получил широкое распространение. Его часто применяют при анализе сложных смесей, когда необходимо определить малые количества одних веществ в присутствии больших количеств других, например, при определении примесей в веществах высокой частоты. В ряде случаев применение экстракции позволяет повысить чувствительность фотометрических определений, поскольку дает возможность сконцентриро­вать малые количества определяемого вещества в органической фазе.

Абсорбционный молекулярный анализ в УФ и видимой области может быть выполнен фотометрическим или спектрофотометрическим методом. Для достижения максимальной чувствительности и точности определения измерение светопоглощения проводят в оптимальном интервале длин волн (частот), вырезаемом светофильтром в фотометрическом методе, и при оптимальной длине волны (частоте) в спектрофотометрическом методе. При выборе оптимального спектрального интервала или оптимальной длины волны (частоты) можно использовать любую полосу поглощения фотометрируемого соединения, свободную от наложения полос других веществ, присутствующих в растворе, и, по возможности, с большим коэффициентом поглощения. Если имеет место наложение полос, то выбирают такую область спектра, в которой можно пренебречь светопоглощением посторонних веществ. Когда этого сделать нельзя, используют специальные приемы, позволяющие учесть или исключить поглощение посторонних веществ, либо проводят разделение. Светофильтр и длину волны (частоту), используемые для измерения светопоглощения, принято называть рабочими. Очевидно, что длина волны максимального пропускания рабочего светофильтра должна располагаться вблизи максимума полосы поглощения.

Спектрофотометрический метод в сравнении с фотометрическим имеет преимущества в чувствительности и точности определения, если фотометрируемое соединение обладает узкими полосами поглощения. При фотометрировании соединений, имеющих широкополосные спектры, Спектрофотометрический метод не имеет преимуществ перед фотометрическим методом.

Поглощение исследуемого раствора обычно измеряют относительно растворителя, поглощение которого условно принимают равным нулю. Такой метод измерения называют абсолютным.

Относительная погрешность определения концентрации при фотометрических измерениях выражается формулой:

∆с/с = (∆А/А) + (∆k/k) + (∆l / l) (2-1)

где ∆с, ∆А, ∆k, ∆l — абсолютные погрешности определения (из­мерения) концентрации, оптической плотности, коэффициента поглощения и толщины поглощающего слоя, соответственно.

Наибольший вклад в суммарную погрешность определения концентрации вносит погрешность измерения оптической плотности:

∆А/А=0,434∆Т/(ТА)=0,434∆Т/(10^-АА) (2-2)

где ∆Т — абсолютная погрешность измерения пропускания.

У большинства фотометрических приборов стрелочного типа, имеющих малую измерительную шкалу, величина ∆Т постоянна по всей шкале пропускания и достигает значения ∆Т=± 0,003. Зависимость ∆А/А от А в этом случае представляет собой кривую с минимумом при А_опт=0,434 или Т_опт=36,8% (рис. 5). Интервал оптических плотностей, в котором относительная погрешность измерения оптической плотности не превышает удвоенной минимальной, т. е. (∆А/А)*100%≤2(∆А/А)_min*100% = 1,76%, ограничен значениями 0,12 и 1,2.

У высококачественных спектрофотометров величина ∆T на разных участках шкалы пропускания неодинакова и часто отвечает формуле ∆T= ± 0,003 . Кривая зависимости ∆А/А=f(А) в этом случае имеет минимум при А_опт=1,00

Рис. 5. Зависимость ∆ А/А от А: 1) ∆Т=± 0,003 (кривая Шмидта); 2) ∆Т= ±0,003√Т² + Т.

(Т_опт = 10,0%), а интервал оптических плотностей, в котором относительная погрешность ∆А/А не превышает 1,76%, расширяется в сторону больших значений оптических плотностей вплоть до А~3,0 (рис.5). Фактическую относительную погрешность измерения оптической плотности фотометрическим прибором и отвечающий этому прибору оптимальный диапазон измерения оптических плотностей можно оценить лишь на основе экспери­ментального изучения зависимости ∆А/А =f (A).

У большинства фотометрических приборов оптимальный диапазон оптических плотностей простирается от 0,12 до 1,2. При фиксированной толщине поглощающего слоя концентрации фотометрируемых растворов, отвечающие оптимальному диапазону оптических плотностей, могут различаться в 10 раз. Значительное расширение интервала концентраций фотометрируемых растворов может быть достигнуто изменением толщины поглощающего слоя. В наборах кю­вет, прилагаемых к фотометрическим приборам, имеются кюветы с толщиной поглощающего слоя от 0,10 до 100 мм. С их помощью можно фотомег рировать растворы, различающиеся по концентрации в 10000 раз при условии соблюдения ими основ­ного закона светопоглощения.

Концентрацию вещества в анализируемом растворе устанавливают, сравнивая его поглощение с поглощением растворов, содержащих известные количества определяемого вещества. Условия приготовления (порядок прибавления реагентов, их количества, кислотность раствора и т.д.) и измерения светопоглощения (светофильтр или длина волны, толщина кюветы) этих растворов должны быть строго идентичны. Для расчета концентрации вещества в анализируемом растворе по результатам фотометрических измерений используют метод градуировочного графика, метод добавок и метод коэффициента.