2.1.6. Фотометрические методы
Фотометрические методы количественного анализа основаны на избирательной способности различных веществ и их растворов поглощать световой поток. Этим методом в кондитерском производстве определяют содержание редуцирующих веществ, общего
сахара, алкоголя, цветность патоки, качество красителей, содержание некоторых тяжелых металлов и др.
В
Рис. 2.16. Схема
поглощения светового потока
рический метод — анализ по погло-щен ию Монохроматического света И фото- колориметрический — анализ по поглощению немонохроматического света.
При прохождении через слой (раствор) вещества светового потока с интенсивностью /о интенсивность вещества снижается вследствие поглощения в слое до значения /(рис. 2.16).
Количественная оценка поглощения света измеряется свето-пропусканием, светопоглощением и оптической плотностью.
Светопропускание (%)
(2.24)
где /—интенсивность светового потока, прошедшего через поглошающую среду, Дж; /о — интенсивность исходного светового потока, Дж.
Светопоглощение (%)
(2.25)
О птическая плотность D, или экстинкция Е,
(2.26)
С ветопропускание T связано с оптической плотностью D зависимостью:
(2.27)
Светопоглощение зависит от толщины поглощающего слоя / и от концентрации поглощающего вещества с.
Зависимость оптической плотности от толщины поглощающего слоя l и от концентрации растворенного вещества с выражается законом Бугера — Ламберта — Бера:
где ε — молярный коэффициент светопоглощения, моль-1 см-1; с — концентрация растворенного вещества, моль/дм3 (г/дм3); / — толщина поглощающего слоя, cм.
Молярный коэффициент светопоглощения е — величина постоянная, которая зависит от длины волны падающего света, природы растворенного вещества и численно равна оптической плотности раствора с концентрацией 1 моль/1 дм3 при толщине поглощающего слоя 1 см. Его значение сопровождается подстрочным индексом с указанием длины волны излучения, при которой он определен. Чувствительность- определения будет наибольшая, если выбирают длину волны излучения, при которой значения е максимальны. Зависимость значения оптической плотности, или молярного коэффициента светопоглощения, от длины волны изображают обычно в виде кривой на графике, которая называется спектром поглощения (рис. 2.17).
Закон Бугера — Ламберта — Бера справедлив лишь в том случае, если при изменении концентрации поглощающие свет частицы не подвергаются диссоциации или другим изменениям химического состава, меняющим число центров, поглощающих свет (комплексообразование, гидролиз и др.).
Светопропускание Т, так же как и светопоглощение Л, в отличие от оптической плотности D зависит от концентрации не прямолинейно, а логарифмически. В связи с этим в фотометрическом анализе сравнительно рздко свойства исследуемых растворов оценивают значениями светопропускания Т или поглощения А, а пользуются значениями оптической плотности D. Это значительно упрощает все расчеты, связанные с определением концентрации.
Для определения оптической плотности применяют фотоэлек-троколориметры и спектрофотометры.
Ф отоколориметры — приборы для измерения величин поглощения и пропускания фотоэлектрическим способом. Для ограничения длин волн светового потока в этих приборах применяют стеклянные фильтры, которые пропускают световой поток с широким интервалом длин волн (20—50 нм). Чтобы получить излучение с более узкой шириной полосы, используют комбинированные или специальные — интерференционные фильтры. В отличие от спектрофотомет-
(ров, в которых вместо фильтров ис-
пользуют монохроматоры, фотоколориметры обеспечивают меньшую точность определения результатов анализа.
Для проведения колориметричес-Рис.2.17. Спектр поглощения ра- анализа на фотоколориметре створа железосинеродистого выбирают такой светофильтр, калия чтобы
Рис. 2.18. Фотоэлектроколориметры:
а— КФК-2: 1—4 ручки; 5 — осветитель; 6—микроамперметр; 6— КФК-3: 1 — съемная крышка; 2, 4— рукоятки; 3 — металлическое основание; 5 — кожух
максимум поглощения раствора соответствовал максимуму пропускания светофильтра.
Чаще всего применяют фотоэлектроколориметры марок КФК-2 (рис. 2.18, а) и КФК-3 (рис. 2.18, б), предназначенные для измерения поглощения в диапазоне длин волн 315—980 нм, выделяемых 11 светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности растворов. Спектральные характеристики светофильтров представлены ниже.
№ светофильтра 123 4 5 6789 10 11 Длина волны, соот- 315 364 400 440 490 540 590 670 750 870 980 ветствующая максимуму светопропус-кания, нм
Принципиальная оптическая схема фотоколориметра представлена на рис. 2.19. Свет от малогабаритной лампы 1 проходит через систему линз, теплозащитный 2, нейтральный 3 и выбранный цветной 4 светофильтры, кювету 5 с раствором сравнения или исследуемым раствором, попадает на пластину б, которая делит световой поток на два: 90 % света направляется на фотоэлемент 7
Рис. 2.19. Принципиальная оптическая схема фотоколориметра
(при измерениях в области спектра 315—540 нм) и 10 % — на фотодиод 8 (при измерениях в области спектра 590—980 нм). Регистрирующим прибором, снимающим показания с фотоэлемента и фотодиода, служит микроамперметр.
Наиболее точные результаты получаются при оптической плотности порядка 0,4. Если оптическая плотность больше 0,75, то берут кювету с меньшей рабочей длиной, если оптическая плотность меньше 0,15, то используют кювету с большей рабочей длиной. При исследовании растворов различной концентрации кювету выбирают по раствору средней концентрации.
Спектрофотометр отличается от фотоколориметра тем, что в нем через раствор образца можно пропускать световой поток любой нужной длины волны. Существует много различных типов спектрофотометров. Однолучевые спектрофотометры (СФ-16, СФ-26 и СФ-46) предназначены для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности растворов и твердых веществ как в ультрафиолетовой (200—400 нм), так и в видимой (400—800 нм) и инфракрасной (800—1100 нм) областях спектра. Источниками излучения служат дейтериевая лампа (в области длин волн 186—350 нм) и лампа накаливания (320—1100 нм).
Принципиальная оптическая схема прибора представлена на рис. 2.20. Свет от источника / попадает на зеркальный конденсор 2, затем на плоское зеркало 3, которое отклоняет поток лучей на 90° и направляет его во входную щель 5, защищенную пластинкой 4. Прошедший через щель свет попадает на диспергирующую кварцевую призму 6, разлагающую его в спектр. Диспергированный поток направляется на зеркальный объектив 7, который фокусирует лучи в выходную щель 8. Призма соединена с помощью специального механизма со шкалой длин волн. Поворачивая призму вращением соответствующей рукоятки на выходе монохрома-тора, получают монохроматический поток света заданной длины волны, который после прохождения щели 8, кварцевой линзы 9,
Рис. 2.20. Оптическая схема однолучевого спектрофотометра
светофильтра 10, поглощающего рассеянный свет, кюветы с исследуемым раствором или раствором сравнения 11, защитной пластины 12 попадает на фотоэлемент 13.
Двухлучевые спектрофотометры СФ-14 и СФ-18 предназначены для измерения оптической плотности прозрачных и мутных сред и коэффициентов диффузного отражения твердых и порошкообразных веществ в видимой области спектра.
Последовательность измерений приведена в инструкциях к приборам.