2.Сущность фотометрических методов анализа

Фотометрия (от греческого photos - свет и metreo - меряю) представляет собой метод количественного анализа, особенно для определения микроколичеств веществ. Метод дает возможность определить концентрацию вещества в растворе в тех случаях, когда вещество имеет собственную окраску либо приобретает окраску путем воздействия на него соответствующего химического реагента.

Сущность фотометрического анализа заключается в следующем: определяют уменьшение интенсивности потока монохроматического света (т.е. света с определенной, возможно узкой областью спектра) после прохождения его через определенной толщины слой окрашенного раствора и, учтя законы светопоглощения, делают вывод о концентрации растворенного вещества.

Основной закон светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера определяет зависимость между поглощением излучения раствором и концентрацией в нем поглощаемого вещества.

Закон выражается в следующем уравнении:

где: I₀ - начальная интенсивность света

I_t - интенсивность света, прошедшего через поглощающее вещество

Σ - коэффициент поглощения, характеризующийпоглощающую способность вещества

с - концентрация раствора (моль/л)

l - толщина слоя раствора, поглощающего свет в ст.

Величину обозначают символом D и называют оптической плотностью или обозначают символом Е и называют экстинкцией. Таким образом оптической плотностью (D) или экстинкцией (Е) поглощающего вещества называют величину, выраженную логарифмом отношения интенсивности светового потока (I₀), падающего на раствор к интенсивности светового потока I_t, прошедшего через раствор. Оптическая плотность (D) может принимать любые положительные значения от 0 до ∞, однако современные приборы позволяют измерять величины D, не превышающие 2.

В свою очередь отношение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор, к интенсивности светового потока, падающего на раствор, т.е. обозначают символом Т и называют пропусканием или прозрачностью раствора.

Если концентрацию раствора С равной 1 моль/л, а толщину слоя l равной 1см, то получим:

D=Е=Σ

Таким образом из этого уравнения следует, что оптическая плотность раствора численно совпадает с коэффициентом поглощения, когда С=l моль/л, а С раствора равна 1 см.

Величины Т и D необходимы для расчетов концентрации определенных веществ при выполнении фотометрических анализов.

Основными фотометрическими методами являются колориметрия, фотоэлектроколориметрия и спектрофотометрия. Фотометрическое (колориметрическое) определение окрашенных веществ основано на сравнении окраски или светопоглощения исследуемого раствора и стандартного для которого известно содержание определяемого вещества. Различают колориметрию визуальную - субъективную и фотоэлектрическую - объективную. В первом случае концентрацию вещества в растворе измеряют визуально при помощи компараторов, колориметров сливания, концентрационных колориметров (КОЛ-1М), универсального фотометра ФМ-56 и др. Основным недостатком визуальной колориметрии является малая точность (5-10 относительных процентов). Визуальные методы колориметрических определений являются субъективными; точность их зависит от индивидуальных особенностей зрения наблюдателя.

Применение фотоэлектрической колориметрии позволяет при помощи фотоэлементов, заменяющих глаз человека, избежать некоторых ошибок субъективной оценки при исследовании. Принцип фотоэлектроколориметрии состоит в том, что фотоэлементы под действием света дают электрический ток, интенсивность которого пропорциональна силе света. Если между источником света и фотоэлементом поместить светопоглощающую среду (например, окрашенный раствор), то сила фототока уменьшится в зависимости от интенсивности окраски раствора. Составив эмпирический график, в котором дана зависимость между интенсивностью фототока и концентрацией вещества в растворе, можно в каждом отдельном случае по интенсивности полученного фототока сделать заключение о концентрации вещества в растворе.

Приборы, которые используются для этой цели, носят название фотоэлектрических колориметров (ФЭКов). Современные фотоколориметры ФЭК-М, ФЭК-Н-52,54,57, ФЭК-56 являются двухлучевыми приборами с двумя фотоэлементами и имеют одинаковые принципиальные схемы. Конструкция приборов предусматривает уравнивание интенсивности двух световых потоков при помощи переменной щелевой диафрагмы. Измерительный аппарат фотоколориметров имеет шкалу оптической плотности В и пропускания (прозрачности) Т. Поскольку прямопропорциональная зависимость оптической плотности от концентрации веществ в растворе действительно только для монохроматического света (т.е. света с определенной длиной волны), в фотоэлектроколориметрах применяют светофильтры, при помощи которых получают световой поток определенного цвета с длиной волны изменяющейся в узких пределах.

Абсорбционная спектрофотометрия основана на том законе светопоглощения, что и фотоколориметрические методы, однако в отличие от последних в спектрофотометрии используется поглощение монохроматического света с очень узким интервалом длин волн (1-2нм), а это значительно увеличивает чувствительность и точность метода.

Спектрофотометры позволяют работать не только с окрашенными растворами в видимой области спектра (400-700нм), но и с "бесцветными" для глаза растворами, которые поглощают излучение в ультрафиолетовой (220-400нм) или ближней инфракрасной (760-1110нм) и 760-2500нм - [СФ-8, СФ-9] областях спектра. На спектрофотометре, так же как и фотоколориметре, измеряют оптическую плотность и процент пропускания световых потоков. Действие спектрофотометрии основано на принципе последовательного сравнения световых потоков, прошедших через эталон (растворитель) и исследуемый раствор; при этом используют фотоэлементы и специальные усилители. Пропускание светового потока через эталон принимается за 100%, а оптическая плотность - за 0.

Как отмечалось, концентрацию веществ можно определять при помощи рефрактометров. В основе рефрактометрических методов лежит явление изменения направления луча света (преломление) при переходе из одной среды в другую, при условии, если плотность сред неодинакова. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления обозначают символом и называют коэффициентом преломления или показателем преломления:

Коэффициент преломления растворов зависит от концентрации вещества в растворе и температуры. По показателю преломления можно определять количество вещества в растворе. Для этого используют рефрактометры различных марок. Например, исследование концентрации Сахаров производят рефрактометрами: РЛ, РПЛ, РЛУ. Для определения коэффициентов жиров и масел - РЛУ, ИРФ-22 и др.