Фотометрический и спектрофотометрический анализ

Фотометрический и спектрофотометрический методы количе­ственного анализа основаны на способности определяемого ве­щества — компонента смеси или газа, их окрашенных аналити­ческих форм поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона. Концентрацию поглощающего вещества находят, из­меряя поглощение. Поглощение при данной длине волны являет­ся, таким образом, материальным воплощением информации о качестве и количестве определяемого вещества и составляет ана­литический сигнал.

В практике фотометрического анализа используют УФ, види­мую и ИК области спектра. Наибольшее распространение полу­чили фотометрические методы анализа, основанные на поглоще­нии в видимой области спектра, т. е. в интервале длин волн 400— 780 нм. Это объясняется возможностью получения множества ин­тенсивно окрашенных органических и неорганических соедине­ний, пригодных для их фотометрического определения в видимой области спектра с помощью несложных и относительно недоро­гих приборов.

В зависимости от используемой для определения поглощения в УФ и видимой областях спектра аппаратуры различают фото­метрический и спектрофотометрический анализ. Оба эти метода основаны на общем фотометрическом принципе измерения по­глощения, но в первом методе измеряется поглощение полихро­матического излучения, во втором — монохроматического.

Фотометрические методы обеспечивают удовлетворительную воспроизводимость получаемых результатов, относительное стан­дартное отклонение S_r ≈ 0,01 - 0,03. Более совершенный спектро­фотометрический метод в большинстве практических случаев улучшает этот показатель.

Таким образом, фотометрический анализ — более широкое понятие по сравнению со спектрофотометрическим анализом, но, подчеркнем еще раз, оба метода по существу едины, их объ­единяет общность теоретических положений.

Если определяемое вещество обладает собственным поглоще­нием в УФ или видимой области, то центральное место в фотомет­рическом анализе приобретает химическая аналитическая реакция. Химические реакции, используемые в фотометрическом анализе, должны обязательно сопровождаться возникновением, измене­нием или ослаблением светопоглощения раствора. Как и каждая реакция, используемая в количественном анализе, цветная реак­ция должна протекать избирательно, быстро, полностью и воспро­изводимо. Окраска образующейся аналитической формы должна быть устойчивой во времени и к действию света, а поглощение раствора, дающее информацию о концентрации поглощающего вещества, должно подчиняться закону Бугера-Ламберта-Бера.

В неорганическом фотометрическом анализе наиболее часто применяют реакции комплексообразования ионов определяемых элементов с неорганическими и, особенно с органическими реа­гентами, реже реакции окисления-восстановления, синтеза и дру­гих типов. В органическом фотометрическом анализе чаще при­меняют реакции образования окрашенных соединений, которы­ми могут быть азосоединения, полиметиновые и хинониминовые красители, ациформы нитросоединений и др. Иногда используют собственную окраску веществ.

Таким образом, общая схема выполнения фотометрического определения едина и включает следующие стадии:

1) подготовку пробы и переведение определяемого вещества или компонента в раствор в реакционноспособной форме;

2) получение окрашенной аналитической формы определяе­мого вещества в результате проведения цветной реакции при оп­тимальных условиях, обеспечивающих ее избирательность и чув­ствительность;

3) измерение поглощения раствора аналитической формы, т. е. регистрация аналитического сигнала при определенных условиях, отвечающих его локализации и наибольшей интенсивности;

4) проверку результата анализа, оценку его воспроизводимости и выдачу окончательного результата с метрологической оценкой.

В зависимости от характера решаемой практической задачи фотометрическое определение можно выполнять собственно фо­тометрическим или спектрофотометрическим методом, измеряя светопоглощение раствора на приборе с низкой или высокой сте­пенью монохроматизации, т. е. на фотоэлектроколориметре или на спектрофотометре.

Условия фотометрического определения.

Фотометрический анализ выполняют при оптимальных усло­виях, обеспечивающих полноту образования аналитической фор­мы в растворе и отсутствие или минимизацию отклонений от за­кона Бугера—Ламберта—Бера. Важнейшие из них: оптимальное значение рН раствора, достаточный избыток реагента, селектив­ная аналитическая реакция, наилучшие условия измерения по­глощения.

Фотометрическое титрование.

Фотометрическое титрование основано на регистрации изме­нения поглощения (или пропускания) анализируемого раствора по мере прибавления титранта. По результатам измерений строят кривую титрования в координатах , где Vв — объем до­бавленного титранта, и по излому на ней или по скачку находят конечную точку титрования. Зная расход титранта, соответствую-щий этому моменту, вычисляют содержание определяемого ве­щества в титруемом растворе по обычным формулам титриметрического анализа. При этом исходят из того, что в момент эквива­лентности число молей эквивалента определяемого вещества n(А) в объеме титруемой пробы (т. е. в аликвотной части анализируе­мого раствора) равно числу молей эквивалента титранта

откуда

где — фактор эквивалентности реагента В в реакции с веще­ством А; — молекулярная масса А; — концентрация титранта, моль/л; — расход титранта, мл.

Величину поглощения А можно измерять, используя излуче­ние высокой степени монохроматичности, то есть при опреде­ленной длине волны λ в случае применения спектрофотометра, или в некотором интервале длин волн при работе с фотометром или фотоэлектроколориметром, когда монохроматизация осуще­ствляется с помощью светофильтров.

Реакции, используемые в титриметрии, должны быть стехиометричными, быстрыми, иметь достаточно большую константу равновесия и удобный способ индикации конечной точки — в дан­ном случае фотометрический. Преимуществом метода является возможность применения реакций, не заканчивающихся в точке эквивалентности (на рисунке кривые 2, 4), последнюю в этом слу­чае можно найти интерполяцией прямолинейных участков кривой титрования до их пересечения. С помощью этого приема можно определять очень слабые протолиты, регистрировать образование малоустойчивых комплексов, то есть проводить титриметрическое определение в тех случаях, когда невозможно добиться успе­ха при использовании других методов индикации конечной точки титрования.

В фотометрическом титро­вании могут быть использова­ны все химические реакции, применяемые в титриметрии: кислотно-основные, окисли­тельно-восстановительные, ре­акции осаждения, комплексо-образования. Для определения ионов металлов наиболее ши­роко используют реакции комплексообразования. Обобще­ние большого количества ма­териала по фотометрическо­му титрованию показало, что оно возможно, если . Чувст­вительность фотометрическо­го прибора достаточно высока и способна обеспечить регистрирование даже малых изменений поглощения, поэтому фотометрическое титрование относят к дос­таточно чувствительным методам анализа. Интенсивное поглоще­ние в УФ и видимой областях спектра, обусловленное разрешен­ными электронными переходами в реактантах титриметрических систем, позволяет с удовлетворительной воспроизводимостью и с высокой чувствительностью определять весьма малые количества веществ в сильно разбавленных растворах — до моль/л. Так как содержание определяемого вещества в пробе при фото­метрическом титрований находят не по поглощению, а по расходу титранта, который может быть измерен с большей, чем поглощение, точностью, то фотометрическое титрование отличается от обычной фотометрии лучшей воспроизводимостью получаемых результатов.

Существует два варианта фотометрического титрования — без­ындикаторный и индикаторный. Безындикаторное титрование (по собственному поглощению) может быть осуществлено в том случае, если хотя бы один из партнеров титриметрической систе­мы — определяемое вещество А, титрант В или продукт реакции С — поглощает излучение в выбранной рабочей оптической об­ласти. Например, кри­вая типа 1 получается при условии поглощения только продукта реакции С. В самом деле, по мере протекания реакции А + В → С, концентрация продукта реакции С нарастает и после достижения конечной точки практически не изменяется, этот момент титро­вания может быть зарегистрирован на кривой титрования. Кри­вая 2 отвечает титрованию окрашенного определяемого вещества А бесцветным титрантом В с образованием бесцветного продукта реакции С. Несмотря на то что реакция титрования здесь не за­канчивается в конечной точке, последнюю можно найти методом интерполяции, то есть, в этом случае реализуется одно из пре­имуществ фотометрического титрования.

Если партнеры аналитической реакции не обладают собствен­ным поглощением или оно очень мало, выполняют индикаторное титрование. При этом в титруемый раствор перед титрованием вводят индикатор, образующий окрашенное соединение с опре­деляемым веществом Ind + А → IndA или с избытком титранта Ind + В → IndB. В результате протекания аналитической реакции в момент эквивалентности происходит резкое уменьшение кон­центрации А или резкое увеличение концентрации Вив растворе протекают следующие реакции

IndA + В → С + Ind

или Ind + В → IndB,

вызывающие изменение состояния индикатора и, следовательно, поглощение титруемого раствора. В этом случае фотометриче­ский прибор регистрирует кривые титрования билогарифмического типа 7, 8. За конечную точку титрования принимают точку перегиба таких кривых.

Высокая чувствительность фотометрических измерений дает возможность регистрировать даже малые различия в равновесиях аналитических реакций компонентов анализируемой смеси с тит­рантом. Тем самым достигается ценная для практики избиратель­ность метода. Например, можно определять содержание двухтрех компонентов смеси с помощью одной процедуры титрова­ния, при этом на кривой титрования получается соответствующее число конечных точек, отвечающих последовательному оттитровыванию компонентов смеси. Таким образом, если константы равновесия нескольких аналитических реакций, чаще всего для двух определяемых веществ, неодинаковы и различаются в доста­точной степени, можно выполнить анализ смеси одним титрова­нием.

Аналогичный прием может быть реализован в индикаторном варианте титрования. В данном случае окраска комплексов обоих ионов ме­таллов с используемым индикатором одинакова. Следовательно, только фотометрический способ позволяет установить наличие двух конечных точек титрования, отвечающих последовательно оттитровываемым компонентам смеси.

Аналитические реакции в методе фотометрического титрова­ния проводят при оптимальных условиях, способствующих макси­мальному выходу аналитической формы, при длине волны, соот­ветствующей наибольшему поглощению того партнера, по окраске которого (или его соединения с индикатором при индикаторном титровании) следят за ходом реакции. При выборе индикатора для конкретного случая фотометрического титрования, естест­венно, следует соблюдать общие правила, сформулированные для титриметрических методов анализа, согласно которым момент изменения окраски индикатора должен соответствовать резкому изменению концентрации веществ А или В, в зависимости от из­бранного способа регистрации конечной точки титрования.