АБСОРБЦІЙНІ ОПТИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ

Аналітичне застосування абсорбційних оптичних ме­тодів аналізу грунтується на використанні об'єднаного закону світлопоглинання Бутера—Ламберта—Бера (основного закону світ-лопоглинання):

lg І₀/І = χ·С ·l

де I₀ - інтенсивність електромагнітного випромінювання, що па­дає на розчин речовини;

І - інтенсивність електромагнітного випромінювання, яке пройшло через розчин речовини;

l - товщина шару розчину;

C - концентрація розчину, що досліджується;

χ - показник поглинання розчину.

Величину lg І₀/І називають оптичною густиною (D). Її по­значають буквами А або D.

Показник поглинання χ — константа для кожної речовини при певній довжині хвилі світлового випромінювання. Вона дорів­нює оптичній густині розчину з концентрацією та товщиною шару, що дорівнюють одиниці.

Якщо концентрацію виражають в моль/дм³, то χ позначають через ε і називають молярним коефіцієнтом світлопоглинання (молярний коефіцієнт екстинкції). У разі, коли C - вагооб'ємна концентрація, коефіцієнт χ називають питомим коефіцієнтом світлопоглинання (питомим коефіцієнтом екстинкції)

Суворе підпорядкування закону Бугера—Ламберта—Бера має місце тільки при монохроматичному випромінюванні, яке викори­стовують у спектрофотометрії. У фотометрії використовують немонохроматичне випромінювання. При цьому основний закон світ­лопоглинання може бути застосованим з більшим або меншим наближенням, яке пов'язане з постійністю величин коефіцієнта поглинання в певному інтервалі довжин хвиль, що отримують за допомогою світлофільтрів. Вони дозволяють виділити порівняно вузький інтервал довжин хвиль у ділянці смуги поглинання речо­вини, що досліджується. При цьому найменші помилки матимуть місце для речовин з широкою смугою поглинання.

Слід відзначити, що відхилення від основного закону світло­поглинання можуть бути пов'язані також з процесами, які відбу­ваються в розчинах (асоціація, іонізація, комплексоутворення, гід­роліз, таутомерія). У цих випадках зв'язок між концентрацією та оптичною густиною виражають звичайно за допомогою експери­ментально знайденої залежності.

На підставі загальної властивості поглинання резонансного електромагнітного випромінювання розчинами речовин кожен з абсорбційних оптичних методів аналізу має ряд принципових особливостей, тому об'єднання цих методів в одну групу носить достатньо умовний характер.

МОЛЕКУЛЯРНИЙ АБСОРБЦІЙНИЙ АНАЛІЗ

Метод базується на поглинанні електромагнітного ви­промінювання молекулами або іонами досліджуваної речовини в ультрафіолетовій (УФ), видимій або інфрачервоній (ІЧ) ділян­ках спектра у відповідності з основним законом світлопоглинання Бугера – Ламберта - Бера.

Коефіцієнт поглинання (ε або χ) залежить від природи дослі­джуваної речовини і є функцією довжини хвилі. Як правило, ця за­лежність графічно відбивається кривою з чітко вираженим максиму­мом (або максимумами) при певних значеннях λ — довжин хвиль. Така крива у фотометрії носить назву кривої світлопоглинання або спектра поглинання речовини. Ця крива - специфічна характеристика речовин, яка використовується в кількісному аналізі для їх ідентифікації.

Фотометричні методи аналізу поділяються на дві групи. Така класифікація заснована на властивостях електромагнітного випромінювання, яке отримують на різних приладах:

- колориметрія і фотоколориметрія - аналіз за поглинанням розчинами немонохроматичного світла у видимій ділянці спектра (проводять аналіз речовин, які мають власне забарвлення або пе­реводять незабарвлені речовини в забарвлені за допомогою пев­них реакцій);

- спектрометрія — аналіз за вибірковим поглинанням розчи­нами речовин монохроматичного випромінювання в УФ-, види­мій та ІЧ-ділянках спектра.

Унаслідок указаних відмінностей у фотометричних методах використовуються різні способи приготування речовин для аналі­зу і різна апаратура для вимірювання поглинання електромагніт­ного випромінювання.

КОЛОРИМЕТРІЯ

Метод побудований на візуальному порівнянні забар­влень розчинів різних концентрацій за допомогою нескладних приладів.

У колориметрії, як правило, використовують методи:

- порівнювання;

- стандартних серій;

- колориметричного титрування.

За методом порівнювання співвідносять забарвлення досліджу­ваного та стандартного розчинів, змінюючи товщину шару до одер­жання забарвлення однакової інтенсивності.

Розрахунок концентрації досліджуваного розчину C_x прово­дять за формулою:

C_х = С_ст · h_ст / h_х,

де С_ст – концентрація стандартного розчину;

h_ст і h_х – товщина шару стандартного та досліджуваного розчинів відповідно.

У методі стандартних серій готують серію стандартних розчи­нів з точно відомим вмістом досліджуваної речовини і порівню­ють інтенсивність їх забарвлень з інтенсивністю забарвлення до­сліджуваного розчину за певних умов (однакова товщина шару). Про концентрацію досліджуваного розчину судять за збігом інтен­сивності його забарвлення з інтенсивністю забарвлення певного стандартного розчину.

Колориметричне титрування ґрунтується на порівнюванні інтен­сивностей забарвлень досліджуваного розчину та розчину, що міс­тить усі речовини, крім досліджуваної, при додаванні до остан­нього розчину досліджуваної речовини з відомою концентрацією.

ФОТОКОЛОРИМЕТРІЯ

Фотоколориметрія побудована на вимірюванні погли­нання немонохроматичного світла, що проходить крізь розчин за допомогою приладів, які називають фотоелектроколориметрами (ФЕК). Немонохроматичне випромінювання з вузьким діапазо­ном довжин хвиль одержують за допомогою світлофільтрів. Інтен­сивність немонохроматичного випромінювання визначають за ве­личиною струму, який виникає у фотоелементі. Шкала цих при­борів градуйована у величинах оптичної густини D та відсотках пропускання Т. Величина T дорівнює відношенню І/І₀. Зв'язок
між величинами D і Т виражають рівнянням:

D = - lg Т

Найбільш розповсюдженими є дві принципові схеми фотоелектроколориметрів:

- однопроменева - з одним фотоелементом;

- двопроменева — з двома фотоелементами.

Друга схема дозволяє уникнути помилок, які пов'язані з коли­ваннями напруги в мережі та зміною внаслідок цього фотостру­мів. У цілому відносна помилка фотоелектроколориметричних вимірювань не перевищує 3 %.

При розробці методик фотометричних визначень слід врахо­вувати ряд факторів:

-вибір світлофільтрів здійснюють таким чином, щоб макси­мум поглинання розчину (максимум на кривій світлопоглинання) відповідав мінімуму поглинання світлофільтра;

-визначення умов виконання фотометричної реакції (рН, природа і кількість реагенту та інші), які дозволяють отримувати стійкі за часом і достатньо високі значення оптичної густини.

Максимально відтворювані результати при мінімальній помил­ці визначення на фотоелектроколориметрах мають місце, коли оптична густина знаходиться в інтервалі 0,2- 0,7.

СПЕКТРОФОТОМЕТРІЯ

Відмінність цього методу від фотоколориметри по­лягає в тому, що аналіз здійснюють за поглинанням речовинами монохроматичного випромінювання у видимій, УФ- і ІЧ-ділянках спектра.

Якісний аналіз речовин за їх спектрами поглинання прово­дять двома способами:

- за відомими параметрами спектра поглинання досліджува­ної речовини;

- порівнянням спектрів поглинання розчину стандартної ре­човини і розчину досліджуваної речовини одного й того ж складу.

Застосування в аналізі методу спектрофотометрії, як і інших фотометричних методів, ґрунтується на використанні для визна­чення концентрацій речовин закону Бугера – Ламберта - Бера. На відміну від фотоколориметричних визначень у спектрофотометрії можна аналізувати не тільки забарвлені, але й безбарвні розчини. В останньому випадку аналіз проводять не у видимій, а в УФ- або ІЧ-ділянках спектра.

Спектрофотометричні методи в порівнянні з фотоколориметричними дозволяють вирішити більш широке коло питань:

— одночасове кількісне визначення декількох компонентів багатокомпонентних сумішей;

— визначення складу і констант стійкості комплексних сполук;

— визначення констант іонізації кислот, основ та ін.

Основним видом приладів для спектрофотометрії є спект­рофотометри, в яких на відміну від фотоелектроколориметрів­ монохроматизація забезпечується не світлофільтрами, а спеці­альними оптичними пристроями — монохроматорами, які дозволяють безперервно змінювати довжину хвилі електромагніт­ного випромінювання, що проходить крізь розчин, який аналізу­ють. Сучасні спектрофотометри, як і ФЕКи, мають дві принципо­ві схеми — одно- і двопроменеву і складаються, як правило, з п'яти основних вузлів:

- джерела видимого, ІЧ- або УФ-випромінювання;

- монохроматора (призми або дифракційної ґратки);

- кюветного відділення з кюветами;

- фотоелементів;

- індикатора сигналу фотоструму (гальванометр, цифровий вольтметр, мікропроцесор).

У спектрофотометричному аналізі, як і у фотоколориметрії, необхідно створювати оптимальні умови для досягнення певної точності і відтворюваності результатів. Відносна помилка спект­рофотометричних визначень індивідуальних речовин не переви­щує 2 %.

При вимірюваннях у видимій та УФ-ділянках спектра придат­ні розчинники, які не містять домішок, що поглинають у цій спек­тральній ділянці. Як розчинники використовують воду, спирти, хлороформ, розчини кислот та лугів.

Концентрацію розчину та товщину шару підбирають таким чином, щоб значення оптичної тгустини знаходилося у межах 0,2 – 0,7, що забезпечує мінімальну помилку вимірювань.

У кількісному аналізі використовують так звані аналітичні смуги поглинання, які повинні мати достатньо високий показник поглинання для індивідуальної речовини (використовують максимум або мінімум смуги погли­нання).

Використання ділянок крутого спаду або підйому кривої при­зводить до більших помилок вимірювань. У випадку наявності інших компонентів у розчині обрана смута по можливості не по­винна накладатися на смуги інших компонентів.

З метою перевірки правильності показань спектрофотометрів використовують стандартний зразок дикалію дихромату, з якого готують розчин, що містить 60,06 мг зазначеного зразка в одному літрі розчину, який готують за допомогою розчину сульфатної кислоти (концентрація 0,005 моль/дм³).

Величини оптичних густин для зазначеного розчину при різ­них довжинах хвиль повинні відповідати наведеним у таблиці:

Основні методи визначення концентрації розчинів за допомо­гою абсорбційної спектрофотометрії:

> метод порівняння оптичної густини стандартного і досліджува­ного розчинів

Вимірюють оптичну густину досліджуваного та стандартного розчинів (концентрація останнього повинна бути близькою до кон­центрації досліджуваного розчину). Розрахунок концентрації до­сліджуваного розчину C_x здійснюють за формулою:

C_x = D_x · C₀ / D₀,

де D_x та D₀ — оптична густина досліджуваного та стандартного розчинів відповідно; C₀ — концентрація стандартного розчину;

> метод градуювального графіка

Готують серію стандартних розчинів із стандартного зразка та будують градуювальний графік у координатах D – C. Вимірюють оптичну густину досліджуваного розчину та визначають його кон­центрацію за допомогою калібрувального графіка;

> метод визначення за середнім значенням молярного коефіцієнта поглинання

Визначають оптичну густину досліджуваного розчину і розра­ховують його концентрацію за допомогою рівняння основного закону світлопоглинання;

> метод домішок

Вимірюють оптичну густину досліджуваного розчину D_x. Після цього в нього вносять домішку речовини, що досліджується C_x, і визначають оптичну густину одержаного розчину D'. Розраху­нок концентрації досліджуваного розчину C_x здійснюють за фор­мулою:

C_x = D_x · C' / (D' - D_x).

У разі, коли домішку вводять у вигляді розчину стандартного зразка речовини, необхідно враховувати змінення об'єму дослі­джуваного розчину;

> метод фотометричного (спектрофотометричного) титрування

Посереднім методом визначення концентрацій, аналогічним для фотоелектро- і для спектрофотометрії, є метод фотометричного (спектрофотометричного) титрування. Фотометричне титруван­ня - один з різновидів титриметричного аналізу, при якому точ­ку еквівалентності визначають за заломленням на кривій титру­вання, побудованій у координатах: оптична густина, D - об'єм титранту, V. Оскільки цей метод менш чутливий, ніж абсолютні фотометричні методи, його застосовують при визначенні великих кількостей досліджуваних речовин у пробі.

При високих концентраціях розчинів досліджуваних речовин, коли оптична густина стає більшою від одиниці, різко зростає похибка спектрофотометричних вимірювань. її можна зменшити, якщо використовується метод диференційної спектрофотометрії. Цей метод відрізняється від звичайної фотометрії тим, що як роз­чин порівняння в ньому використовують не розчинник або роз­чин «холостої» проби, а розчин досліджуваної речовини або його аналітичної форми. При цьому концентрації досліджуваного роз­чину і розчину порівняння повинні бути близькими. Цей метод дозволяє розширити діапазон фотометричних визначень. Так, якщо розчин порівняння має оптичну густину D_nop = 1,2, а досліджува­ний розчин D_x = 1,6, тоді при вимірюванні оптичної густини до­сліджуваного розчину відносно оптичної густини розчину порів­няння одержують оптичну густину досліджуваного розчину, яка дорівнює різниці вказаних оптичних густин, тобто 0,4. При цьому результат попадає в ділянку шкали оптичних густин 0,2 - 0,7, де похибка вимірювань буде мінімальною.

Визначення концентрації досліджуваного розчину C_x здійсню­ють за градуювальним графіком. Для його побудування вимірю­ють оптичні густини серії стандартних розчинів досліджуваної речовини відносно розчину порівняння з концентрацією C₀. Роз­рахунок C_x можна зробити також за формулою:

C_x = D_x ·F + C₀,

F – аналітичний фактор, який розраховують наступним чином: F = (C_x - C₀) / D₀, вимірюють оптичні густини ряду стандартних розчинів досліджуваної речовини відносно розчину порівняння з кон­центрацією C₀; при цьому використовують середню величину F.

Екстракційно-фотометричний метод побудований на поєднанні екстракції досліджуваної речовини з подальшим її фотометрич­ним визначенням. Метод дозволяє визначати малі кількості од­них речовин у присутності великих кількостей інших. Цим мето­дом часто визначають малі кількості домішок. При цьому метод дозволяє не тільки виділити домішки, а також концентрувати їх.

Поиск по сайту: