Теория фотометрического метода

Если налить немного  этого раствора в высокий цилиндр  и измерять поглощение света сверху, т.е. в полном слое. Согласно условию, общее количество поглощающих свет центров остаётся постоянным при  разбавлении раствора, поэтому общее  светопоглощение также не изменяется. При разбавлении раствора в n раз  концентрация раствора уменьшится в n раз, а толщина слоя в цилиндре во столько же раз соответственно увеличится, поэтому общая оптическая плотность не изменится. Следовательно:

(13)

где k - коэффициент  пропорциональности, обозначаемый обычно через .

Пусть раствор, концентрация которого С₁ , при толщине слоя b₁ имеет такую же оптическую плотность, как и раствор того же вещества при большей толщине слоя b₂ . Очевидно, во втором растворе концентрация С₂ вещества меньше, чем в первом растворе в отношении:

С₁: С₂ = b₂ : b₁ (14)

С₁ b₁ = С₂ b₂ (15)

Эту зависимость  установил в 1852 г Бэр и экспериментально проверил её измерениями оптической плотности газообразного хлора  при различных давлениях.

Объединяя уравнения (9) и (14), можно написать:

(16)

Эта зависимость  называется законом Бугера - Ламберта - Бэра и применяется при различных  расчётах в фотометрическом анализе. Если концентрация С выражена в молях  на литр, а толщина слоя b - в сантиметрах, то коэффициент называют молярным коэффициентом  поглощения; он представляет собой  постоянную величину, зависящую от длины волны падающего света, природы растворённого вещества, температуры раствора, и соответствует  светопоглощению молярного раствора анализируемого вещества.

Также нужно сказать, что источниками ошибок при фотометрии могут быть отклонения от закона Бугера - Ламберта - Бэра и особенности возникающей  окраски. Отклонения от закона Бугера - Ламберта - Бэра могут быть вызваны  и посторонними веществами, присутствующими  в растворе.

5. Методы фотометрического анализа

Определение концентрации окрашенного вещества фотометрическим  методом практически сводится к  определению интенсивности светового  потока до и после поглощающего раствора (соответственно I₀ и I_t ). Абсолютное определение интенсивности этих световых потоков возможно только при помощи фотоэлементов. При определении по абсолютной интенсивности светового потока источник света, кювета с исследуемым раствором и приёмник света располагаются на одной прямой. Это так называемый метод однолучевой фотометрии.

Условия определения  концентрации вещества этим методом  также описываются законом Бугера - Ламберта - Бэра:

Поскольку фототок  пропорционален интенсивности падающего  света, то

где i₀ - фототок, пропорциональный интенсивности света I₀

i_t - фототок, пропорциональный интенсивности света I_t

Метод однолучевой  фотометрии очень прост, но требует  постоянства начального светового  потока. В фотометрическом анализе  однолучевая фотометрия используется в методе пропорциональных отклонений.

При измерении по методу сравнения интенсивностей световой поток от источника света пропускают через две параллельные кюветы, содержащие сравниваемые растворы; лучи, прошедшие  через кюветы, попадают на самостоятельные  приёмники света. Это так называемый метод двулучевой фотометрии. Сравнение  интенсивности световых потоков  можно проводить и визуально, человеческий глаз способен улавливать разницу в интенсивностях окрасок  в пределах 10 - 15%.

В фотометрическом  анализе применяются реакции  различных типов. Для определения  неорганических компонентов чаще всего  используют реакции образования (иногда - разрушения) окрашенных комплексных  соединений. Большинство металлов и  неметаллов способны к образованию  различных комплексных соединений, в том числе окрашенных, или, во всяком случае, способны к взаимодействию с окрашенными комплексами. Поэтому  область применения фотометрических  методов анализа практически  не имеет ограничений; в настоящее  время известны достаточно простые  фотометрические методы определения  почти всех элементов или их соединений. Для фотометрического определения  органических компонентов чаще всего  используют реакции синтеза окрашенных соединений. Реакции синтеза удобно применять и для определения  некоторых неорганических компонентов, например сульфидов или нитритов. Значительно реже применяют в  фотометрическом анализе реакции  окисления - восстановления. Ряд фотометрических  методов основан на каталитическом эффекте. Чувствительность фотометрических  методов, основанных на обычных реакциях образования окрашенных соединений, имеет естественный предел. Поэтому  если необходимо значительное повышение  чувствительности, определяемый компонент  вводят в некоторую систему в  качестве катализатора. В результате каждая частица определяемого компонента приводит к образованию большого количества частиц продукта реакции.

Таким образом, центральное  место в фотометрическом анализе  занимает химическая реакция. Время, затрачиваемое  на анализ, чувствительность метода, его  точность и избирательность зависят  от выбора химической реакции и оптимальных  условий образования окрашенного  соединения. Правильное измерение светопоглощения  имеет большое значение. Однако выбор  того или другого способа измерения  поглощения света обусловлен, как  правило, не особенностями анализируемого материала или выбранной реакцией, а общими условиями работы той  или другой лаборатории.

Приборы:

поглощение света  измеряют при помощи приборов с фотоэлементом. Такие приборы называют фотоэлектроколориметрами (ФЭК). В отличии от визуального  способа, с помощью ФЭК можно  непосредственно измерить ослабление интенсивности первоначального  светового потока. Поэтому нет  необходимости каждый раз готовить стандартный раствор. Обычно при  работе с ФЭК перед выполнением  анализов составляют калибровочный  график по серии стандартных растворов. Калибровочным графиком пользуются для многих определений, что очень  удобно для массовых однотипных анализов. Если поглощение света измеряют с  помощью ФЭК, такой способ называют фотоколориметрическим анализом.

наиболее совершенным, хотя и более сложным прибором является спектрофотометр. В спектрофотометре ослабление интенсивности светового  потока измеряется также с помощью  фотоэлементов. Однако в спектрофотометре имеется призма или дифракционная  решётка, а также щель. Это позволяет  выделить узкий участок спектра, именно тот, с которым «оптически реагирует» окрашенное соединение. Известно очень мало «серых веществ», поглощающих  свет равномерно во всех участках спектра. Большинство же окрашенных веществ  поглощает преимущественно какой-нибудь один участок спектра. Поэтому измерение  при длине волны, соответствующей  максимуму спектра поглощения, увеличивает  чувствительность. Кроме того, облегчается  определение одного окрашенного  соединения в присутствии другого, иначе окрашенного; в частности, при работе со спектрофотометром  значительно улучшаются результаты фотометрического определения с  применением окрашенных реактивов.

6. Основные приёмы фотометрических измерений

Метод градуировочного графика.

В соответствии с  законом Бугера - Ламберта - Бэра график в координатах А - с должен быть линеен и прямая должна проходить  через начало координат. Для построения такого графика достаточно одной  экспериментальной точки. Однако градуировочный график обычно строят не менее чем  по трём точкам, что повышает точность и надёжность определений. При отклонениях  от закона Бугера - Ламберта - Бэра, т. е. при нарушении линейной зависимости A от c, число точек на графике должно быть увеличено. Применение градуировочных графиков является наиболее распространённым и точным методом фотометрических  измерений. Основные ограничения метода связаны с трудностями приготовления  эталонных растворов и учётом влияния так называемых третьих  компонентов, т.е компонентов, которые  находятся в пробе, сами не определяются, но на результат влияют.

Метод молярного коэффициента поглощения.

При работе по этому  методу определяют оптическую плотность  нескольких стандартных растворов A_ст, для каждого раствора рассчитывают и полученное значение е усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора A_x и рассчитывают концентрацию c_x по формуле:

Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой  системы закону Бугера - Ламберта - Бэра, по крайней мере, в области исследуемых  концентраций.

Метод добавок.

Этот метод применяют  при анализе растворов сложного состава, так как он позволяет  автоматически учесть влияние «третьих»  компонентов. Сущность его заключается  в следующем. Сначала определяют оптическую плотность A_x анализируемого раствора, содержащего определяемый компонент неизвестной концентрации c_x , а затем в анализируемый раствор добавляют известное количество определяемого компонента (с_ст) и вновь измеряют оптическую плотность A_x+ct .

Оптическая плотность A_x анализируемого раствора равна:

(17)

А оптическая плотность  анализируемого раствора с добавкой стандартного:

(18)

Сравнение уравнений (17) и (18) даёт:

Отсюда находим  концентрацию анализируемого раствора:

Концентрацию анализируемого вещества в методе добавок можно  найти также по графику в координатах A_x+ст=f(c_ст). Уравнение (18) показывает, что если откладывать A_x+ct как функцию с_ст , то получится прямая, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс даст отрезок, равный - c_x .

7. Аппаратура

В любой фотометрической  аппаратуре различаются следующие  основные узлы:

источник света;

монохроматизатор  света;

кюветы;

узел определения  интенсивности света.

Узел источника  света состоит из собственного источника  света, стабилизатора напряжения и  в некоторых случаях контрольных  приборов - амперметра и вольтметра для контроля постоянства силы тока и напряжения. В некоторых простейших конструкциях колориметров, например, КОЛ-52, фотометр ФМ и др., стабилизаторы  и контрольные приборы отсутствуют. В качестве источников света в  зависимости от используемой области  спектра применяют различные  приборы. Для получения света  далёкой ультрафиолетовой области 220-230 нм используют водородную лампу  или лампу накаливания для  области близкого ультрафиолета  и видимой части спектра 320 - 800 нм. В иностранных спектрофотометрах  для этой цели применяют вольфрамовые и дейтериевые разрядные лампы.

Для получения света  видимой области спектра применяют  обычные лампы накаливания. Для  получения света инфракрасной области  спектра применяют глобар-стержень из карбида кремния или штифт  Нернста - стержень из смеси окислов  редкоземельных элементов. Эти стержни  при накаливании их электрическим  током до 1200 - 2000⁰С испускают интенсивный поток инфракрасных лучей. При всех фотометрических измерениях необходим устойчивый поток световых лучей. Это обеспечивается в первую очередь стабильным режимом накаливания. Поэтому лучшие модели фотометрических приборов обязательно снабжены стабилизатором напряжения, налагаемого на источник лучистого потока. Контроль за работой стабилизатора целесообразно вести путём измерения силы тока, проходящего через осветитель, или напряжения, которое на него подаётся. В некоторых случаях, когда эти приборы отсутствуют в фабричных моделях, их подсоединяют дополнительно. Кроме того, за стабильностью работы осветителя можно наблюдать и при помощи узла определения интенсивности света.

Монохроматизация  света может быть осуществлена при  помощи:

светофильтров

призм

дифракционных решёток

Светофильтрами  называются среды, способные пропускать лишь определённые области спектра. Обычно в фотоколориметрах используются в качестве светофильтров стёкла.

Зная максимум поглощения вещества, можно выбрать такой  светофильтр, который пропускал  бы только лучи, поглощаемые раствором, и задерживал бы все остальные. Чаще всего удаётся только приблизительно выделить при помощи светофильтра нужную область спектра.

В некоторых конструкциях, например в монохроматоре СФ-9, применяется  двойная Монохроматизация. Сначала  световой поток монохроматизируется  при помощи кварцевой призмы, а  затем более тонкая Монохроматизация достигается при помощи дифракционной  решётки. В узел монохроматизации входят также ряд линз для усиления пучка  света, диафрагмы для выделения  узкого пучка монохроматического света, зеркала и призмы для изменения  направления светового ручка  и другие детали, не имеющие принципиального  значения. Сюда же относятся механизмы  для поворота призм и решёток. В некоторых конструкциях они  связаны с самописцами для  записи фототоков, благодаря чему в  процессе измерения оптической плотности  получают одновременно спектрофотометрическую кривую зависимости оптической плотности  от длины волны.

Узел кювет наименее сложный по устройству. Кюветы должны быть изготовлены из материала, хорошо пропускающего лучи света, интенсивность которых измеряется. Для лучей видимой области спектра - это стекло, для ультрафиолетовых лучей - кварц. При работе с инфракрасными лучами применяют кюветы со стенками из плавленого хлорида серебра, часто вместо растворов исследуемых веществ применяют таблетки из этих веществ с бромидом калия. Кюветы бывают самых разнообразных форм: прямоугольные, цилиндрические, в виде пробирок, кюветы с быстрым удалением исследуемого раствора и другие.

Фотоумножители. Значительное повышение чувствительности фотоэлементов может быть достигнуто применением фотоумножителей. В этом приборе пучок света, попадая через окошко на катод 1, выбивает из него электроны, которые под влиянием наложенного напряжения отбрасываются на катод 2, выбивая из него новые электроны; возросшее число электронов попадает на катод 3 и так далее. В результате поток электронов в фотоумножителе сильно возрастает. Спектральная характеристика фотоумножителя зависит от природы катода, а чувствительность достигает 6000 - 10000 мкА/лм.

В узел оценки интенсивности  светового потока входят также различного типа диафрагмы для ослабления светового  потока (оптическая компенсация).