Физико-химические исследования оптической плотности

1. Оптическая плотность, процент поглощения и молекулярный коэффициент поглощения

Сейчас уже трудно установить, кому из исследователей впервые пришла в голову удачная мысль — изучить поглощение тем или иным веществом монохроматического света, то есть излучения со строго фиксированной длиной волны. (Мысль эта оказалась настолько удачной, что впоследствии на ее основе родился специальный метод изучения вещества — оптическая спектроскопия.).

В исследованиях такого рода выяснилось, что процент пропущенного веществом монохроматического света падает экспоненциально по мере того, как увеличивается толщина поглощаемого слоя. Приняв во внимание этот факт, немецкий физик А. Беер в 1852 году предложил измерять не процент пропущенного веществом света, а его десятичный логарифм. Эту величину, взятую с обратным знаком, он назвал оптической плотностью вещества.

Оптическая плотность — мера поглощения света прозрачными объектами (например, фотоплёнками, фотосенсорами, светофильтрами и т. д.) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотографией, зеркалом, картиной живописи).

Оптическая плотность, например, в фотографии определяется способностью фотоматериала принять или отразить максимальную величину энергии, излучаемого источником света. При этом молоосвещённые объекты требуют больше времени для нормального снимка и наоборот, сильноосвещённые объекты — экспонируются с меньшей экспозицией. В отличие от фотографической широты, где рассматривается диапазон экспозиций при сенситометрическом испытании светочувствительного материала, в котором яркость или плотность оптическая освещённости деталей объекта воспроизводится в зависимости от экспозиции (в идеале — линейно) и выражается характеристической кривой, плотность оптическая не связана с диапазоном экспозиций.

Это выражается через соотношении величин яркости объектов или плотностей проходящего или отражённого потока света от самого светлого до самого тёмного участка негатива или изображения, который может оцениваться глазом — субъективно или объективно — при измерении с помощью сенситометрии оптических изображениий.

Оптическая плотность вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося), т. е. принято выражать в виде логарифма от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения) в связи с большими числовыми значениями величин:

D= lg *(Fin / Fout).

Прибор для измерения оптической плотности называется денситометром. плотность оптический денситометр кондуктометрия При исследовании поглощающей способности растворов выяснился еще один факт: оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества. После этого вопрос о поглощении света веществом приобрел предельно простую форму. Для ответа на этот вопрос требовалось лишь выяснить, в какой мере свет с той или иной длиной волны поглощается веществом единичной концентрации в слое единичной толщины. Соответствующая характеристика была названа коэффициентом экстинкции. Он определяется лишь природой поглощающего вещества и длиной волны падающего на вещество излучения.

И если исследуется прохождение света с определенной длиной волны сквозь слой вещества заданной концентрации и толщины, надо умножить эти заданные параметры на соответствующий указанной длине волны коэффициент экстинкции. В произведении получится оптическая плотность, а по ней нетрудно рассчитать процент поглощенного веществом света.

Поглощение света внешне проявляется в ослаблении светового потока после прохождения через исследуемый объект. Поглощение Тем больше, чем больше концентрация вещества, поглощательная способность его молекул и толщина слоя раствора. Для монохроматического света эти соотношения выражаются законом Ламберта — Бера:

I = I₀e —^еCl или lg I0 / I = еCl,.

где I₀ и I — интенсивности падающего на объект и вышедшего из него света соответственно;

е — коэффициент поглощения, характеризующий поглощательную способность молекул вещества и зависящий от длины волны света;

l — толщина слоя;

С — концентрация вещества.

Из закона Ламберта — Бера вытекает, что хотя абсолютное количество поглощенной световой энергии прямо пропорционально интенсивности (мощности) светового потока, падающего на объект, процент поглощения света от нее не зависит. Поэтому эффект поглощения оценивается не по абсолютной величине поглощенной световой энергии, а по ее отношению к интенсивности падающего на объект света. Так, коэффициент поглощения показывает процент поглощенного, а коэффициент пропускания процент прошедшего света. Из закона Ламберта-Бера видно также, что коэффициент поглощения не пропорционален концентрации вещества.

Молекулярный коэффициент поглощения — это произведение удельного коэффициента поглощения на молекулярный вес.

Молекулярные коэффициенты поглощения рассчитываются по формуле:

Ф^/ = Ф_о10^— есd,.

где с — молярная концентрация раствора,;

D — длина кюветы с образцом, см;

еCd = D — оптическая плотность.

2. Кондуктометрия. Сущность метода и область применения в сельском хозяйстве

Кондуктометрия — метод физико — химического анализа, основанный на измерении электропроводности растворов. Она обладает рядом преимуществ перед химическими методами анализа, так как позволяет определять содержание индивидуального вещества в растворе простым измерением электропроводности раствора. Для этого нужно только иметь предварительно вычерченную калибровочную кривую зависимости электропроводности от концентрации вещества. Далее, в процессе измерения электропроводности анализируемый раствор практически не изменяется, благодаря чему можно проводить повторные измерения и, сохранив его, в любое время проверить полученные результаты. Если известны подвижности ионов, на которые диссоциирует данное труднорастворимое соединение, то, определив удельную электропроводность раствора, можно вычислить его концентрацию по уравнению:

Поскольку соль труднорастворима, т. е. ее концентрация в растворе очень мала, fл? 1. б = 1, т.к. практически все соли являются сильными электролитами. л+? л0+ и л-? л0- для разбавленных растворов. Ввиду малости жр раствора вводят поправку на, , тогда ж = жр —, и

Кондуктометрическтий метод анализа — один из наиболее точных способов определения растворимости труднорастворимых соединений.

Различают прямую и косвенную кондуктометрию, или кондуктометрическое титрование.

Прямая кондуктометрия мало применяется в аналитической химии. Причина этого в том, что электропроводность является величиной аддитивной и определяется присутствием всех ионов в растворе. Прямые кондуктометрические измерения используют для контроля качества воды, применяемой в химической лаборатории, и современные установки для перегонки или деминерализации воды снабжаются кондуктометрическими датчиками — кондуктометрами для измерения удельной электропроводности растворов. Детекторы по электропроводности применяются в ионной хроматографии. Методы прямой кондуктометрии также используются для контроля качества различных пищевых продуктов.

Для кондуктометрического титрования пригодны кислотноосновные или осадительные реакции, сопровождающиеся заметным изменением электропроводности вследствие образования малодиссоциирующих или малорастворимых соединений. К достоинствам метода кондуктометрического титрования относится возможность высокоточных измерений даже в очень разбавленных растворах. Кондуктометрическое титрование пригодно для анализа окрашенных или мутных растворов. Иногда с помощью кондуктометрического титрования можно проводить последовательное определение компонентов смеси, например можно титровать кислоты с различающимися константами.

В кондуктометрическом титровании могут быть использованы все типы химических реакций.

Сильные и слабые кислоты титруются щелочью при достаточно малых концентрациях (до 10 — 4 моль/л). Могут быть определены также сильные и слабые основания, смеси слабых кислот, смеси слабых оснований, а также смеси кислот или оснований с солями слабых кислот или слабых оснований.

Методом кондуктометрического титрования определяют многие катионы и анионы. Например, для определения Cl-, Br -, I-, CN-, VO^?₃, C O^2?₂₄ и других анионов используют в качестве титранта нитрат серебра.

Кондуктометрическое титрование раствором ЭДТА применяют для определения Fe3+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Ca2+, Mg2+ и других катионов.

Широкие возможности открывает использование неводных растворителей: диметилформамида, ацетона, ледяной уксусной кислоты.

В ледяной уксусной кислоте, например, определяют алкалоиды, антибиотики и другие продукты фармацевтической промышленности.

Кондуктометрические методы характеризуются высокой экспрессностью, простотой и достаточной точностью (погрешность составляет 1 — 2%, при соблюдении специальных условий она снижается до 0,2%), возможностью автоматизации и дистанционного управления. Ограничением метода является низкая селективность.

Основным достоинством метода высокочастотного титрования является возможность анализа любых агрессивных сред, так как электроды с анализируемым раствором не соприкасаются, например, их можно поместить с наружной стороны трубопровода.

Прямое измерение электрической проводимости является наиболее эффективным методом контроля качества дистиллированной воды в лабораториях, технической воды в так называемых тонких химических или фармацевтических производствах, в технологии водоочистки и оценке загрязненности сточных вод и т. д.

Методы прямой кондуктометрии также используются для контроля качества различных пищевых продуктов.

Прямая кондунометрия позволяет решать многие практические задачи и осуществлять непрерывный контроль производства. Кондутометрию используют для контроля очистки воды, оценки загразнения сточных вод, при определении общего содержания солей в минеральной, морской и речной воде. Осуществляют контроль операций промывки осадков и регенирации ионитов.

Прямая кондуктометрия применяется и для определения влажности органических растворителей, газов, твердых солей, текстильных материалов, бумаги, зерна и т. д.

Методы кондуктометрии имеют практическое применение в различных областях народного хозяйства. Все эти методы практически используются в сельском хозяйстве. Они применяются для определения влажности зерна, почвы. Система контроля за мелиоративным состоянием орошаемых земель, за влажностью почвы и зерна, определение кислотности силосной массы и других окрашенных жидкостей биологического происхождения — вот далеко не полный перечень тех вопросов, которые могут успешно решаться с применением методов кондуктометрии.

Список используемой литературы

• 1. Алексеев В. Н. Количественный анализ 4-е изд., перераб. — М.: Химия, 2012. — 254 с.
• 2. Васильев В. П. Аналитическая химия. Часть 2. Физико-химические методы анализа Учебник для химико-технол. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 2010. — 384 с.
• 3. Ковальчук В. П., Васильев В. Г., Бойко Л. В., Зосимов В. Д. Сборник методов исследования почв и растений — К.: Труд-ГриПол — XXI вис, 2010. — 252 с.
• 4. Михайлов О. От переливов цвета — к спектрам поглощения — Томск.: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 220 с.
• 5. Нечипоренко А. П. Физико-химические (инструментальные) методы анализа. Электрохимические методы. Потенциометрия и кондуктометрия. Учебно-методическое пособие / Под ред. В. В. Кириллова. — СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. — 34 с.
• 6. Фотобиология. Изд. 2-е, перераб. и доп. Конев С. В., Волотовский И. Д. — Минск.: Изд-во БГУ им. В. И. Ленина, 2010. — 126 с.
• 7. Фотобиология. Раздел большого практикума по биофизике. Часть 1: Учебно-методическое пособие / Составители: Мысягин С. А., Сурова Л. М, Шерстнева О. Н., Воденеев В. А. — Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2013. — 32 с.