Фотоколориметрия как фотометрический метод химического анализа

Фотоколориметрический метод химического анализа относится к группе абсорбционных фотометрических методов, применение которых в аналитической химии основано на явлении поглощения молекулами веществ светового излучения в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях оптического спектра электромагнитных волн. Длины волн светового излучения, используемые в молекулярном абсорбционном анализе, находятся в области менее 750 нм для инфракрасного излучения, 400−750 нм для видимой области спектра и в пределах 200−400 нм для ближнего ультрафиолета (коротковолновая область ультрафиолетового излучения практически не используется) [2, 9].

Фотометрические методы химического анализа разделяют на две основные группы:

• 1) колориметрия и фотоколориметрия — анализ, основанный на поглощении растворами веществ пучка немонохроматического света в видимом диапазоне спектра;
• 2) спектрометрия — анализ, основанный на выборочном поглощении растворами веществ монохроматического светового излучения в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Вследствие указанных отличий в фотометрических методах используют разные способы пробоподготовки исследуемых веществ для анализа и различные аналитические приборы для измерения поглощения электромагнитного излучения [8].

В основе всех фотометрических методов анализа лежит процесс поглощения молекулами вещества фотонов соответствующего спектрального диапазона, сопровождающийся увеличения энергии валентных электронов, то есть их возбуждением. При поглощении молекулой кванта светового излучения валентный электрон переходит с одной из заселённых на одну из вакантных орбиталей. Разность энергий этих орбиталей определяет длину волны полосы поглощения квантов света, а вероятность перехода — её интенсивность, то есть способность вещества к поглощению квантов света [9].

Из фотометрических методов анализа в аналитической практике наибольшее распространение получили фотоколориметрические методы, Они основаны на измерении интенсивности потока светового излучения видимой части спектра, прошедшего через окрашенный раствор. В фотоколориметрическом методе анализа используются химические реакции, сопровождающиеся образованием химических соединений, растворы которых обладают интенсивной окраской.

Существует определённая зависимость между интенсивностью окраски раствора и количественным содержанием в этом растворе окрашенного вещества. Эту зависимость описывает закон Бугера-Ламберта-Бера, связывающий уменьшение интенсивности светового потока, прошедшего через слой вещества, поглощающего световое излучение, с концентрацией данного вещества и толщиной слоя раствора [12].

Интенсивность монохроматического луча света, прошедшего через раствор вещества, связана с интенсивностью падающего на него луча света следующим уравнением:

где е_л — молярный коэффициент поглощения при длине волны л; С — молярная концентрация вещества, поглощающего свет; l — толщина поглощающего слоя раствора.

Если экспериментально определить отношение интенсивностей падающего и прошедшего через раствор окрашенного вещества света, то можно определить концентрацию вещества, если известен молярный (удельный) коэффициент поглощения. С этой целью в аналитической практике определяют оптическую плотность вещества D, представляющий собой обратный отрицательный логарифм отношения интенсивности потока падающего света и прошедшего через раствор светового потока:

Также проводится измерение коэффициента пропускания раствора Т, который представляет собой отношение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор, и интенсивности потока падающего света:

Оптическая плотность D и коэффициент пропускания раствора T связаны между собой следующим соотношением:

Метод колориметрии основан на визуальном сравнении интенсивности окраски растворов окрашенных веществ с различной концентрацией. В колориметрии, как правило, используются метод стандартных серий, метод колориметрического титрования и метод уравнивания.

В методе стандартных серий интенсивность окраски анализируемого окрашенного раствора сравнивается с окраской серии предварительно приготовленных стандартных растворов вещества.

При проведении исследования методом колориметрического титрования окраска анализируемого раствора сравнивается с окраской контрольного раствора. Контрольный раствор содержит все компоненты анализируемого раствора за исключением определяемого вещества. Далее к этому раствору из бюретки добавляется стандартный раствор определяемого вещества. Когда интенсивность окраски анализируемого и контрольного раствора становится одинаковой, рассчитывают количество определяемого вещества, добавленного в контрольный раствор, и считают его равным тому количеству, которое было в анализируемом растворе.

Метод уравнивания основан на уравнивании окрасок анализируемого раствора и раствора с известной концентрацией определяемого вещества — стандартного раствора. Данный метод колориметрического определения может быть проведён путём измерения толщины слоя каждого из растворов при одинаковой интенсивности светового потока либо путём пропускания световых потоков различной интенсивности через стандартный и анализируемый раствор при одинаковой толщине слоя раствора [1].

Фотоколориметрические методы основаны на измерении поглощения пучка немонохроматического света, проходящего через раствор окрашенного вещества, с помощью аналитических приборов, называемых фотоэлектроколориметрами (ФЭК). Немонохроматическое световое излучение с узким диапазоном длин волн получают с помощью светофильтров, источником света служат лампы накаливания с вольфрамовой спиралью. Регистрация интенсивности светового пучка, проходящего через кювету с анализируемым раствором или кювету с раствором сравнения, проводится с помощью фотоэлемента фотоэлектроколориметра.

Нить лампы (1) изображается конденсором (2) в плоскости диафрагмы Д1 (0,8×4,0), заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д1 изображается вогнутой дифракционной решеткой (4) и вогнутым зеркалом (5) в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д₂ (0,8×4,0). Дифракционная решетка (6) и зеркало создают в плоскости диафрагмы Д₂ растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы Д₂ излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив (7, 8) создает в кюветном отделении слабо светящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д₂ перед линзой (10). Линза (10) сводит пучок света на приемнике (11) в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра за диафрагмой Д1 установлен световой фильтр (3), который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315—400 нм, а затем автоматически выводится. В кюветное отделение (между объективом 7, 8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы (9).

Рис. 1 Принципиальная схема фотоэлектроколориметра КФК-3

Простейшими отечественными фотоэлектроколориметрами являются приборы серии «ФЭК» со стандартным набором светофильтров: «КФК-3», «КФК-3−01».

При разработке фотоколориметрических методик количественного определения веществ выбор применяемых светофильтров осуществляется таким образом, чтобы максимум поглощения раствора анализируемого вещества соответствовал минимуму поглощения светофильтра. Большую роль играет определение оптимальных условий проведения фотометрической реакции (значение рН среды, химическая природа и количество реагента-хромогена), которые бы позволяли получать возможно большие значения оптической плотности при минимальной концентрации определяемого вещества. Также имеет значение устойчивость во времени окраски анализируемого вещества.

Существует ряд способов определения концентрации растворов веществ с помощью фотометрических методов.

1. Метод сравнения оптической плотности стандартного и исследуемого растворов.

Проводят измерение оптической плотности анализируемого и стандартного растворов, концентрация которого должна быть близка к предполагаемой концентрации исследуемого раствора. Расчёт концентрации анализируемого раствора проводят по формуле:

где и — оптическая плотность исследуемого и стандартного растворов соответственно; - концентрация стандартного раствора.

2. Метод построения калибровочного (градуировочного) графика.

Готовят серию растворов стандартного образца различной концентрации, измеряют их оптическую плотность и строят калибровочный график в координатах оптическая плотность — концентрация анализируемого вещества. Измеряют оптическую плотность исследуемого раствора и определяют его концентрацию по калибровочному графику.

3. Метод определение концентрации вещества по известному значению его молярного коэффициента поглощения.

Определяют оптическую плотность исследуемого раствора и рассчитывают его концентрацию согласно закона Бугера-Ламберта-Бера, используя справочное значение молярного коэффициента поглощения анализируемого вещества.

4. Метод добавок.

Проводят измерение оптической плотности исследуемого раствора. Затем в него вносят некоторое известное количество анализируемого вещества и снова измеряют оптическую плотность. расчет концентрации исследуемого раствора проводят по формуле:

где — концентрация добавки в исследуемом растворе.