ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Фотоколориметрия – это оптический метод определения концентрации окрашенных растворов, основанный на избирательном поглощении ими света строго определенных длин волн. Та или иная окраска вещества обусловлена тем, что оно избирательно поглощает излучение в видимой области спектра, то есть в диапазоне длин волн от 380 до 750нм.
В основе фотоколориметрического анализа лежит закон поглощения света, который был открыт в 1729 г. П. Бугером и изучен И.Г.Ламбертом. Согласно ему ослабление интенсивности монохроматического излучения экспоненциально зависит от толщины поглощающего слоя. В 1852 г. А.Бер выяснил роль химической природы поглощающего вещества и его концентрации.
Закон Бугера-Ламберта-Бера выражается уравнением:
I = I0exp(-kcl),
где I0 и I – интенсивность падающего и прошедшего пучка монохроматического излучения соответственно,
k – коэффициент, зависящий от химической природы поглощающего вещества,
l-толщина поглощающего слоя,
с – концентрация поглощающего вещества в растворе.
В фотоколориметрических измерениях обычно пользуются логарифмической формой этого уравнения и выражают ослабление излучения как оптическую плотность.
D = εlc,
где D – оптическая плотность окрашенного раствора,
D = -(lgI/Io).
При проведении фотоколориметрического анализа величины k и l остаются постоянными. Поэтому, измерив на опыте оптическую плотность окрашенного раствора, можно определить его концентрацию.
Прибор для фотоколориметрических измерений – фотоэлектроколориметр. Его оптическая схема включает следующие основные узлы:
источник белого полихроматического света – лампа накаливания с вольфрамовой нитью;
набор светофильтров – окрашенных стекол, пропускающих излучение определенного узкого интервала длин волн;
кюветы для растворов – прямоугольные сосуды из кварцевого стекла, прозрачные в видимой области;
приемник излучения – фотоэлемент.
Образцы для фотоколориметрического анализа готовят в виде разбавленных окрашенных растворов.
Порядок проведения фотоколориметрических измерений следующий:
- приготовление окрашенного раствора,
- выбор светофильтра,
- выбор кюветы,
- построение калибровочного графика,
- нахождение концентрации анализируемого раствора.
Приготовление окрашенного раствора необходимо в том случае, если анализируемое вещество находится в неокрашенной или слабо окрашенной форме. Для его перевода в окрашенную форму проводят реакцию с фотометрическим реагентом
(ФМР) – веществом, которое образует интенсивно окрашенные комплексные соединения с анализируемым ионом. ФМР должен обладать избирательным действием в выбранной реакции, то есть не должен давать мешающих окрашенных соединений с другими компонентами раствора. Реакция с ФМР должна проходить быстро, а её равновесие должно быть сдвинуто в сторону окрашенного продукта. Для этого ФМР берут в избытке, создают определенный рН среды, иногда раствор нагревают. Необходимо иметь в виду, что со временем окраска может меняться, поэтому следует соблюдать постоянство выдержки раствора во времени до момента измерения оптической плотности.
Выбор светофильтра необходим для уменьшения по грешности измерений. Длина волны излучения, на которой проводятся измерения оптической плотности, должна соответствовать максимальному светопоглощению окрашенного раствора.
Выбор кюветы, как и выбор светофильтра, влияет на погрешность измерений. Рабочая длина кювет определяет толщину поглощающего слоя раствора. Она должна быть такой, чтобы оптическая плотность анализируемых растворов на выбранном светофильтре лежала в пределах от 0,2 до 0,7. Для темно-окрашенных растворов используют кюветы длиной 1…3 мм, а для слабоокрашенных – 30…100 мм.
Построение калибровочного графика основано на том, что согласно закону Бера между концентрацией окрашенного раствора и его оптической плотностью существует прямая пропорциональная зависимость. Для построения калибровочного графика следует приготовить серию из пяти – шести эталонных окрашенных растворов с известными концентрациями анализируемого вещества и определить оптическую плотность каждого из них на выбранном светофильтре. По результатам измерений строят график зависимости оптической плотности (D) от концентрации окрашенного раствора (с). В диапазоне значений D от 0,2 до 0,7 он имеет вид прямой линии.
Чтобы найти концентрацию анализируемого раствора сх сначала измеряют его оптическую плотность Dх, а затем по калибровочному графику определяют искомую величину.