Фотометричні методи аналізу

План

1. Суть фотометричного аналізу і області його використання.
2. Теоретичні основи фотометричного аналізу
   2.1. Оптичні властивості розчинів забарвлених сполук.
   2.2. Закон Бугера-Ламберта-Бера
   2.3. Молярний коефіцієнт поглинання розчину.
3. Фотоколориметрія.
4. Розрахунки при фотоколориметричних визначеннях.

Суть фотометричного аналізу і області його використання

Спектр електромагнітного випромінювання в залежності від довжини хвиль ділять на декілька областей:
ультрафіолетову – 180 – 400 нм; видиму – 400 – 700 нм;
інфрачервону – 700 – 110 нм.

Фотометричний метод аналізу ґрунтується на вибірковості поглинання розчину речовини ультрафіолетового, видимого і інфрачервоного світла. Інколи цей метод називають методом адсорбційної спектроскопії.

Всі методи фотометричного аналізу високо чутливі і вибіркові; в них використовується різноманітна апаратура.

Застосування: при контролі технологічних процесів, готової продукції: аналіз природних і хімічних матеріалів, у металургійній промисловості, аналіз гірських порід, природних вод; при контролі забруднення навколишнього середовища (повітря, води, ґрунту), при визначенні домішок у речовинах високої чистоти.

Теоретичні основи фотометричного аналізу

В більшості випадків при фотоколориметричних визначеннях компонент, що визначається, за допомогою хімічної реакції в розчині переводиться в сполуку, поглинаючу електромагнітне випромінювання, потім вимірюють його оптичну густину (адсорбційність).

Суттєво важливо:
- Обрати умови виконання реакції;
- Знати оптичні властивості розчинів і вміти правильно обрати спосіб вимірювання оптичної густини.

Оптичні властивості розчинів забарвлених сполук

Розглянемо поглинання розчинами електромагнітного випромінювання у видимій області спектру. Безперервне електромагнітне випромінювання в області довжин хвиль 400 – 700 нм сприймається оком як біле світло.

При проходженні через скляний сосуд з розчином монохроматичне випромінювання інтенсивністю W0 відбувається його ослаблення:

1. частина світлового пучка відбивається на межі скло-повітря і скло-розчин (Wв);
2. інша частина розсіюється (Wр) присутніми в розчині часточками;
3. основна частина світлової енергії поглинається (адсорбується) розчином (Wа)

Інтенсивність пучка світла, що виходить з сосуду, – W.
Таким чином справедливе рівняння: W0 = Wв + Wр + Wа + W

Проте на практиці користуються однаковими кюветами, для яких інтенсивність відбитої частини світлового потоку постійна і мала, тому нею можна знехтувати.

Рівняння можна записати у вигляді: W0 = Wа + W

Інтенсивність падаючого світлового потоку (W0) і інтенсивність світового потоку, що пройшов крізь розчин (W) можна виміряти. При освітленні розчину білим світлом вихідний пучок світла часто змінює забарвлення, оскільки інтенсивність поглинання розчину неоднакова для світлового випромінювання різних довжин хвиль.

Таким чином, основними оптичними характеристиками розчинів забарвлених сполук в фотометрії є інтенсивність забарвлення і колір розчину.

Закон Бугера-Ламберта-Бера

Для забарвлених розчинів між ступенем поглинання монохроматичного світла. Інтенсивністю падаючого світла, концентрацією забарвленої речовини і товщиною шару існує залежність, яка називається законом Бугера-Ламберта-Бера.

Закон Бугера-Ламберта-Бера:

Розчини однієї і тієї ж забарвленої речовини при  однаковій концентрації цієї речовини і товщині шару розчину поглинають рівну кількість світлової енергії.

І – інтенсивність світлового потоку, який пройшов крізь розчин;
І0 – інтенсивність падаючого світла;
С – концентрація, моль/л;
l – товщина шару, см;
 – оптична густина 1М розчину, налитого в кювету довжиною 1 см.

Прологарифмувавши це рівняння отримуємо .

Десятковий логарифм відношення інтенсивності падаючого світла до інтенсивності світла, що пройшло крізь розчин, називається оптичною густиною розчину (D).
 або
Отже, оптична густина розчину прямо пропорційна концентрації розчину, і товщині шару, через який проходить світловий потік.

Крива залежності оптичної густини від концентрації забарвленої речовини:

Молярний коефіцієнт поглинання розчину

Молярний коефіцієнт поглинання чисельно дорівнює оптичній густині розчину, концентрація якого дорівнює 1М при товщині шару 1 см.

D – оптична густина;
l – товщина шару;
C – концентрація.

Молярний коефіцієнт поглинання не залежить від концентрації. Він є мірою чутливості фотометричних реакцій. Чим більше значення, тим вище чутливість визначення.

Фотоколориметрія

При фотоколориметричних методах аналіз здійснюється по поглинанню поліхроматичного світла за допомогою фотоелементів. Прилади для фотоколориметрії – фотоколориметри або фотоелектроколориметри. В фотоколориметрах з’явилась можливість часткової монохроматизації спектру світлофільтрами. За допомогою світлофільтра обирають ділянку спектру в тій області довжин хвиль, де поглинання світла для даного розчину мінімальна. Світлофільтри для фотометрування обирають так, щоб максимум поглинання розчину відповідав максимуму пропускання світлофільтра.

Таблиця. Колір розчину і відповідні їм світлофільтри.

Розрахунки при фотоколориметричних визначеннях

Обчислення в фотометрії ґрунтуються на використанні формули:

Сх – вміст йону в розчині
Сст – вміст йону в стандартному розчині
Dх – оптична густина аналізованого розчину
Dст– оптична густина стандартного розчину