Фотометрия

     2.4. Фотометрические методы определения концентрации вещества в растворе

Фотометрические методы определения концентрации растворов основаны на сравнении поглощения при пропускании света стандартными и исследуемыми растворами. Степень поглощения света фотометрируемым раствором измеряют с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому (контрольному) раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все добавленные компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым веществом окрашенное соединение. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду. [5]

     2.5. Метод градуировочного графика

 Для определения содержания  вещества методом градуировочного (калибровочного) графика готовят серию из 5–8 стандартных растворов разных концентраций (не менее 3 параллельных растворов для каждой точки).

 При выборе интервала  концентраций стандартных растворов  руководствуются следующими положениями:

 а) он должен охватывать  область возможных изменений  концентрации исследуемого раствора; желательно, чтобы оптическая плотность  исследуемого раствора соответствовала  примерно середине градуировочной кривой;

 б) желательно, чтобы в  этом интервале концентраций  при выбранных тол-щине кюветы l и аналитической длине волны λ, (в большинстве случаев λ = λмакс светопоглощающего соединения) соблюдался основной закон светопоглощения, т.е. график А = f(C) был линейным;

 в) интервал рабочих  значений λ, соответствующий интервалу  стандартных растворов, должен обеспечивать  максимальную воспроизводимость результатов измерений.

 При совокупности перечисленных  условий измеряют оптические  плотности стандартных растворов  относительно растворителя и  строят график зависимости А = f(C). Полученная кривая называется  градуировочной или калибровочной и имеет вид прямой выходящей из начала координат. Экстраполировать калибровочную прямую к значениям оптических плотностей, лежащим выше последней экспериментально полученной точки, не рекомендуется. Периодически (раз в неделю или реже) калибровочную кривую проверяют по 2–3 свежеприготовленным стандартным растворам. Калибровочные графики, построенные с реактивами разных партий, как правило, не совпадают. Поэтому при смене реактивов график необходимо построить заново. График, построенный при работе на одном приборе, нельзя использовать для расчетов результатов, полученных на другом.

 Определив оптическую  плотность опытного раствора  Ах, находят ее значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс – соответствующее ей значение концентрации Сх.

 Этот метод применяют  при выполнении серийных фотометрических  анализов. Он дает хорошие результаты  при соблюдении основного закона  светопоглощения.

 В отличие от других  фотометрических методов, метод  градуировочного графика позволяет определить концентрацию окрашенных растворов даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. Для построения градуировочной кривой в этих случаях приготавливают значительно большее число стандартных растворов, отличающихся друг от друга по концентрации не более чем на 10%. Такой градуировочный график, имеющий на пологом участке угол наклона не менее 15°, все же позволяет проводить фотометрические измерения, несмотря на то, что между концентрацией раствора и его оптической плотностью нет линейной зависимости. Воспроизводимость определений в этом случае ниже, чем в случае линейной зависимости А = f(C). [6]

2.6. Метод сравнения оптических  плотностей стандартного и исследуемого  растворов

 Для определения концентрации  вещества берут аликвотную часть  исследуемого раствора, приготавливают  из нее окрашенный раствор  для фотометрирования и измеряют его оптическую плотность. Затем аналогично приготавливают 2–3 стандартных окрашенных раствора определяемого вещества известной концентрации и измеряют их оптические плотности при той же толщине слоя (в тех же кюветах).

 Значение оптической  плотности исследуемого раствора  равно: Ах = ελCxlx

 Значение оптической  плотности стандартного раствора  равно: Aст = ελСстlст.

 Разделив одно выражение  на другое получим: Ах/Аст = ελCxlx/(ελCстlст).

 Так как lх = lст, ελ = const, то Сх = CстАх/Aст.

 Метод сравнения применяют  при однократных определениях; он  требует обязательного соблюдения  основного закона светопоглощения.

 Существует и другой  более точный способ определения  неизвестной концентрации Сх, называемый методом ограничивающих растворов. Приготавливают два стандартных раствора с концентрациями C1 и С2 так, чтобы оптическая плотность первого из них A1 была бы меньше оптической плотности Ах исследуемого раствора, а оптическая плотность А2 второго стандартного раствора была бы, наоборот, больше, чем Ах.

 Неизвестную концентрацию  исследуемого вещества рассчитывают  по фор- муле:

 Cx = C1 + (C2 – C1)(Ax – A1)/(A2 – A1). [7]

    3. Устройство и принцип действия фотометрических приборов

 Фотометрические исследования  проводят с помощью фотоколориметров  и спектрофотометров. Измерение  оптической плотности стандартного  и исследуемого окрашенных растворов  всегда производят по отношению  к раствору сравнения (нулевому  раствору). В качестве раствора  сравнения можно использовать  часть исследуемого раствора, содержащего  все добавляемые компоненты, кроме  реагента, образующего с определенным  веществом окрашенное соединение. Если раствор сравнения при  этом остается бесцветным и, следовательно, не поглощает лучей в видимой  области спектра, то в качестве  раствора сравнения можно использовать  дистиллированную воду.

 Устройство и принцип  действия фотометрических приборов  рассмотрим на примере колориметра  фотоэлектрического концентрационного  КФК-2 и КФК-3

 Однолучевой фотометр  КФК-2 предназначен для измерения  пропускания, оптической плотности  и концентрации окрашенных растворов, рассеивающих взвесей, эмульсий  и коллоидных растворов в области спектра 315-980 нм. Пределы измерения пропускания 100-5% (D = 0-1,3). Основная абсолютная погрешность измерения пропускания 1%.

Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2 представлена на схеме 1.

Схема 1: Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2.

1 - источник света; 2 - теплозащитный  светофильтр; 3 – нейтральный светофильтр; 4 – цветной светофильтр; 5 – кювета  с исследуемым раствором или  раствором сравнения; 6 – пластинка, которая делит световой поток  на два потока; 7 – фотодиод; 8 –  фотоэлемент.

 Свет от галогенной  малогабаритной лампы (1) проходит  последовательно через систему  линз, теплозащитный (2), нейтральный (3), выбранный цветной (4) светофильтры, кювету с раствором (5), попадает  на пластину (6), которая делит  световой поток на два: 10% света  направляется на фотодиод при  измерениях в области спектра 590-540 нм) и 90% — на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).

Характеристики светофильтров представлены в таблице 1:

Таблица 1: Спектральные характеристики светофильтров к фотоколориметру КФК-2.

Маркировка на диске	Маркировка светофильтра	Длина волы, соответствующая максимуму пропускания, нм
1	315	315±5
2	364	364±5
3	400	400±5
4	440	440±10
5	490	490±10
6	540	540±10
7	590	590±10
8	670	670±5
9	750	750±5
10	870	870±5
11	980	980±5

 

 

Фотометр фотоэлектрический КФК-3 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и прозрачных твердых образцов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах после предварительной градуировки фотометра. Принципиальная оптическая схема фотометра КФК-3 представлена на схеме 2.

 Нить лампы (1) изображается  конденсором (2) в плоскости диафрагмы  Д1 (0,8 х 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 х 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).

 Фотометр предназначен  для применения в сельском  хозяйстве, медицине, на предприятиях  водоснабжения, в металлургической, химической, пищевой промышленности  и других областях. Пределы измерения  коэффициента пропускания — 0,1-100%, оптической плотности — 0—3%. [8]

Схема 2: Принципиальная оптическая схема фотометра КФК-3.

1 – нить лампы; 2 – конденсор; 3 – световой фильтр; 4 – вогнутая  дифракционная решетка; 5 – вогнутое  зеркало; 6 – дифракционная решетка; 7, 8 – объектив; 9 – кюветы; 10 – линзы; 11 – приемник.

   4. Применение фотометрии для контроля технологических процессов

 Использование фотометрии в нефтепереработке и нефтехимической промышленности имеет исключительную важность для контроля технологических процессов. Определение изменений прозрачности и цвета в потоке предупреждает технический персонал завода о текущих нарушениях технологического процесса, которые могут повлиять на качество конечного продукта.

 До недавнего времени контроль цвета нефтепродуктов проводился лишь в лаборатории методом отбора проб и/или основывался на человеческом восприятии при сравнении образцов с цветовыми эталонами ASTM, Saybolt и др. Сегодня эти измерения производятся при помощи точных и надежных фотометров. Помимо анализа цвета, поточные фотометры позволяют измерять и такие параметры как содержание углеводородов в воде, а также измерение концентрации аммиака, брома, хлора, хромата, кобальта, меди, фтора, перекиси водорода, йода, железа, никеля, озона, фенола, воды и многих других веществ. [9]

 5. Преимущества и недостатки фотометра

Фотометр имеет значительную практическую важность, как средство для суждения о достоинствах различных источников освещения, и ввиду этого подвергалась, особенно в последнее время, внимательной разработке. Несмотря на это,   фотометры не достиглатой степени точности, до которой дошли многие другие отделы     техники измерений, и причина этого лежит взначительной мере в том, что окончательным инструментом фотометра является глаз со всеми его особенностями и недостатками. [10]

6. Вывод

 Исходя из всего  выше сказанного можно сделать  вывод, что фотометрия - как отдел научных измерений, трактующий о сравнении осветительнойспособности различых источников света и о сравнении степени освещения различных освещенных поверхностей – это один важнейших разделов науки.

 7. Список используемой литературы

1. Алесковский В.Б., Бардин В.В., Бойчинова Е.С. и др. Физико-химические методы

анализа. Л.: Химия, 1988.

2. Уильямс Б., Уилсон К. Методы практической биохимии. М.: Мир, 1978.

3. Мецлер Д. Биохимия. М.: Мир, 1980.

4. Рубин А.Б. Биофизика. М.: Высшая школа, 1987.

5. Практикум по биохимии. Под редакцией С.Е. Северина, Г.А. Соловьевой. М.:

Московский университет, 1989.

6. Барковский В.Ф., Городенцева Т.Б., Топорова Н.Б. Основы физико-химических методов анализа: Учебник для техникумов/Под ред. В.Ф. Барковского – М.: Высш. школа, 1983. – 247 с., ил.

7. Булатов М.И., Калинин  И.П. Практическое руководство по  фотометрическим методам анализа. – 5-е изд., перераб. – Л.: Химия, 1986. - 432с.

8. Модуль I. Общая характеристика  физико-химических методов анализа. Спектроскопические методы анализа. «http://kurs.ido.tpu.ru/»

9. Степанова Р.Ф. Использование  компьютерных технологий в практике  количественного анализа. Потенциометрический  и фотометрический методы: Учебное  пособие. Самара: Изд-во «Самарский  университет», 2003. - 53с.

10. Товароведенье. Методы  и техническое обеспечение контроля  качества товаров «http://www.znaytovar.ru/»