6. Простота и удобство: фотометрические
измерения на современных приборах
выполняются легко и быстро.
Все вместе
взятое обеспечивает фотометрическому
анализу широкие перспективы
для использования в различных
областях науки, техники и производства. Методы
фотометрии применяют в металлургической,
химической, электронной и других отраслях
промышленности, в медицине, биологии
и т.д. Большое значение они имеют в аналитическом
контроле загрязнений окружающей среды
и решении экологических проблем.
В металлургической
промышленности этими методами
анализируют сырье (руды) и промежуточные
продукты производства. Фотометрические
методы используют для экспрессного
определения элементов и примесей
в металлах и сплавах, для
определения содержания ценных компонентов
в различных технологических растворах,
для определения неорганических и органических
примесей в промышленных сточных водах
и т.п.
Растворы солей
легких металлов (находящихся в
первых периодах таблицы элементов
Д. И. Менделеева) в своем большинстве не обладают
характерным поглощением в видимой области
спектра. Это объясняется тем, что их катионы
имеют, как правило, устойчивую замкнутую
электронную оболочку, образовавшуюся
после того, как атом, переходя в катион,
потерял все наименее прочно связанные
электроны. Для возбуждения оставшихся
электронов недостаточно энергии излучения
видимой части спектра. Поэтому в практике
фотометрии подобные катионы посредством
химических превращений связывают в окрашенные
соединения. Наиболее часто используют
реакции комплексообразования ионов с
органическими реагентами, имеющими в
своем составе хромофорные группы (т.е.
группы, “несущие окраску”) и группировки
атомов с многократно повторяющимися
ненасыщенными связями.
Наиболее типичными хромофорными группами являются:
карбонильная =С = О; карбоксильная
-СООН; этиленовая =С = С= ;
азометиновая =С = N-; нитрозо -N = О;
нитритная -ONO; нитратная -ONO 2; азо
-N = N- и др.
Увеличение
числа хромофорных групп в
молекуле углубляет окраску, сдвигает максимум
поглощения в область более длинных волн
(от ультрафиолетовой к красной области).
Хромофорные
свойства проявляет большинство
переходных металлов, имеющих незаполненный
электронный d-уровень. Окраска
их обусловлена возможностью легких переходов между
энергетически близкими d-орбиталями и,
следовательно, способностью находится
в различных валентных состояниях. Рассматриваемая
группа металлов может давать цветные
реакции с бесцветными реагентами, не
содержащими хромофорных групп.
Существенное
значение, определяющее пригодность
окрашенного комплекса к фотометрированию,
имеет величина его константы
устойчивости (Куст). Чем она больше,
тем реакция образования комплекса
протекает полнее, и наоборот. Поэтому
в случае комплексов с большим значением Куст. уже
незначительного избытка реагента достаточно
для практически полного связывания определяемого
иона в комплекс, т.е. для получения окраски,
не изменяющейся при дальнейшем добавлении
реагента. Наоборот, в случае комплексов
с малой величиной Куст. окраска раствора
весьма сильно зависит от избытка реагента.
Так, роданидный комплекс железа FeSCN2+,
имеющий красную окраску, являясь малоустойчивым,
при разбавлении в отсутствие избытка
SCN-ионов, заметно разрушается вследствие
диссоциации:
FeSCN2+ = Fe3+ + SCN-
красный бесцветный
с образованием практически
бесцветных ионов. Во избежание этого
разбавление раствора, в случае его
необходимости, проводят не водой, а
раствором самого комплексующего реагента,
концентрация которого, таким образом,
поддерживается постоянной.
На устойчивость
комплексных соединений большое
влияние оказывают природа растворителя
и рН раствора. Выбором подходящего
растворителя можно изменить
константу устойчивости малоустойчивых
комплексных соединений в сотни
раз. Для этого обычно используют органические растворители, хорошо
смешивающиеся с водой (этиловый спирт,
ацетон, диоксан и др.). Неводные растворители
уменьшают степень диссоциации окрашенных
соединений и тем самым предотвращают
погрешности определения. Например, применение
90 %-го этилового спирта повышает устойчивость
роданидного комплекса железа в 250 раз.
Влияние рН
на окрашенные комплексы в
большинстве случаев сводится
к изменению состава окрашенного
соединения. Так, при повышении
рН раствора может происходить
образование основных солей или гидроксидов определяемых
металлов (гидролиз), что приводит к ослаблению
поглощения света вследствие разложения
комплекса: при понижении рН раствора
разложение комплекса может происходить
вследствие связывания ионами водорода
анионов или молекул реагента, являющихся
лигандами комплексного соединения, в
недиссоциированную форму.
Поэтому, во
избежание грубых погрешностей,
фотометрическое определение необходимо
проводить в строго определенных
интервалах значений рН раствора,
указанных в соответствующих методиках. Нужный интервал
рН обеспечивается, как правило, применением
буферных растворов.
Основные закономерности
светопоглощения
При прохождении
монохроматического потока электромагнитного
излучения через слой прозрачного
вещества (в частном случае раствора, помещенного
в кювету), его интенсивность вследствие
поглощения в слое, отражения и рассеяния
уменьшается. Этот процесс можно представить
в виде Iо = Iа + Ir + I t, т.е. как сумму интенсивностей
излучений, где Iо - интенсивность первоначального
излучения, падающего на объект; Iа - интенсивность
поглощенного объектом излучения; Ir - интенсивность
излучения, отраженного стенками кюветы
и растворителем; It - интенсивность излучения,
прошедшего через объект.
В фотометрическом
методе анализа сравнивают интенсивности
излучения, прошедшего через исследуемый
раствор и через растворитель, помещенные
в одинаковые кюветы. Ослабление первоначальной
интенсивности происходит, в основном,
за счёт поглощения (абсорбции) световой
энергии окрашенным раствором. Количество
поглощенного излучения зависит от природы
поглощающего вещества и толщины поглощающего
слоя.
Зависимость
между ослаблением интенсивности
монохроматического потока излучения
и толщиной поглощающего слоя,
установленная Бугером и подтвержденная Ламбертом, составляет
сущность первого закона поглощения: относительное
количество поглощенного пропускающей
средой излучения не зависит от интенсивности
падающего излучения. Однородные слои
одного и того же вещества одинаковой
толщины поглощают одну и ту же часть (долю)
падающей на них световой энергии (при
постоянной концентрации растворенного
вещества).
Второй закон поглощения
электромагнитного излучения, установленный
Бером, выражает связь между
интенсивностью монохроматического
потока и концентрацией вещества в поглощающем
растворе: поглощение потока электромагнитного
излучения прямо пропорционально числу
частиц поглощающего вещества (при постоянной
толщине слоя), через которое проходит
поток этого излучения.
Поскольку
при фотометрических измерениях используют одинаковую
толщину слоев исследуемого раствора
и раствора сравнения (одинаковые кюветы),
практическое значение имеет только закон
Бера, связывающий поглощение и концентрацию
раствора.
Зависимость
интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего
через слой окрашенного раствора, от интенсивности
падающего потока света, концентрации
окрашенного вещества и толщины слоя,
раствора определяется объединенным законом
Бугера - Ламберта - Бера, который является
основным законом светопоглощения и лежит
в основе большинства фотометрических
методов анализа:
A = lg = ε l c,
где А - оптическая плотность
раствора; l - толщина поглощающего слоя;
c - концентрация раствора; ε - коэффициент
пропорциональности (коэффициент поглощения), который, в том случае, если концентрация
выражена в молях на литр, а толщина слоя
в сантиметрах, называют молярным коэффициентом
светопоглощения.
Следовательно,
молярный коэффициент поглощения
равен оптической плотности одномолярного
раствора при толщине слоя 1 см.
Если в растворе
находится не одно, а несколько
поглощающих веществ, не взаимодействующих
химически друг с другом, то
полное поглощение раствора равно
сумме поглощений отдельных компонентов
(закон аддитивности). На принципе
аддитивности основан целый ряд способов в количественной
фотометрии, например, таких, как способ
введения поправки на холостой опыт, способ
анализа многокомпонентных систем и др.
Наиболее важной
и объективной характеристикой
фотометрического метода анализа
является коэффициент ε. Его величина определяется
внутренними свойствами вещества и природой
растворителя и не зависит от его концентрации
(для разбавленных растворов), толщины
поглощающего слоя, интенсивности светового
потока, но изменяется в зависимости от
длины волны облучающего света и температуры.
Он характеризует чувствительность фотометрической
реакции: из уравнения А = ε lc следует, что
чем выше значение ε, тем выше чувствительность
метода.
Значения ε
колеблются в широких пределах,
существенно различаясь как для разных веществ, так и
для различных аналитических форм одного
и того же элемента (иона). Так, для слабоокрашенных
“простых” аквакомплексов меди и ряда
других элементов (например, никеля) ε
~ 101 - 102. Но более интенсивно окрашенные
аммиакаты и другие, более сложные неорганические
комплексные соединения той же меди имеют
ε ~ 102 - 103, а комплексы с органическими
реагентами (дитизонаты, ализаринаты и
др.) имеют значения ε ~ 104 - 105 . Подбирая
подходящие реагенты, можно существенно
снижать минимальную концентрацию определяемых
компонентов.
Графически
зависимость оптической плотности
от концентрации при условии
сохранения постоянства значений
ей выражается прямой, проходящей
через начало координат. По
этому графику, построенному на
основании измерения оптических плотностей
серии из 5 - 8 стандартных растворов разных
концентраций, можно определить концентрацию
исследуемого раствора, измерив его оптическую
плотность в тех же условиях, что и для
стандартных растворов.
Тангенс угла
наклона градуировочной прямой к оси абсцисс
определяет предел обнаружения метода:
чем больше наклон (при одинаковом значении
А), тем более чувствительным является
данный фотометрический метод. Метод градуировочного
графика применяют при выполнении серийных
фотометрических анализов. Он дает хорошие
результаты при соблюдении основного
закона светопоглощения.
При наличии
линейной зависимости между оптической
плотностью и концентрацией вещества
(т.е. при ε = Const) для определения
неизвестной концентрации анализируемого раствора сан, необязательно прибегать
к построению градуировочного графика.
В этом случае достаточно измерить оптические
плотности анализируемого раствора Аан.
и одного из стандартных растворов.
Однако линейная
зависимость между оптической
плотностью и концентрацией вещества наблюдается
не всегда.
Отклонения
от закона Бера могут обусловливаться
химическими и физическими причинами.
Первые могут вызываться процессами,
протекающими в исследуемом растворе
по мере увеличения концентрации
определяемого компонента (конденсация, полимеризация,
гидролиз, комплексообразование, таутомерное
превращение, образование коллоидов и
др.). Наиболее важной физической причиной
отклонений от закона светопоглощения
является немонохроматичность света.
Во всех этих случаях величина е изменяется,
что свидетельствует о неподчинении исследуемых
растворов основному закону светопоглощения.
Тем не менее, концентрацию окрашенных
растворов можно определить и в этих условиях,
используя метод градуировочного графика,
который, в отличие от вышерассмотренных
приемов фотометрических измерений, не
требует обязательного подчинения анализируемых
растворов основному закону поглощения.
В этих случаях для построения градуировочной
кривой приготавливают значительно большее
число стандартных растворов, отличающихся
друг от друга по концентрации не более
чем на 10 %. Такой график, имеющий на пологом
участке угол наклона не менее 15°, все
же позволяет проводить фотометрические
определения, несмотря на то, что между
концентрацией раствора и его оптической
плотностью нет линейной зависимости.
Воспроизводимость определений при этом
ниже, чем в случае линейной зависимости
A= ε lc.
Для уменьшения
погрешности результатов при
определении больших количеств
веществ (анализ руд, концентратов,
сплавов, шлаков, солей и др.), а также для устранения
мешающего влияния посторонних компонентов
используют метод дифференциальной фотометрии.
Сущность его состоит в том, что оптические
плотности анализируемого и стандартного
окрашенных растворов измеряют не по отношению
к чистому растворителю с нулевым поглощением,
а по отношению к окрашенному раствору
определяемого элемента с концентрацией,
близкой к концентрации анализируемого
раствора. При этом повышение точности
достигается за счёт сдвига области измерений
в оптимальный интервал значений оптической
плотности.