Фотометрический метод анализа

Пиридин, никотиновая кислота, хлорпикрин

Фурфурол

Дихлорэтан

Нитрофенолы, пикриновая кислота

Фурфурол, ацетон

Динитрокислоты,динитротиофен, бензол, вторичные амины

Аминоуксусная кислота, ванилин, кетоны, альдегиды

Ацетон, фурфурол, ванилин

Аминокислоты

Крахмал, целлюлоза, индол

Формальдегид, ванилин, ментол

Высшие спирты, гликоли, резорцин

Нитробензол

Сахара

Анилин, бензидин, оксимы, танины

Многие органические соединения

Большое распространение получил фотометрический метод и в контроле производства. Можно сказать, что среди других физико-химических методов это один из самых распространенных методов. Его распространение связано со сравнительной простотой аппаратуры и самого метода и широкими его возможностями. Некоторые примеры использования фотометрических методов в различных областях производства приведены в табл. II-7.

Таблица II-7. Использование фотометрических методов в различных областях производства

Следует немного остановиться на общих принципах разработки и проверки отдельных фотометрических методов. Проверка любой реакции, дающей окрашенный продукт с определяемым ионом или соединением, состоит из следующих основных этапов

Построения спектрофотометрической кривой в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Построение спектрофотометрической кривой позволяет исследователю выбрать наиболее подходящую область длин волн, для которых наблюдается наибольшее поглощение и, следовательно, где можно ожидать максимальной чувствительности определения. По спектрофотометрической кривой может быть выбран подходящий светофильтр для видимой области спектра и наиболее подходящий по характеристике фотоэлемент. Спектрофотометрическая кривая дает возможность в ряде случаев выбрать условия для подавления вредного влияния посторонних веществ, которые могут быть в анализируемом растворе. По данным спектрофотометрирования при выбранной оптимальной длине волны, зная толщину фотометрируемого слоя и концентрацию исследуемого раствора, можно определить молярный коэффициент поглощения исследуемого вещества. Обычно желательно это определение делать при нескольких отличающихся концентрациях и определять среднее значение молярного коэффициента поглощения, по величине которого можно судить о чувствительности метода.

2.4 Определение оптимальных условий проведения фотометрической реакции.

На этом этапе выясняется влияние на фотометрическую реакцию основных факторов: времени, рН раствора, температуры и других условий. Для выяснения влияния времени исследуемый окрашенный раствор выдерживают в кювете фотоколориметра несколько часов, периодически измеряя его оптическую плотность. График изменения оптической плотности во времени позволяет выбрать время получения наиболее стабильных и достаточно высоких значений оптической плотности. Этот период времени является стандартным для проведения данной реакции.

Для исследования зависимости влияния на реакцию и окраску рН проводят, если это возможно, реакцию на фоне различных буферных растворов при разных рН. Однако в ряде случаев проведение реакции на фоне буферных растворов невозможно, так как сами компоненты буферной смеси влияют на окраску. В этом случае рН изменяют, осторожно добавляя разбавленные растворы хлористоводородной кислоты и гидроокиси натрия, с последующим контролем рН потенциометрически или при помощи индикаторных бумажек. Как и в первом случае, за изменением оптической плотности следят по мере изменения рН раствора. Иногда целесообразно исследовать и устойчивость во времени при данном рН. Это связано с тем, что устойчивость окраски при разных рН может сильно меняться. Проведение таких опытов позволяет выбрать оптимальное значение рН, при котором оптическая плотность достигает максимального значения и достаточно устойчива во времени. Температура сравнительно мало влияет на окраску соединений, особенно в интервале 15--35 С, в котором обычно проводятся фотометрические измерения. Однако в некоторых случаях, например при разработке термоспектро-фотометрических методов анализа, эти исследования очень важны. Термометрические исследования необходимо проводить в термостатированных кюветах, в наружную оболочку которых непрерывно поступает из термостата вода с определенной температурой. Следует отметить, что температура в наружной оболочке кюветы будет всегда несколько отличаться от температуры воды термостата, и поэтому ее необходимо измерять непосредственно в оболочке кюветы точным термометром. Измеряя температуру, следят во времени за изменением оптической плотности и по полученным данным строят график зависимости оптической плотности от температуры. В некоторых случаях целесообразно такие измерения провести при различных концентрациях определяемого иона, при различных рН. На основании полученных данных определяют относительный температурный коэффициент оптической плотности. При этом обычно все измерения относят к оптической плотности при 20 С.

При колориметрических реакциях большое значение имеет концентрация реагентов, и даже порядок их приливания. Однако общие рекомендации по изучению этих факторов дать трудно. Для многих фотометрических реакций эти факторы достаточно хорошо изучены, чего нельзя сказать о новых фотометрических реакциях. Это заставляет при проверке и применении новых фотометрических реакций подходить к ним очень осторожно. Проведение описанных исследований позволяет установить оптимальные условия проведения данной фотометрической реакции, при которых получается устойчивая, достаточно большая оптическая плотность. В дальнейшем все измерения проводят в условиях, найденных в процессе описанных исследований. Фотоколориметрические определения. При работе на фотоколориметре с одним фотоэлементом заранее приготовляют раствор-фон, содержащий все добавляемые вещества, кроме определяемого, и проведенный через все операции определения. Подбирают подходящий светофильтр и устанавливают его в гнездо фотоколориметра.

Раствор-фон наливают в кювету и устанавливают ее в фотоэлектрический колориметр. Реостатом осветителя или диафрагмой регулируют интенсивность светового потока так, чтобы стрелка, гальванометра стала на определенное условное деление.

После настройки фотоколориметра приступают к построению калибровочной кривой. Для этого приготовляют ряд растворов с известными концентрациями определяемого вещества. Последовательно наливают в кювету приготовленные растворы и определяют отклонения стрелки гальванометра. После каждого определения рекомендуется проверить постоянство начального отсчета--отклонение стрелки гальванометра для фона. Если обнаружено, что начальный отсчет изменился, следует найти причину этого изменения.

Д

90

80

А 200 400 600

С,мг/100мл

Рис. II-39. Калибровочные кривые для определения марганца: А --показания гальванометра; В--оптическая плотность

Если измерения идут нормально, то по полученным при разных концентрациях показаниям гальванометра строят калибровочный график. Калибровочные графики могут быть построены также по оптическим плотностям. Для построения калибровочного графика по оптической плотности определяют для каждой концентрации D по формуле

D = Ig i0 - Ig I

где iо - показание стрелки гальванометра для фона;

i -- среднее значение отклонения стрелки гальванометра для раствора данной концентрации.

В качестве примера на рис. II-39 приведено два калибровочных графика фотоколориметрического определения марганца в сталях. График в системе координат Д -- С проще, при его помощи непосредственно по показанию Д гальванометра определяется концентрация марганца. Однако он имеет и некоторые существенные недостатки. Из-за кривизны калибровочного графика точность определения на разных участках концентраций различна; построение такого графика требует нахождения многих точек. График в системе Д -- С требует предварительного логарифмирования отсчетов гальванометра и определения оптической плотности, это несколько усложняет его применение. Все же этому графику следует отдать предпочтение. При использовании его чувствительность определения остается одинаковой на всем протяжении исследуемых концентраций; для построения и проверки такого графика достаточно 3--5 точек. Пользуясь калибровочным графиком, можно определить содержание того или иного вещества в неизвестном образце. При массовых измерениях необходимо периодически проверять калибровочный график по нескольким пробам с известным содержанием определяемого вещества. Если возникнут расхождения, следует найти причины их; причины расхождений могут быть те же, что и при непостоянстве начального отсчета. Описанный способ работы на одноплечем фотоколориметре относится к способу пропорциональных отклонений. Если фотоколориметр снабжен калиброванной диафрагмой, то может быть использован способ равных отклонений. В этом случае готовят набор стандартных растворов, заполняют одним из них кювету, полностью раскрывают диафрагму, указатель ставят на деление, соответствующее максимальному значению, помещают кювету в гнездо фотоколориметра. При этом гальванометр отклонится до определенного деления, которое отмечают. Убрав затем кювету при помощи диафрагмы, доводят стрелку гальванометра до того же деления и отмечают показания шкалы диафрагмы. Измеряют поглощение остальных растворов и по полученным данным строят калибровочный график в системе концентрация -- деления шкалы диафрагмы. Одноплечие фотоколориметры находят небольшое применение в практике фотометрического анализа; значительно более распространены двуплечие фотоколориметры. Работу дифференциальным способом на двуплечих фотоколориметрах типа ФЭК можно проводить в том случае, если в приборе имеются вывода для внешнего гальванометра, так как гальванометр, вмонтированный в прибор, является не измерительным, а нулевым прибором. При работе этим способом в правый и левый поток устанавливают кюветы, заполненные растворителем, и при помощи регулировочных' клиньев измерительный гальванометр устанавливают на нуль. Затем правую кювету заменяют кюветой с одним из приготовленных стандартных растворов и отмечают отклонение стрелки гальванометра. Повторяют отсчет несколько раз и берут среднее значение отклонения. Затем повторяют эту операцию со следующим стандартным раствором. По значениям концентраций и отклонению гальванометра строят калибровочный график в системе концентрация-- показания гальванометра. В этом способе гальванометр играет роль измерительного прибора, и он должен быть особенно чувствительный. Перед определением нулевым способом включают осветитель фотоколориметра, устанавливают светофильтр и через 10-- 15 минут начинают измерения. В правый и левый световой поток устанавливают кюветы с фоном, при помощи регулировочных клиньев устанавливают стрелку гальванометра на нуль, переключают чувствительность гальванометра и проверяют установку при большей чувствительности. Затем заменяют кювету в правом световом потоке кюветой со стандартным раствором и при помощи измерительного барабана приводят стрелку гальванометра снова в нулевое положение, отсчитывают показания по шкале диафрагмы. Отсчет производят по оптической плотности или коэффициенту светопропускания. Способы отсчета описываются в инструкциях к приборам. При работе дифференциальным способом может быть использован гальванометр или специальный индикатор, вмонтированный непосредственно в фотоколориметр. К косвенному методу фотометрического определения относится метод фотометрического титрования. Он проводится в приборе типа ФЭТ-УНИИЗ -- это простейший одноплечий фотоколориметр, в котором в качестве кювет служит стакан, снабженный магнитной мешалкой и бюреткой для титрования. Луч света от осветителя проходит через боковую стенку стакана и попадает на фотоэлемент, фототок которого регистрируется измерительным гальванометром. Процесс фотометрического титрования прост и достаточно подробно описан выше. В некоторых случаях можно не строить графика титрования, а визуально отмечать момент скачка стрелки гальванометра. При достаточном навыке точка эквивалентности определяется весьма точно. Применение фотометрического метода ограничено определенным интервалом концентраций, в области которого обычно не наблюдается сильных отклонений от закона Бугера -- Ламберта-- Бера. Повышение определяемых концентраций может быть достигнуто использованием дифференциального спектрофотометрического метода. В этом методе окраска исследуемого раствора сравнивается не с окраской фона, а с окраской стандартного раствора, концентрация которого близка к концентрации определяемого раствора. Можно легко показать, что в этом случае калибровочный график не начинается от начала координат, а отсекает' некоторые отрезки на оси концентраций. На рис. П-40 приведены калибровочные графики для определения железа в виде сульфосалицилатного комплекса. Кривая 1 снята с фоном в качестве раствора сравнения, кривая 2 с раствором сравнения концентрацией 0,115 мг/50 мл и кривая 3 с раствором сравнения концентрацией 0,231 мг/50 мл. Как видно из рисунка, применение метода дифференциальной спектрофотометрии значительно расширяет предел определяемых концентраций.

В дифференциальном спектрофотометрическом методе можно использовать и метод добавок. В этом случае помещают в колбы, содержащие V известного раствора анализируемого вещества, в первую--V_а неизвестного раствора, в другую -Vь неизвестного раствора и в третью-- V_ст известного стандартного раствора концентрации С_ст. Последний раствор служит раствором сравнения, относительно которого измеряют оптические плотности первого D1 и второго D₂ растворов. Для этих растворов составляют соответствующие уравнения:

VaCх Vcт Cст

D1 = еb ( ------ - ------ )

V V

Vb Cх Vcт Cст

D2 = еb ( ------ - ------)

VV

решая которые, получаем:

Vcт Cст (D2 - D1)

Cх = еb --------------(II - 22)

D2 Va - D1 V

Рис. II-40. Калибровочные графики для определения железа в виде сульфосалицилатного комплекса дифференциальным спектрофотометрическим методом.

Как будет показано ниже, дифференциальный спектрофотометрический метод обладает повышенной точностью по сравнению с обычным фотометрическим методом.

В практике фотометрического метода применяется также термоспектрофотометрический метод анализа. В этом методе используется изменение оптической плотности раствора окрашенного вещества под действием температуры и рН (рис. II-41). В зависимости от природы фотометрируемого вещества кривая зависимости оптической плотности от рН с изменением температуры может оставаться неизменной (кривая а), может сдвигаться в область повышенных рН (кривая б) или в область пониженных рН (кривая в). Это может быть использовано для разделения веществ, обладающих максимумом поглощения при близких длинах волн и почти одинаковым рН. На рис. П-42 в качестве примера приведены кривые оптической плотности растворов окрашенных соединений алюминия и галлия с алюминоном в зависимости от рН при разных температурах. При 20 °С максимум поглощения обоих растворов возникает при близком значении рН и поэтому раздельное определение этих веществ невозможно. При повышении температуры максимум поглощения соединения алюминия сдвигается очень немного в сторону

D

рН

Рис. П-41. Кривые зависимости оптической плотности растворов от рН при разных температурах.

меньших значений рН, а максимум соединения галлия сдвигается очень сильно. Определяя теперь разность оптических.

Рис. 11-42. Кривые зависимости оптической плотности растворов от рН при разных температурах: а -- соединений галлия; б--соединений алюминия.

плотностей в точках рН_А и рН_в при 80 и 20 ^СС, можно составить, два уравнения, решая которые можно определить концентрации алюминия и галлия в исследуемом растворе. Этот метод требует строгого термостатирования исследуемых растворов и строгого соблюдения их рН

Одной из важных областей применения фотометрического анализа является определение концентрации водородных ионов, или определение рН растворов.

При определении рН пользуются методами с применением следующих реагентов:

1)двухцветный индикатор и буферный раствор;

2)двухцветный индикатор без буферного раствора;

3) одноцветный индикатор без буферного раствора.

Все эти методы могут быть использованы в визуальной колориметрии и в фотометрическом анализе. Первые два метода чаще применяют в визуальной колориметрии, а последний в фотометрическом анализе.

Для определения рН по первому методу применяют набор индикаторов с разными интервалами перехода (табл. П-8).

Таблица II-8. Двухцветные индикаторы