ЛЕКЦИЯ № 12.

Инструментальные методы анализа, их классификация.

Общая характеристика оптических методов анализа.

План.

1.     Особенности и области применения физико-химических методов анализа.

2.     Чувствительность и селективность, правильность и воспроизводимость инструментальных методов анализа.

3.     Основные приемы физико-химических методов анализа.

4.     Многоволновая спектрофотометрия.

5.     Дифференциальная спектрофотометрия.

6.     Экстракционно-фотометрический анализ.

7.     Фотометрическое титрование.

 

1. Особенности и области применения физико-химических методов анализа.

Все методы анализа базируются на использовании зависимости физико-химического свойства вещества, которое называется аналитическим сигналом или просто сигналом, от природы вещества и его содержания в анализируемой пробе. В классических методах анализа в качестве такого свойства используется либо масса осадка – гравиметрический анализ, либо объем реактива, использованного на реакцию – титриметрический анализ. Однако химические методы не в состоянии были удовлетворить разнообразные запросы практики, которые  особенно возросли как результат НТП и развития новых областей науки, техники, промышленности. Развитие всех областей и сферы жизни поставило перед аналитической химией задачи: 

1. снизить границу определения до 10-5-10-10 %. Только при содержании так называемых “запрещенных” примесей не выше 10-5 %  жароустойчивые сплавы сохраняют свои свойства. Приблизительно такое же содержание примеси гафния допускается в цирконии при использовании его в качестве конструкционного материала ядерной техники. (Сначала Zr был по ошибке забракован как конструкционный материал этой области именно из-за загрязнения гафнием). Еще меньше содержание (до 10-10 %) загрязнений допускается в материалах полупроводниковой промышленности (Si, Ge и др.). Существенным образом  изменяются свойства металлов, содержание примесей, в которых находится на уровне 10-5 % и меньше. Например, хром и бериллий становятся ковкими и тягучими, вольфрам и цирконий становятся пластическими, а не хрупкими. Определение таких маленьких содержаний гравиметрическим или титриметрическим методом практически не возможно, и только применение физико-химических методов анализа, владеющих значительно более низкой границей определения, разрешает решение этих аналитических задач.

  Второй важной особенностью физико-химических методов анализа является их экспресность, высокий темп получения результатов. Современные автоматические квантометры разрешают получить результаты буквально через несколько минут после получения пробы в лабораторию. Современная информация о составе сырья, о степени химической переработки и т.д. дает возможность технологу активно вмешиваться в ход технологического процесса и вводить необходимые коррективы. Существенное значение имеет экспресность анализа и в металлургическом производстве, где корректировать состав стали можно по ходу выплавки в зависимости от результатов анализа. Сокращение времени плавки, которое нередко зависит от скорости выполнения анализа, дает большой экономический эффект, снижая энергетические и прочие затраты.

Физико-химические методы разрешают проводить анализ на расстоянии. Ярким примером является анализ почвы луны, выполненный рентгенфлуоресцентным устройством непосредственно на Луне, определение состава атмосферы, окружающей планету Венера. Важное практическое значение имеет дистанционный анализ в земных условиях, например, когда анализируются препараты высокой радиоактивности, токсичности, а также при анализе морских вод на больших глубинах.

Устройства, применяемые в физико-химических методах анализа (ФХМА), разрешают автоматизировать сам процесс анализа или отдельные его стадии. Автоматические газоанализаторы контролируют состав воздуха в шахтах. В значительной мере автоматизированный газовый хроматографический анализ в нефтехимической, коксохимической и др. областях промышленности.

Анализ с помощью некоторых ФХМА может быть выполнен без разрушения анализируемого образца (недеструктивный анализ), что имеет большое значение для некоторых областей промышленности, а также, для криминалистики, медицины и т.д. Недеструктивный анализ может быть выполнен рентгенофлуоресцентным, радиоактивационным и другими методами.

Часто практический интерес представляет не общее содержание какого-нибудь элемента в пробе, а его распределение по поверхности образца – так называемый локальный анализ – определение элемента в данной “точке” образца. Этот анализ имеет значение в металловедении и других областях, где состав отдельных включений определяет качество материала, а также в минералогии, петрографии, криминалистике, археологии и др. Выполняется локальный анализ рентгеноспектральным методом. Электроны собирают в очень тонкий луч диаметром 1 мкм и меньше (электронный зонд) и направляют его в то место образца, локальный анализ которого необходимо выполнить. По характеристикам рентгеновского излучения говорят о содержание элементов в “точке”. С целью выполнения локального анализа применяется также техника лазерной микроспектроскопии.

Ошибка анализа физико-химическими методами составляет в среднем 2-5 %, что превышает ошибку классических методов анализа (гравиметрический 0,01-0,005 %, титриметрический 0,1-0,05 %). Однако такое сравнение ошибок в целом не очень корректное, так как относится к разным концентрационным областям. При небольшом содержании определяемого компонента классические химические методы анализа не пригодны, при высоких концентрациях физико-химические методы успешно конкурируют с химическими, а такие методы как кулонометрия, электрогравиметрия, даже превышают их по точности.

Следует отметить также, что ошибка анализа физико-химическими методами имеет тенденцию снижаться за счет конструирования прецизионных аналитических приборов и разработки более совершенных аналитических методик.

Однако химические методы анализа своего значения не утратили, они незаменимы там, где при высоком содержании необходима высокая точность и нет серьезных ограничений во времени (например, анализ готовой продукции, арбитражный анализ, изготовление эталонов).

Существенным недостатком большинства ФХМА является то, что для их практического применения необходимы эталоны, стандартные растворы и градуировочные графики.

  Задачей аналитической химии является определение содержания тех или иных веществ в исследуемой системе наиболее быстрыми, точными и рациональными методами. В зависимости от поставленной задачи используется реакция, которая либо только определяет их присутствие, либо же разрешает определить их количество в системе. В первом случае мы имеем дело с качественным, а во второй – с количественным анализом.

Все используемые сегодня методы количественного анализа можно, в общем, разделить на химические, физико-химические, физические методы.

Химические методы анализа базируются на химических свойствах веществ, на непосредственных результатах их способности принимать участие в какой-нибудь специфической химической реакции.

Физико-химические методы анализа базируются на взаимосвязи между составом системы и ее физическими и физико-химическими свойствами. Решение аналитической задачи физико-химическими методами обычно разбивается на следующие этапы:

1.      Приготовление стандартных растворов (систем), отличающихся один от другого только содержанием определяемого вещества.

2.      Количественная оценка (измерение величины) некоторого свойства системы для каждого из стандартных растворов.

3.      Графическое выражение установленной зависимости (построение калибровального графика) в координатах: концентрация определяемого вещества (по оси абсцисс) – числовое значение данного свойства (по оси ординат).

4.      Измерение выбранного свойства для исследуемого раствора и определение его концентрации по калибровальному графику.

Функциональная зависимость между численным значением данного физического или физико-химического свойства системы и содержанием анализируемого вещества может быть выражена графиком или формулой. Если все члены формулы известны, то результат анализа может быть установлен не графическим, а расчетным путем.

ФХМА классифицируют соответственно измеренных свойств систем:

В оптических методах анализа используется связь между оптическими свойствами системы:

  1) светопоглощением                                            1) фотометрический анализ

  2) светорассеянием                                                2) нефелометрия, турбидиметрия

  3) преломление света                                             3) рефрактометрия

  4) обращением плоскости поляризации               4) поляриметрия

       плоскополяризованого света

  5) вторичным свечением вещества                       5) люминесцентный анализ

        и ее составом.

 

В электрохимических методах анализа используют:

  1) измерение электропроводности растворов                  1) кондуктометрия

  2) измерение величины электродных потенциалов              2) потенциометрия

  3) наблюдение за процессом поляризации                                3) полярография

      микроэлектрода

  4) количественное электролитическое выделение            4) электрогравиметрия

      определяемого вещества

  5) измерение количества электрики использованной         5) кулонометрия

      при количественном электрохимическом

      превращении веществ.

 

Наряду с оптическими и электрохимическими методами к числу важнейших физико-химических методов анализа следует отнести хроматографию. Основой хроматографии всех видов является использование различий в характере распределения разных веществ между двумя фазами. Большое значение имеют сорбционные методы, базирующиеся на отличиях в сорбции веществ, разных по составу и строению. Особое значение хроматография имеет как универсальный метод разделения веществ и их концентрирования. Концентрирование делает доступным определение исчезающе малых количеств веществ.

  Отдельным направлением физико-химических методов анализа являются методы, базирующиеся на зависимости скорости реакции от концентрации реагирующего вещества. Они поэтому и называются кинетическими методами анализа. Измерение скорости реакции используется здесь для установления концентрации исследуемого компонента. Чувствительность кинетических методов анализов чрезвычайно высокая. Использование кинетических реакций разрешает устанавливать содержание миллионных долей микрограмма в миллилитре раствора.

Таким образом, к ФХМА принадлежат:

1.     спектральные и другие оптические методы;

2.     электрохимические методы;

3.     хроматографические методы;

4.     кинетические (каталитические) методы.

  К физическим методам анализа можно отнести такие методы, в которых определение элемента базируется на свойствах его атомов и ядер. К ним принадлежат, например:

1.                эмиссионный спектральный анализ, который использует однозначное соответствие между строением атома данного элемента и волновым составом светового излучения возбужденных атомов – спектром элемента.

Сюда же следует отнести:

2.                радиометрические методы анализа, которые связаны с измерением интенсивности радиоактивности исследуемого образца – следствием самопроизвольного распада или спонтанного деления ядер атомов некоторых элементов.

Важное значение имеет здесь так называемый:

3.                активационный анализ, базирующийся на возникновении искусственной радиоактивности при облучении исследуемого образца потоком заряженных частичек веществ или потоком нейтронов. Этот метод отличается наивысшей чувствительностью. Для недолго живущих изотопов минимальное определяемое количество составляет 1012-10-14 мкг вещества.

  4. К ФМА принадлежит также масс-спектрометрический анализ, базирующийся на идентификации стабильных и радиоактивных изотопов элементов в соответствии с отличиями в их массе.

Таким образом, к ФМА принадлежат:

1.     эмиссионный спектральный

2.     радиометрический

3.     активационный

4.     масс-спектрометрический

 

2. Чувствительность и селективность, правильность и воспроизводимость

инструментальных методов анализа.

Чувствительность методов определяется двумя факторами:

·        интенсивностью измеренного физического свойства;

·        чувствительностью детекторов сигнала в приборе для инструментального анализа.

Малоинтенсивными свойствами являются, например, ряд оптических свойств – преломление луча света и обращение плоскости поляризации света, вследствие чего рефрактометрия и поляриметрия имеют низкую чувствительность, и применяется при анализе сравнительно концентрированных растворов веществ.

Высокую интенсивность могут иметь (в зависимости от типа веществ) поглощение света растворами веществ, линии в эмиссионном спектре элементов, флюоресценция, радиоактивность и ряд других свойств. В связи с этим соответствующие виды инструментального анализа владеют высокой чувствительностью от 1*10-6 г в фотометрических до 1*10-15 г в радиометрических методах. Высокая чувствительность многих методов объясняется свойствами применяемых детекторов сигнала в приборах. Например, современные фотоумножители реагируют на световые потоки с очень маленькой интенсивностью, а радиометрические счетчики – на отдельные элементарные частички. Электрохимические методы (полярография, кулонометрия) имеют высокую чувствительность благодаря применению высокочувствительных регистраторов тока и потенциала.

Чувствительность некоторых инструментальных методов анализа:

       Метод                                                       Граница определения

Фотометрия                                                              1*10-6

Флюориметрия                                                         1х10-10  

Полярография                                                           1х10-8

Эмис. спектр. анализ                                                1х10-10

АА анализ                                                                  1х10-10

Газовая хромотография                                           1х10-11

Радиоизотопный анализ                                           1х10-15

Масс – спектрометрия                                              1х10-12

Кулонометрия                                                           1х10-10

Кинетический анализ                                                1х10-11

Высокочувствительные методы анализа применяют при анализе микро компонентов смесей, продуктов разрушения веществ, примесей в ним. Особенно большое значение они имеют в полупроводниковой промышленности, при производстве особо чистых веществ, в исследованиях биологических объектов и т.д.

 Важным преимуществом многих инструментальных методов является их высокая избирательность – селективность. Ряд инструментальных методов, например, рефрактометрия, интерферометрия, неселективны и используются в тех случаях, когда анализируются либо индивидуальные вещества, либо несложные смеси (из 2-3 веществ). Высокая селективность присуща методам, базирующимся на характерных свойствах молекул, функциональных группировок, атомов, владеющих эмиссионными и абсорбционными свойствами, радиоактивностью, способностью к электрохимическому восстановлению или окислению. Например, по линиям эмиссионного спектра проявляют и определяют практически все элементы при их совместном присутствии. Эти методы широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, при анализе материалов сложного состава.

  Правильность инструментальных методов анализа зависит от того, насколько свойство адекватно отображает состав и связано ним строго определенными закономерностями. Закономерности, которые связывают свойство и состав, устанавливают экспериментально. Поэтому при проведении инструментального анализа предварительно проводят калибровку аналитических приборов и определяют зависимость физических свойств от состава. Эти задачи решаются с помощью стандартных образцов.

Стандартным образцом называют вещества и материалы, которые имеют постоянный состав и свойства. Например, в потенциометрии применяют стандартные буферные растворы с постоянным значением рН, с их помощью калибруют рН-метры, в спектрофотометрии по стандартам веществ строят калибровочный график, который используется потом для интерпретации результатов измерений исследуемого образца. Применение стандартов разрешает получить правильные результаты анализа.

На воспроизводимость инструментальных методов кроме общих причин (точность измерения, взвешивания и др.) влияет стабильность работы аналитического прибора. Последнее зависит от стабильности напряжения электропитания приборов, стабильности работы детекторов. Стабильность напряжения электросети обеспечивают стабилизаторы напряжения, от которых идет питание приборов. Стабильность работы детекторов (фотоэлементов, термоэлементов и т.д.) повышают дифференциальными способами измерений. Дифференциальная схема измерений предусматривает использование двух детекторов – стандартного и измерительного, регистрируют в этих схемах дифференциальный сигнал. Иногда дифференциальный способ осуществляют одним детектором, измеряя сначала сигнал стандартного, потом исследуемого образца. Например, в фотоколориметрах используют два фотоэлемента, на один из них поступает поток света, который прошел через растворитель или стандарт, на второй – через раствор определяемого вещества. Дифференциальный сигнал фотоэлементов усиливается и регистрируется. В однолучевых спектрофотометрах применяют один фотоэлемент.

В световой поток сначала вводят кювету с растворителем и приводят электрический сигнал фотоэлемента к нулю, потом измеряют поглощение раствора определяемого вещества, получая на шкале прибора показатели разницы, связанные только с количеством определяемого вещества.

Для получения точных результатов на приборе выполняют не меньше 3-5 измерений образца, потом их обрабатывают методами математической статистики. Точность инструментальных методов сильно колеблется в зависимости от метода. Наиболее высокой точностью (до 0,01 %) владеет кулонометрия, точность в пределах 2-5 % имеет большинство прямых инструментальных методов. Инструментальное титрование по своей точности сравнивается с химическим титрованием (0,1 %).

 

 

3. Основные приемы ФХМА.

Почти во всех ФХМА применяют два основных методических приема: метод прямых измерений (относительный) и метод титрования (абсолютный).

Прямые методы. В этих методах используется зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации.

Свойством, которое зависит от природы вещества, является, например, длина волны спектральной линии в эмиссионной спектроскопии, потенциал  полуволны в полярографии, а количественной характеристикой служит интенсивность сигнала – интенсивность спектральной линии в первом случае, сила диффузного тока – во втором. В отдельных методах связь аналитического сигнала с природой вещества установлена строго теоретически. Например, линии в спектре атома водорода могут быть рассчитаны по теоретически введенным формулам с использованием фундаментальных констант (постоянная Планка, заряд электрона и т.д.).

При качественном анализе наблюдается сигнал, например, какая из ожидаемых длин волн появится в пробе, а при количественном измерении интенсивность сигнала. Связь интенсивности аналитического сигнала І с концентрацией вещества имеет разную природу. Но часто эта зависимость выражается простым уравнением:

І = А х С,

где А – константа, С – концентрация.

В аналитической практике наибольшее распространение приобрели следующие методы прямого количественного определения с помощью физико-химических измерений:

1)                метод градуировочного графика;

2)                метод сравнения;

3)                метод добавок;

4)                метод аналитических факторов.

1. метод градуировочного графика. В этом методе измеряется интенсивность аналитического сигнала І в нескольких стандартных образцах или нескольких стандартных растворов и строится градуировочный график чаще в координатах I =f (C), где С – концентрация определяемого компонента в стандартном образце.  Потом в тех же условиях измеряется интенсивность сигнала в анализируемой пробе и по градуировочному графику находится концентрация анализируемого раствора. Интервал концентрации на градуировочном графике должен охватывать предвиденную область анализируемых концентраций, а состав стандартного образца или раствора должен быть близким к анализируемым.

у = а + в*х,

где а можно рассчитать по формуле:

в можно рассчитать по формуле:

2. Еще называется метод сравнения или метод стандарта. Используется в тех случаях, если линия зависимости состав – свойство имеет прямолинейный характер и проходит через начало осей координат.

         На приборе измеряют характеристики свойств стандартного и анализируемого растворов. При этом соотношение концентраций стандартного и анализируемого растворов равно отношению характеристик: СХСТ = IХ/IСТ; СХ =(IХСТ)/IСТ

3. Метод добавок. Сначала измеряют интенсивность аналитического сигнала пробы, потом в пробу вводится известный объем  стандартного раствора до концентрации ССТ и снова измеряется интенсивность сигнала. Если ІХ – интенсивность аналитического сигнала пробы, а Іх+Ст - интенсивность сигнала после добавки стандартного раствора, то, очевидно:

ІХ = А * СХ;

ІХ + СТ = А * (СХ + ССТ)

ІХ / ІХ + СТ  = А * СХ / (А*СХ + А*ССТ). 

ІХ * (А*СХ + А*ССТ) = ІХ+СТ * А * СХ;

ІХ*А*СХ - ІХ+СТ * А * СХ = - ІХ*А*ССТ;

А*(ІХ+СТ – ІХ)*СХ = А*ІХСТ;

СХ = ССТ. * ІХ /(ІХ+СТ – ІХ).

 При выполненные анализа единичных образцов неизвестного состава значительные трудность представляет изготовление необходимых образцов сравнения и учет возможных межэлементных влияний. В таком случае удобно изготовить образцы сравнения на основе самой анализируемой пробы.

Анализируемую пробу делят на n порций и в (n – 1) порции водят определяемый элемент в последовательно возрастающем количестве. Построив зависимость интенсивности аналитической линии от добавки, можно экстраполировать эту зависимость до нуля и найти концентрацию элемента в исходной пробе.

Cдоб.

 

CX  0   2     4

 
Это справедливо лишь только при отсутствии заметного фона. Метод добавок практически свободен от влияния матричных эффектов, если при введенные добавок обеспеченная идентичность химической формы определяемого элемента в пробе и во введенной добавке. Поэтому его часто применяют при анализе проб неизвестного состава.

 

Метод добавок применяют также для независимого контроля правильности результатов анализа, полученных с помощью специально подготовленных образцов сравнения.

4. метод аналитических факторов (показателей). Этот метод базируется на использовании численных значений свойства, отвечающего единице концентрации вещества. Аналитические факторы используют в расчетах при строгом соблюдении определенных закономерностей, связывающих характеристику свойства вещества с его концентрацией в растворе. Такие закономерности установлены, например, в рефрактометрии, поляриметрии, спектрофотометрии и др. Применяют два вида аналитических факторов:

·        молярные показатели FM – отвечают молярной концентрации вещества (моль/дм3);

·        удельные показатели F% - отвечают процентной концентрации вещества.

Расчет концентрации при использовании аналитических факторов значительно упрощается: измеряют свойство раствора и делят на его фактор. При этом получают концентрацию вещества в растворе в соответствующих единицах:

C = I/FM [моль/дм3]; C = I/F% [%]

Косвенные методы.  (или методы титрования). В этих методах в ходе титрования изменяется интенсивность аналитического сигнала І и строится кривая титрования I – V , где V - объем добавленного титранта, в мл. Т.э. находится по кривой титрования.

Различают:

·        интегральные кривые – на графике откладываются значения интенсивности сигнала.

·        дифференциальные кривые – на графике откладывается разность интенсивности сигнала между двумя последовательными изменениями свойства. Интенсивность сигнала может быть связана с концентрацией определяемого вещества, титранта или продукта реакции. Поэтому вид кривых очень разный.

Оптические свойства растворов окрашенных соединений.

Молекулярно-абсорбционные методы базируются на измерении поглощения молекулами (или ионами) веществ электромагнитного излучения оптического диапазона. В зависимости от области оптического диапазона, ширины полосы измеренного излучения, способа измерения различают такие молекулярно-абсорбционные методы:

-         колориметрию – сравнение окраски анализируемого раствора и стандартного раствора происходит визуальным способом;

-         фотоколориметрия – измерение интенсивности светового потока, который прошел через раствор вещества (либо вещества в твердой или газовой фазе) фотоэлектрическим способом;

-         спектрофотометрию – измерение интенсивности монохроматического (определенной длины волны) светового потока, который прошел через раствор вещества, фотоэлектрическим способом;

В зависимости от длины волны различают спектрофотометрию в УФ, видимой и ИК – области спектра.

При прохождении пучка белого света с интенсивностью І0 через стеклянный сосуд, заполненный раствором, происходит уменьшение интенсивности первоначального света, и свет, который выходит из сосуда, будет иметь интенсивность І, причем І < І0.

Это уменьшение частично связано с отражением на границах поверхностей воздух-стекло, стекло-раствор; частично с рассеиванием света (Ір), которое вызвано присутствующими в растворе зависшими частичками; но главным образом уменьшение света связано с поглощением его раствором (Іа). Таким образом, для описания прохождения света через раствор будет справедливым уравнение:

І0 = Іа + Іотраж + Ір + І

При сравнительном изучении поглощения света разными растворами пользуются одинаковыми кюветами, для которых интенсивность отраженной части светового потока является постоянной и маленькой, и ней можно пренебречь; при работе с истинными растворами достаточно чистых исходных веществ потеря света за счет рассеивания становится тоже незначительной. Поэтому уравнение можно записать в более простом виде:

І0 = І + Іа.

Интенсивность подающего светового потока и того, который выходит из кюветы, можно непосредственно измерить. Степень поглощения светового потока раствором неодинакова для световых потоков разных длин волн, которые составляют белый свет. В результате этого свет, которое выходит “из раствора” часто окрашен. Цвет раствора, который воспринимается глазом, обусловлен светом той части падающего потока света, которая прошел через раствор непоглощенным.

Цвет света, который прошел через раствор, отличается от цвета его поглощенной части и называется дополняющим цветом (условным цветом вещества). Например, раствор, который поглощает желто-зеленую часть спектра (l = 560-570 нм) будет для наблюдателя окрашенный в фиолетовый цвет. Зависимость окраски раствора от поглощенной части светового спектра приведена в таблице.

Спектральный диапазон поглощенной части, нм

Цвет поглощенной части света

Условный цвет раствора (дополняющий цвет)

400-450

Фиолетовый

Желто-зеленый

450-480

Синий

Желтый

480-490

Зелено-синий

Оранжевый

490-500

Сине-зеленый

Красный

500-560

Зеленый

Пурпуровый

560-575

Желто-зеленый

Фиолетовый

575-590

Желтый

Синий

590-625

Оранжевый

Зелено-синий

625-750

Красный

Сине-зеленый

Таким образом, первой характеристикой растворов веществ является их цвет, который связан с длиной волны поглощенной части светового потока. Длина волны поглощенного света для разных веществ отличается и зависит от их структуры. Это создает дополнительные возможности для их открытия.

Второй важной характеристикой растворов окрашенных веществ является количество поглощенного светового излучения, которое зависит от количества вещества в растворе. Если, например, каждая молекула вещества поглощает квант света, то количество поглощенных квантов зависит от количества молекул.

 

2. Основной закон фотометрии.

Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход из основного, невозбужденного уровня на один из более высоких уровней, чаще всего, на первый возбужденный. Вследствие поглощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения уменьшается и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества.

Закон Бугера-Ламберта-Бера связывает уменьшение интенсивности света, который прошел через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя.

Чтобы учесть потери света на отражение и рассеивание, сравнивают интенсивности света, который прошел через исследуемый раствор и через растворитель.

При одинаковой толщине слоя в кюветах из одинакового материала, в которых будет находиться один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеивание света в обоих случаях будут приблизительно одинаковыми, и уменьшение интенсивности света будет зависеть только от концентрации вещества.

Уменьшение интенсивности света, который прошел через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания или просто пропусканием (трансмиссия) Т:

где І и І0 – интенсивности света, который прошел через раствор и растворитель соответственно.

Взятый с обратным знаком десятичный логарифм Т называется оптической плотностью А (Д):

Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

І = І0 × 10-e,

І0 = 10-e

или –lgТ = A = elC,

где e - молярный коэффициент поглощения;

l – толщина светопоглощающего слоя;

С – концентрация раствора.

Оптическая плотность раствора при одинаковых условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя.

Физический смысл e становится понятным, если принять l = 1 см и С = 1 моль/л, тогда  А = e. Так, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.

Молярный коэффициент поглощения еще называют молярным поглощением или экстинцией (e).

Если выразить концентрацию раствора в процентах, то поглощение 1% раствора с толщиной слоя 1 см называют удельным поглощением или удельным показателем поглощения Е1%.

Оптическая плотность раствора, который содержит несколько окрашенных веществ, владеет свойством аддитивности, которое иногда называют законом аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света каким-нибудь веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ любое из них будет давать свою аддитивную составную в экспериментально определяемую оптическую плотность А:

А = А1 + А2 +…+Аk,

где А1, А2, … Аk – оптическая плотность вещества 1, 2, …k...

Учитывая, что A = e×lC, получаем

A = l(e1c1 + e2c2 + …ekсk).

Молярный коэффициент поглощения не зависит от концентрации вещества при прохождении света данной длины волны. Величины молярного коэффициента поглощения различны для растворов разных соединений и могут колебаться в широких пределах: от единицы до сотни тысяч. Поэтому молярный коэффициент поглощения является мерой чувствительности колориметрических реакций. Чем больше величина молярного коэффициента поглощения, тем выше чувствительность колориметрического определения.

Например, молярный коэффициент поглощения растворов аммиаката меди равен 500, а дитизоната меди – 50000. При каких концентрациях меди реакциями с аммиаком и дитизоном можно получить одинаковые оптические плотности?

Оптическая плотность раствора аммиаката меди A = 500 × c1× l;

а раствора дитизоната меди: A = 50000 × c2× l.

Так, как по условию оптические плотности равны, то

500c1l = 50000c2l  Þ 500 c1 = 5000c2  Þ  c1 = 100c2

То есть, для получения одинаковой оптической плотности в случае применения дитизона концентрация меди должна быть в 100 раз меньше, чем в случае использования аммиака. Иначе говоря, определение меди дитизоном является в 100 раз чувствительнее от определения меди аммиаком.

Молярный коэффициент можно рассчитать по результатам измерения оптической плотности раствора данной концентрации:

Приведем примеры значений молярных коэффициентов отдельных окрашенных веществ.

Растворенное вещество

e

Роданид железа

103

Комплекс Ti с H2O2

103

Комплекс Ti с хромотроповой кислотой

105

Комплекс Cu с аммиаком

5 ×102

Комплекс Cu с дитизоном

5 ×104

Комплекс Al с алюминоном

1,7 ×104

Комплекс Al из стильбазо

3,5 ×104

 В соответствии с основным законом светопоглощения

A = elC

Зависимость оптической плотности от концентрации графически выражается прямой линией, которая выходит из начала координат. Опыт показывает, что линейная зависимость наблюдается не всегда. При практическом применении необходимо учитывать следующие причины возможного отклонения от основного закона:

1.     Закон справедливый только для монохроматического света. Чтобы отметить это, в уравнение вводят индекс l:

A = el×l×C.

Этот индекс l показывает, что величины А и l относятся к монохроматическому излучению с длиной l.

Если свет немонохроматический, возможны отклонения от основного закона.

2.     Пучок света должен быть параллельным.

3.     Температура при излучениях должна оставаться постоянной хотя бы в границах нескольких градусов.

4.     Коэффициент e в уравнении зависит от показателя преломления среды. Если концентрация раствора сравнительно небольшая, то его показатель преломления остается таким же, каким он был в чистом растворителе, и отклонений не наблюдается.

При высоких концентрациях растворах показатель преломления становится функцией от концентрации раствора, что может обусловить отклонение от основного закона светопоглощения.

5. Еще одной причиной отклонения может быть непропорциональность силы тока            фотоэлемента и интенсивности светового потока

Кроме указанных физических причин отклонения от основного закона существуют химические причины:

Уравнение основного закона справедливо только для систем, в которых светопоглощающими центрами являются частички только одного сорта. Если при изменении концентрации будет изменяться природа этих частичек вследствие, например, кислотно-основного взаимодействия, полимеризации, диссоциации и т.д., то зависимость A = f(C) не будет линейной, так как молярный коэффициент поглощения новообразовавшихся и исходных частичек в общем случае не будет одинаковым.

Например, при разбавлении раствора K2Cr2O7 проходит не просто уменьшение концентрации иона Cr2O72-, а протекают химические процессы:

Cr2O72- + H2O Û 2HCrО4- Û 2CrО42- + 2H+.

 

 

Так, вместо дихромат-ионов в растворе образуются гидрохромат – хромат-ионы. Так как,  и  разные, то зависимость оптической плотности от общей концентрации хрома в растворе не будет линейной.

Таким образом, химическими причинами отклонения от закона будут:

1) разбавление раствора (чем больше избыток реагента, тем меньше отклонение от закона);

2) рН среды: состояние иона металла, устойчивость комплексного иона

Cu2+ + 2NH3  ® Cu(NH3)2+

рН кислое: NH3 + H+ ® NH4+ ; рН щелочное Cu2+ + OH- ® Cu(OH)+

оптимальное значение рН находят экспериментально

3) конкурирующие реакции на лиганд

4) конкурирующие реакции на комплексообразователь

Fe3+ + 6SCN- ® Fe(SCN)63-

Конкурирующая реакция: Fe3+ + 6F- ® FeF63-

5) реакции полимеризации, диссоциации

6) прохождение ox-red реакций:

Mn2+ + 4H2O + 5e = MnO4- + 8H+ катализатор (NH4)2S2O8

 

3. Электронные спектры поглощения и их происхождение.

Интерпретация электронных спектров может быть сделана на основе квантово-механических представлений, например, метода молекулярных орбиталей.

В соответствии с основными положениями этого метода электроны в молекуле могут находиться на связывающих, несвязывающих и разрыхляющих орбиталях. Схема относительного размещения энергетических уровней, которые отвечают разным МО, показанная на рис. Разные электронные переходы требуют неодинаковой энергии, поэтому полосы поглощения размещаются при разных длинах волн.

Наибольшей энергии требует s ® s* переход, связанный с возбуждением внутренних электронов. Он отвечает поглощению в далекой УФ-области [l £ 200 нм, Е ³ 600 кДж/моль]. Такие переходы характерные для метана, этана и других насыщенных углеводородов. Переход n ® s* связан уже с меньшими затратами энергии. Полосы, вызванные этим переходом, размещены в обычном (невакуумном) ультрафиолете (l = 200…300 нм). Еще меньше энергия требуется для перехода на разрыхляющих p*-орбиталей. Переходы n ® p* и p ® p* встречаются в молекулах соединений с сопряженными связями и молекулах ароматических соединений. Этим же переходом (n ® p*) можно объяснить, например, интенсивную окраску ионов MnО42–, CrО42– (переход с несвязывающей орбитали кислорода). Теоретический расчет энергии разных МО громоздкий и связан с большой трудностью, поэтому существенное значение имеют разные эмпирические закономерности, которые связывают спектр поглощения со строением и свойствами молекул вещества.

Так, свет поглощается раствором выборочно (селективно): при некоторых длинах волн светопоглощение происходит интенсивно, а при некоторых свет не поглощается. Интенсивно поглощаются кванты света, энергия которых hn равна энергии возбуждения частички и вероятность их поглощения больше нуля. Молярный коэффициент поглощения при этих частотах (или длинах волн) достигает больших значений.

Распределение по частотам (или длинах волн) значений молярного коэффициента поглощения называется спектром поглощения.

Обычно спектр поглощения изображают в виде графической зависимости оптической плотности А или молекулярного коэффициента поглощения e от частоты n или длины волны l падающего света. Вместо А или e нередко откладывают их логарифмы.

Кривые в координатах lg A - l показаны. При изменении концентрации или толщины слоя перемещаются по оси ординат вверх или вниз параллельно самим себе, тогда как кривые в координатах A - l, этим свойством не владеют.

Таким образом, при изучении спектров наиболее существенное значение имеют следующие характеристики спектров:

       число максимумов или полос поглощения

       положение полос поглощения по шкале длин волн (или частот);

       форма полос поглощения.

Введение в молекулу разных заместителей или изменение внешних условий, например, растворителя, обычно вызывает сдвиг полос поглощения. Если полоса поглощения смещается в сторону более длинных волн, то говорят, что проходит батохромный сдвиг или углубление окраски (красное смещение). Если полоса смещается в сторону более коротких волн, эффект называют гипсохромным сдвигом или повышением окраски (голубой или синий сдвиг).

 

 

 

 

 

Интенсивность полос поглощения.

Наибольшей интенсивностью в спектрах поглощения владеют полосы, которые обусловлены переносом заряда от одного атома ко второму (полосы переноса заряда). Часто эти полосы связаны с переносом электрона с р-орбиталей лиганда на d-орбиталь центрального иона и наоборот. Более правильно говорить о переносе электрона между молекулярными орбиталями, локализованными возле разных атомов. Интенсивнее полосы в спектре, которые возникают вследствие таких переходов, для которых e > 104. К ним принадлежат p ® p* и n ® p* -переходы. Именно переносом заряда объясняют, например, интенсивную окраску ионов MnО42–, CrО42–, окраску тиоцианатных комплексов Fe(III), Co(II), Mo(VI), сульфосалицилатных комплексов железа, фенанатролиновых и других комплексов.

Значительно менее интенсивные полосы, связанные с внутриатомными d-d или f-f переходами. Эти переходы являются запрещенными по энергии, и они дают полосы с молярным коэффициентом поглощения от 1 до величины < 100. Снятие запрета с d-d – переходов в комплексах часто происходит из-за частичной гибридизации d и р – орбиталей и переход электронов уже происходит из смешанных d- и р- орбиталей на d- орбитали, которые не являются запрещенными.

Спектры окрашенных соединений в растворе обычно характеризуются достаточно широкими полосами поглощения. Расширение полос связано с сильным влиянием молекул растворителя на энергетические уровни электронов, которые отвечают за светопоглощение, и наложение колебательных переходов на электронный переход. Почти всегда такие широкие полосы наблюдаются в спектрах переноса заряда.

Ионы лантаноидов имеют узкие полосы поглощения, так как их внутренние 4f – электроны, отвечающие за светопоглощение, находятся под экраном 5s- и 5р – электронов.

Конечно, чем выше молярный коэффициент поглощения и меньше ширина полосы, тем более ценными химико-аналитическими свойствами владеет соединение. Эти характеристики определяют:

-                     границу определения (Е);

-                     селективность (ширина полосы).

 

4. Оптические условия фотометрического определения.

При всем разнообразии схем и конструктивных особенностей приборов абсорбционной спектроскопии, в любом из них есть несколько главных узлов, функций которых приблизительно одинаковы в разных приборах. Такими узлами являются:

-                     источник света;

-                     монохроматизатор света;

-                     кювета с исследуемым раствором;

-                     приемник света.

Главным источником света в абсорбционной спектроскопии является:

-                     вольфрамовые лампы накала;

-                     ртутная и водородная газонаполненные лампы;

-                     штифт Нернста;

-                     глобар.

В лампе накала  светящаяся вольфрамовая спираль дает свет в широком спектральном интервале. Однако стекло пропускает свет лишь в интервале длин волн 350…...1000 нм, то есть в видимой части спектра и самых ближних УФ и видимой области. В водородной лампе происходит свечение Н2 при разряде. Условия возбуждения выбирают так, что возникает практически сплошное излучение в области 200 – 400 нм. В ртутной лампе излучают линейчатый спектр, в котором доминируют излучения с l = 254, 302, 334 нм.

Штифт Нернста – столбик, спрессованный из оксидов РЗЭ. При разжаривании путем пропускания электрического тока дает ИК – излучение 1.6....5.6....6.0 мкм.

Глобар-штифт сделан из карборунда SiС, дает излучение в интервале 2...16 мкм тоже при пропускании электрического тока.

Монохроматизаторы или монохроматоры – устройства для получения света с заданной длиной волны.

 Наиболее распространенные в практике абсорбционной спектроскопии:

-                     светофильтры (абсорбционные, интерференционные, интерференционно-поляризационные).

-                     призмы (стеклянные, кварцевые).

Приемники света. В качестве рецепторов света в приборах абсорбционной спектроскопии применяют:

-                     фотоэлементы;

-                     фотоумножители.

Приемники света характеризуются спектральной чувствительностью-способностью воспринимать излучение разных длин волн; интегральной чувствительностью, которая измеряется при действии на рецептор неразложенного в спектр излучения.

Светофильтры для фотометрирования, как правило, стараются выбрать так, чтобы спектральная область максимального поглощения окрашенного раствора и область максимального пропускания света светофильтром была одной и той же, то есть максимум поглощения раствора должен отвечать максимуму пропускания (минимума поглощение) светофильтра.

 

 

 

 

 

На практике светофильтр подбирают экспериментально: светофильтр при котором абсолютное значение или разность оптических плотностей DА двух стандартных растворов с концентрациями С1 и С2 получается максимальной, является наиболее удачным для фотометрирования данной окраски раствора.

Важное влияние на успешное фотометрирование имеют разные химические факторы, связанные с полнотой и условиями протекания фотометрической реакции, концентрацией окрашенных и других реактивов, их устойчивостью. В зависимости от свойств анализируемой системы выбирают те или другие условия анализа.

1.     Выбор длины волны (на так светопоглощения). Если есть несколько полос, то на наиболее интенсивной. Плоские максимумы имеют преимущество, поскольку незначительное отклонение от длины волны несущественно влияет на оптическую плотность. Чувствительность приемника света должна быть максимальной. Выбор светофильтра.

2.     Светопропускание (оптическая плотность). Измерительное устройство фотометра обычно дает постоянную ошибку DТ в величине коэффициента пропускания Т во всем интервале его значений. Методом математического анализа найдено, что минимальная ошибка измерения будет наблюдаться при А = 0,435. Более строгое рассмотрение дает значение »0,6....0,7. Расчеты и опыт показывают, что фотометрированибкой растворов с 2.0<А<0.03 характеризуется большой ошибкой и его нельзя проводить.

3.     Толщина светопоглощающего слоя. Уравнение закона Бугера-Ламберта-Бера показывает, что чем больше толщина слоя, тем чувствительнее будет определение при других одинаковых условиях А = e l С, если l = больше, то С = меньше. Однако с увеличением толщины слоя увеличиваются потери на рассеивание света, особенно при работе с растворами. l > 5 не применяется.

4.     Фотометрические реакции. Химические реакции, которые применяют в фотометрии для получения окрашенных соединений, должны отвечать ряду требований:

а) При реакции должен образовываться окрашенный продукт. Этого достигают, применяя комплексовобразованием, введение хромофорных групп, увеличивая число сопряженных p-связей, и другими способами.

б) Продукт фотометрической реакции должен иметь постоянный состав. Для стабилизации состава, например, комплексных соединений подбирают условия среды, избыток реагента, оптимальное время проведения реакции.

в) Продукт фотометрической реакции должен иметь высокую интенсивность окраски. Для фотометрических определений применяют реакции, которые дают продукты с e > 500 – 10000. Тогда лишь обеспечивается высокая чувствительность реакции.

г) Все фотометрические измерения проводят в абсолютно одинаковых условиях, добавляя необходимые реактивы, как в анализируемый раствор, так и в раствор сравнения, выравнивая рН, t°, Vрастворов.

д) Фотометрическая реакция должна быть избирательной и проходить по возможности, только с определяемым компонентом.

Применяемые реакции:

-                     образование азосоединений;

-                     образование хинониминовых соединений;

-                     образование полиметиновых соединений;

-                     образование за счет реакций конденсации;

-                     образование окрашенных продуктов в результате ох – red;

-                     реакции комплексообразования;

-                     применение реакций образования ионных ассоциатов в процессе экстракции.

В уравнение основного закона светопоглощения входит концентрация окрашенного (светопоглощающего) соединения, поэтому преобразование определяемого компонента в такое соединение является одной из важнейших операций, которая в значительной мере определяет точность анализа. Окрашенные соединения, главным образом, получают реакциями ox-red и комплексообразования. Ох-red реакции, например окисление до MnО4, проходит практически до конца.

Значительно более сложным является вопрос о протекании в растворе реакций комплексообразования. На них влияют:

       ступенчатое комплексообразование;

       протолитические равновесия;

       маленькая устойчивость образующегося комплекса;

       собственная окраска реагента.

Действие большинства этих факторов можно предусмотреть, если равновесия в системе достаточно полно изучены и константы соответствующих равновесий известны. Используя их можно рассчитать:

       рН

       Сa

при которых будет достигнута необходимая полнота реакции, будет смещено влияние посторонних элементов и ионов.

Особое внимание следует предоставить постоянству рН во всех исследуемых растворах.

Для выяснения оптимальных условий фотометрического определения каждая система требует специального физико-химического исследования для установления состава соединений, которые образуются, определение констант равновесия и т.д.

Отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера –

Отклонение от линейности А = e×l×c.

Причины: - химические (особенности комплексообразования)

- физические (условия измерение интенсивности окраски, l).

Чувствительность и точность метода.

Минимальную концентрацию, которую можно измерять фотометрическим методом рассчитывают:

Cmin = Amin / (el)

Если А = 0,01, l = 1 см, e = 103, то

Эта концентрация может быть значительно выше, так как может быть e > 1000.

Точность фотометрических методов зависит от индивидуальных особенностей фотометрической реакции, характеристик применяемого прибора и ряда других факторов и изменяется в достаточно широких границах. Обычная ошибка фотометрических методов составляет около 1...2 % (относительных).

 

5. Основные приемы количественного анализа

1.     Метод градуировочного графика. A = ¦(C).

2.     Метод молярного коэффициента светопоглощения.

Cx = Ax/(el) 

Ограничение: обязательная линейность.  и т.д.

3.     Метод добавок.

Применяется при анализе сложных растворов.

Многоволновая спектрофотометрия.

Оптическая плотность любой системы, содержащей ограниченное число окрашенных компонентов, которые химически один со вторым не взаимодействуют, равновесие сумме оптических плотностей компонентов смеси при этой же длине волны:

причем любая из “парциальных” оптических плотностей равна:

где - молярный коэффициент светопоглощения вещества і при длине волны l;

l – толщина светопоглощающего слоя, см;

Сі -концентрация поглощающего вещества, моль/л.

Если система содержит n окрашенных веществ, то проводят n независимых измерений оптической плотности при n разных длинах волн l1, l2, …ln... В результате получают систему линейных уравнений:

Значения  определяют в процессе анализа, значения  находят предварительно, а толщина слоя l постоянная и равна длине кюветы.

В многокомпонентном спектрофотометрическом анализе, как и конечно, измерение оптических плотностей следует проводить относительно раствора сравнения, содержащего все использованные реагенты. Это делается для уменьшения систематических ошибок, обусловленных наличием примесей в самих реагентах.

 

Спектрофотометрический анализ двохкомпонентных систем.

Наиболее часто приходится иметь анализ двохкомпонентных ситем. При этом возможны варианты анализа.

1.     Кривые  светопоглощения обоих веществ перекрываются по всему спектру, но есть разделенные максимумы поглощения.

 

На рис. представлены кривые поглощения 1 и 2 для растворов двух чистых веществ с концентрациями С1 и С2. Максимумы проглощения соответствуют длинам волн l1 и l2. Если в этих же условиях приготовить раствор смеси этих веществ, то он даст кривую светопоглощения 3. При каждой длине волны l любая точка кривой 3 определяется суммой оптических плотностей первого и второго вещества. Суммарная отическая плотность при длинах волн l1 и l2:

Значение молярных коэффициентов светопоглощения либо берут из таблиц, либо (чаще) определяют экспериментально следующим образом. Готовят стандартный раствор чистого вещества (1) и отдельно стандартный раствор чистого вещества (2) с известной концентрацией. Измеряют оптические плотности обоих растворов при двух длинах волн соответственно l1 и l2. Получают оптические плотности

,                                         ;

,                                        ;

,                                          ;

 ,                                          .

где,  - молярные коэффициенты поглощения вещества 1 и 2 при l1 и l2 соответственно;

С1 и С2 – концентрации веществ 1 и 2;

l – толщина слоя.

За полученными значениями А и С, l можно рассчитать и рассчитывают значение молярных коэффициентов поглощения. Подставляют эти значения в уравнения суммарных оптических плотностей:

При толщине слоя l = 1 см будем иметь:

Решение этой системы дает

           

Чтобы относительная ошибка DС/С была меньше, значение должны лежать в интервале 0,3-1,  а отношения  должны быть максимальными.

2.     Кривые светопоглощения обоих веществ перекрываются, но есть участок спектра, где светопоглощением одного из веществ можно пренебречь. (рис.)

В данном случае при длине волны l1 по измеренной оптической плотности А обычным способом рассчитывают концентрацию первого вещества:

Концентрацию второго вещества находят, зная С1

3.     В спектре поглощения раствора есть участки, в одной из которых поглощает только первое вещество, а во второй – только второе.

В таких наиболее благоприятных условиях для анализа определения проводят независимо для каждого компонента по уравнению:

 (при длине волны l1);

 (при длине волны l2).

Для фотометрического определения смеси веществ описанным выше способом необходимо применение спектрофотометра, хотя в отдельных случаях можно пользоваться фотометрами, которые оборудованы светофильтрами с узкими полосами пропускания.

В практическом отношении наибольший интерес представляет второй случай анализа двохкомпонентных систем, то есть тот случай, когда удобно найти такой участок спектра, в котором поглощением одного из компонентов можно пренебречь. В таких случаях наиболее удобным для аналитических лабораторий является метод градуировочных кривых.

Суть метода станет понятной при рассмотрении примера определение калия перманганата и калия бихромата при совместном присутствии в кислом растворе. Кривые поглощения раствора каждого из этих веществ, получены с помощью спектрофотометра и представлены на рис.

При длине волны l1 = 570 нм раствор калия бихромата не поглощает. Поэтому хотя при этом и происходит некоторая потеря чувствительности, определение KМnO4 в присутствии K2Cr2O7 лучше вести при этой длине волны. Определение калия бихромата лучше проводить при l2 = 380 нм, так как при этой длине волны наименьшим является влияние поглощения калия перманганата.

При анализе смеси KМnO4 и K2Cr2O7 измеряют оптическую плотность при 570 нм и по графику 1 находят содержание KМnO4. Потом по графику 2 находят оптическую плотность раствора KМnO4 при l2 = 380 нм с найденной концентрацией ТKМnO4.

Дальше измеряют оптическую плотность смеси KМnO4 и K2Cr2O7 при 380 нм. Рассчитывают разность

 .

Зная поглощение или оптическую плотность лишь раствора K2Cr2O7 рассчитывают по графику 3 содержание K2Cr2O7 в исследуемой смеси.

Метод градуировочного графика дает хорошие результаты не только при использовании спектрофотометров, но и колориметров с узкополосными светофильтрами.

 

Экстракционно-фотометрический анализ.

Экстракционно-фотометрический анализ базируется на соединении экстракции определяемого вещества и последующего его фотометрического определения. Этот метод применяется:

1.     При анализе сложных смесей;

2.     Когда необходимо определить маленькие количества одних веществ в присутствии больших количеств других;

3.     При определении примесей в присутствии основных компонентов;

4.     Когда непосредствено определение исследуемого элемента в смеси есть невозможным (полное перекрывание кривых поглощения).

При экстракции маленьких количеств примесей происходит не только их выделение, но и концентрирование. Поэтому экстракционно-фотометрический метод приобретает особо важное значение в связи с определением маленьких количеств примесей в веществах высокой степени чистоты, которые широко применяются в атомной и полупроводниковой технике.

Экстракционно-фотометрические методы анализа являются высокочувствитель-ными методами.

Наиболее часто применяется экстракция разнолигандных комплексов, они применяются для определения не только ионов металлов-комплексообразователей, но и анионов-реагентов (лигандов). Разнообразие при образовании смешанных комплексов, которые экстрагируются, значительно расширяет возможности в повышении чувствительности и селективности экстракционно-фотометрических методов анализа.

Молекулы многих используемых в аналитической практике органических аналитических реагентов имеют в своем составе свободные сульфогруппы, вследствие чего и сами реагенты и образованные ними хелаты растворимы в воде. Такие реагенты (например, ализарин С, арсеназо, торон и др.) образуют в водных растворах анионные комплексы. Анионные комплексы с ионами металлов экстрагируются в виде ионных ассоциатов с большими органическими катионами, которыми могут быть катионы тетрафениларсония, дифенилгуанидиния, бензилтиурония и др. Анионные комплексы часто бывают координационно ненасыщенными, поэтому они лучше экстрагируются координационно-активными растворителями (спиртами), особенно в присутствии анионных добавок (CCl3COO, ClО4- и др.), которые оказывают содействие координационной насыщенности. По такому типу экстрагируют UIV,VI, ThIV, РЗЭ и др. элементы.

Много ионов тежелых металлов способны образовывать анионные ацидокомплексы MXn- (где X – электроотрицательный лиганд SCN, Cl, Br, I и др.). Поскольку такие комплексы практически бесцветны, то их экстракцию для последующего фотометрического определения выполняют в присутствии крупных катионов основных красителей, таких как метиловый фиолетовый, кристаллический фиолетовый, малахитовый зеленый, родамины, метиленовый голубой, сафранины, тиазины и др.

Некоторые органические реагенты, такие как, о-фенантролин, дипиридил и др., способны связывать ионы металлов в катионные хелаты. С крупными гидрофобными анионами эти катионные комплексы образуют ионные пары, склонные экстрагироваться. Таким анионами могут быть анионы арилсульфокислот (например, 2–нафталинсульфокислота), тетрафенилбората и кислотных красителей (например, метиловый оранжевый) и др. В случае образования координационно-насыщенных комплексов используются координационно-активные растворители, или экстракцию проводят в присутствии хлоридов, бромидов, перхлоратов и других анионов, которые компенсируют избыточные заряды в частичке катионного комплекса.

По такому типу экстрагируют AuIII, BiIII, FeIII, SbV и прочие.

Возможные два типа цветных экстракционных реакций:

1.     Реакции с образованием ассоциатов, которые состоят из ион металла, который владеет хромофорным действием (СrIII, CoIII, CuII и др.), реагента (о-фенантролин, пиридин, хинолин) с анионными добавками (SCN-, Cl-, Br-, ClО4-);

2.     Реакции с образованием ассоциатов, которые состоят из иона-металла с недостаточным хромофорным действием (AgI, CdII и т.д.), окрашенного реагента (эозин, метиловый оранжевый) и аниона реагента (тиурам, пиридин и т.д.).

В фарманализе экстракционно-фотометрический метод применяется для:

1.     Определения примесей в субстанциях и лекарственных средствах на их основе (салициловая кислота в ацетилсалициловой кислоте);

2.     Определения биологически-активных веществ в препаратах растительного происхождения (сердечные гликозиды, алкалоиды).

 

Дифференциальная спектрофотометрия.

Колориметрическое и спектрофотометрическое определение обычно дает хорошие результаты при определении маленьких концентраций окрашенных веществ в растворе. Часто при анализе приходится применять фотометрию при высоком содержании исследуемых веществ. Обычно эти определения выполняют продолжительными во времени анализами весовыми или объемными методами, которые часто требуют предварительного отделения определяемого компонента от большинства сопутствующих элементов.

К применению более быстрых фотометрических определений есть одно препятствие: возрастание оптической плотности с увеличением концентрации окрашенного соединения. Как уже указывалось, измерение оптических плотностей больше 0,8 проводит к большим ошибкам, что в конечном варианте приводит к большим ошибкам в определении содержания веществ. Наиболее простым средством уменьшения величины оптической плотности является разведение раствора в необходимых границах. Однако при больших разведениях возникают ошибки, связанные с измерением объемов, которые сводят на нулю точность определения при фотометрировании. Более разбавленный раствор можно приготовить также взятием меньшей навески; точность в данном случае обусловлена только чувствительностью применяемых весов.

Дифференциальный метод применяют для:

-         повышения воспроизводимости результатов анализа при определении больших количеств вещества;

-         для устранения постороннего мешающего влияния других компонентов и исключения поглощения реактива.

Суть метода состоит в том, что: оптические плотности исследуемого и стандартного окрашенных растворов измеряются не по отношению к чистому растворителю с нулевым поглощением, а по отношению к окрашенному раствору определяемого элемента с концентрацией С0, близкой к концентрации исследуемого раствора.

Дифференциальный метод в зависимости от способов измерения относительной оптической плотности исследуемого раствора и расчета его концентрации может иметь несколько вариантов.

  Сх

 

 Н2О

 

Ссompari

 

   Сх

 
                                                                                            

 

 

   І0                  Іх                   Іcomparis         Іх      

 


Обычная                      дифференциальная

спектрофотометрия     спектрофотометрия

Отношение интенсивностей  называется условным коэффициентом пропускания.

Отношение Ісрав. к Іо характеризует пропускание раствора сравнение

Отношение Іх к Іо характеризует пропускание раствора пробы

Тогда относительный коэффициент пропускания

Или если записать для оптической плотности

Таким образом, прямая  не проходит через начало координат.

Пусть анализируемый раствор имеет оптическую плотность А = 4,0, который в обычной фотометрии измерять невозможно. Но и взяв в качестве растворителя раствор с Асрав.=3,0 получаем относительную оптическую плотность Ах относ. = Ах – Асрав. = 4,0-3,0 = 1,0, что уже возможно измерять с необходимой точностью.

Наиболее часто применяют вариант, в котором концентрация раствора сравнения меньше концентрации исследуемого раствора (Со < Сх).

 Вымеренная экспериментально относительная оптическая плотность А¢ представляет собой разность оптических плотностей фотометрованного раствора и раствора сравнения:

Ах относ. = Ах – Асрав. = ex – Co)×l

А¢ст относ. = Аст – Асрав. =  eст – Co)×l.

Концентрацию исследуемого раствора определяют либо с помощью: 1) градуировочного графика, либо 2) расчетным способом.

1) Для построения кривой в области возможных концентраций исследуемого раствора готовят серию стандартных растворов с концентрациями С1, С2, …Сi, …Сn (Cn>Ci…>C2>C1) и измеряют их оптические плотности по отношению к окрашенному раст-вору сравнения с концентрацией Ссрав.. По полученным данным строят градуировочную кривую, принимая за начало отсчета концентрацию раствора сравнение Со.

Измеряв относительную оптическую плотность исследуемого раствора А¢х по градуировачному графику находят неизвестную концентрацию Сх определяемого вещества.

2) При расчетном способе определения концентрации исследуемого раствора учитывают, что отношение значений относительных оптических плотностей исследуемого и стандартного растворов соответствует отношению разности между концентрациями этих растворов и раствора сравнения, то есть

или

Отношение разности концентраций стандартного раствора и раствора сравнения к относительной оптической плотности стандартного раствора (Ссто)/Аст. относ. (обратный угловой коэффициент градуировочного графика) называют фактором перерасчета F. В одной серии измерений для определенного интервала концентраций исследуемого раствора F остается постоянной величиной.

Преимущества дифференциальной спектрофотометрии:

1)        значительное расширение границ определяемых содержаний в высоких концентрациях;

2)        относительная ошибка 0,05-2 %, что значительно ниже, чем в обычной фотометрии (повышение точности).

Дифференциальный метод может применяться тогда, когда будет обеспечено прохождение через сильно окрашенный раствор достаточно мощного монохроматического луча света.

Наиболее точные – определения, которые проводятся на СФ, но во многих случаях для дифференциальной фотометрии могут быть использованы фотоэлектроколориметры.

 

Фотометрическое титрование.

Оптические методы могут служить не только для непосредственного определения концентрации вещества, но и для определения точки эквивалентности в процессе титрования при условии, что существует линейная зависимость между светопоглощением и концентрацией вещества в исследуемом растворе.

Аликвотную часть анализируемого раствора помещают в кювету, через которую проходит монохроматический луч света, который потом попадает на фотоэлемент, и приступают к титрованию. В процессе титрования отмечают значение оптической плотности.

На основе результатов титрования строят кривую спектрофотометрического титрования, откладывая по оси ординат значение оптической плотности А, а на оси абсцисс – объем раствора титранта (в мл).

Точку эквивалентности находят путем экстраполяции, используя такие участки кривой титрования, которые соответствуют избытку либо определяемого вещества, либо титранта. С этой целью в процессе титрования проводят измерения в моменты, достаточно отдаленные от точки эквивалентности, тогда когда реакция проходит еще количественно, и, проводя через соответствующие им точки прямые, графически находят точку эквивалентности. Если реакция проходит количественно, кривая титрования имеет вид двух прямых, которые пересекаются в точке эквивалентности.

Объем титранта, который пошел на титрования до т.э. можно рассчитать, решив систему уравнений:

(1) – уравнение прямого изменения оптической плотности от Vтитр. до т.э., а (2) – соответственно после т.э.

.

Этот метод расчета эквивалентного объема может применяться для всех случаев линейных титрований: амперометрического, кондуктометрического и др.

Метод СФ титрования имеет ряд преимуществ над визуальными методами:

1.     Высшая селективность и разрешает проводить последовательное определение нескольких компонентов пробы;

2.     Возможность титрования окрашенных растворов;

3.     Определение низких концентраций веществ (абсолютные количества веществ, определяемые этим методом, лежат в границах 1·10-1 – 1·10-8 г);

4.     Возможность использования реакций, которые не заканчиваются в т.э. (образование малоустойчивых комплексных соединений, нейтрализация слабых кислот и оснований и т.д.).

В методе СФ титрования применяют реакции:

-         кислотно-основные;

-         комплексообразования;

-         окислительно-восстановительные.

Кривые СФ титрования могут быть разной формы. Характер их зависит от того, какие компоненты реакции поглощают при выбранной длине волны.

В общем случае ход кривой титрования до и после т.э. зависит от значения De:

,

реакция                      А      +        В ®        АВ

                          опред. в-во      титр.        продукт

eАВ, eВ, eА – молярные коэффициенты светопоглощения продукта реакции, титранта и определяемого вещества соответственно.

В качестве примера рассмотрим некоторые, которые наиболее частое встречаются в случае СФ титрование.

1 – поглощает исходное вещество (А)  l = 350 нм

                                                                                 

Светопоглощение до т.э. определяется  

соотношением eА и eАВ, если образуется продукт, который имеет eАВ > eА, то кривая имеет

наклон вверх 6’; если ж образуется продукт, который имеет eАВ < eА, то кривая имеет наклон вниз 6.

При раздельном титровании смеси кривая будет иметь несколько изломов, число которых отвечает числу компонентов в смеси.

СФ титрование может применяться и тогда, когда титрант, определяемое вещество и продукт не поглощают свет. Тогда используют индикаторы. В их роли выступают вещества, которые сами не поглощают, а образуют соединения с определяемым веществом (АInd), титрантом (ВInd) или продуктом реакции (АВInd), которые поглощают свет.

Например, комплексонометрическое определение Fe3+.

Fe3+ + Salyc. + H+ = красное окрашивание  

(поглощается зеленое)

lmax поглощения = 525 нм

Fe3+Salyc. + Na2H2Y = FeY- + 2NaSalyc. + 2H+

      красн.                                                бесцветн.

В качестве индикаторов используют также вещества, которые в т.э. изменяют свою структуру (вследствие изменения рН, окислительно-восстановительного потенциала системы или концентрации ионов), что сопровождается резким изменением светопоглощения раствора. Например, при титровании по методу нейтрализации с кислотно-основным индикатором в т.э. содержание определенной формы индикатора резко увеличивается. При дальнейшем добавлении титранта светопоглощение не изменяется.

Разбавление анализируемого раствора в процессе титрования изменяет формы кривых титрования. Для уменьшения влияния разбавления на светопоглощение применяют концентрированные растворы титрантов. При титровании разбавленными растворами необходимо умножить результат каждого измерения на величину:

, где V0 – объем анализируемого раствора, мл; Vтитр. – объем добавленного титранта, мл.

Аиспр. = Аизмер.*