Фотоколориметрия

Задача фотоколориметрии - определение содержания вещества в растворе. Фотоколориметрический метод основан на избирательном поглощении исследуемым веществом монохроматического света. Окраска исследуемого растворенного вещества может быть естественной или полученной при взаимодействии его со специфическими реактивами.

В фотоэлектроколориметрах в отличие от спектрофотометров монохроматический свет выделяют окрашенными светофильтрами в довольно широком участке спектра.

Изменение интенсивности светового потока при прохождении его через окрашенное вещество измеряют с помощью фотоэлементов. Каждое окрашенное вещество характеризуется своим спектром поглощения.

Содержание исследуемого вещества определяют непосредственно в испытуемом растворе или после предварительного отделения его от тех примесей, которые также могут образовывать окрашенные соединения с добавленным реактивом. Интенсивность окраски исследуемого раствора выражают соотношением между величинами падающего светового потока до и после прохождения его через этот раствор.

Законы, устанавливающие зависимость поглощения света веществом от количества поглощающих центров, открыты Бугером, Ламбертом и Беером.

Бугер установил, что при прочих равных условиях слои вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же часть дающего на них светового потока. При этом поглощение светового потока не зависит от абсолютной интенсивности падающего света. Зависимость между интенсивностью монохроматического светового потока после прохождения его через раствор и интенсивностью падающего монохроматического светового потока выражается убывающей показательной функцией

Ф=Ф0е-kl,

где Ф0 - интенсивность падающего монохроматического светового потока;

Ф - интенсивность монохроматического светового потока после прохождения его через раствор;

е - основание натуральных логарифмов;

l - толщина слоя;

k - коэффициент поглощения лучей, зависящий от природы вещества и длины волны светового потока.

При расчетах удобнее пользоваться десятичными логарифма. Для перехода логарифмов от натуральных к десятичным применяют формулу

Ф=Ф0. 10-kl,

где k - коэффициент погашения лучей (& = 2, 3026k').

При одной и той же длине волны светового потока коэффициенты поглощения и погашения зависят только от природы вещества. Коэффициент погашения равен обратной величине толщины слоя вещества, ослабляющего интенсивность проходящего через него светового потока в 10 раз, т. е. k =.

Беер установил, что между концентрацией растворенного окрашенного вещества и поглощающей способностью раствора имеется прямая пропорциональная зависимость

k=c,

где - постоянная величина, зависящая от природы растворенного вещества и длины волны светового потока, но не зависящая от его концентрации;

с - концентрация вещества в растворе.

Закон Бугера - Ламберта рассматривает изменения поглощения светового потока средой, пропускающей свет, при изменении толщины этой среды. Закон Беера устанавливает изменения поглощения светового потока одинаковой толщины при изменении концентрации вещества.

В отличие от закона Бугера - Ламберта закон Беера имеет много исключений, которые следует учитывать при фотоколориметрировании. В практике фотоколориметрии меняются не только концентрации, но и толщина слоя растворов. Объединяя приведенные уравнения, получим выражение основного закона фотоколориметрии Бугера - Ламберта - Беера для растворов

Выразив концентрацию растворенного вещества в грамм-молях на 1 л, а толщину слоя в сантиметрах, получим коэффициент молярного погашения (коэффициент ').

При постоянной длине волны 'поглощаемого светового потока и одной и той же температуре коэффициент молярного погашения - величина постоянная для каждого вещества. В зависимости от строения вещества коэффициент молярного погашения меняется в очень широких пределах: так, для хромата калия = 500, а для роданида железа = 100. Пользоваться уравнением сложно, так как величины концентрации и толщины слоя находятся в показателе степени. Для приведения его к виду, удобному для расчета, и выведения некоторых фотометрических величин его преобразовывают в следующее уравнение:

lg= cl.

пищевой продукт свойство доброкачественность

Левую часть этого уравнения, показывающую отношение интенсивности падающего светового потока к интенсивности светового потока, прошедшего через раствор, называют экстинкцией или погашением и обозначают Е:

Е=lg=cl.

Натуральный логарифм отношения интенсивности падающего светового потока к интенсивности прошедшего через раствор светового потока называют оптической плотностью или поглощением и обозначают D:

D=ln=kcl.

Из сопоставления последних двух уравнений следует, что между оптической плотностью и экстинкцией имеется соотношение

Е= 2, 3026D.

Экстинкция и оптическая плотность пропорциональны концентрации вещества в растворе. Отношение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потока называют прозрачностью (пропусканием) вещества и обозначают Т:

Т==.

Величина Т, отнесенная к толщине слоя 1 см, называется коэффициентом светопропускания, который показывает, какая часть световой энергии проходит через испытуемый раствор. Коэффициент пропускания меняется от 1 до 0 или от 100% до 0.

Практика показывает, что особенно часто нарушается основной закон фотоколориметрии при высоких концентрациях растворов. Причиной этого является взаимодействие молекул растворенного вещества друг с другом и с молекулами растворителя. Основной закон фотоколориметрии нарушается не только при исследовании концентрированных растворов. Причины, вызывающие подобные нарушения, разнообразны: влияние электролитов, диссоциация веществ, изменение рН и др.

У одних окрашенных соединений окраска возникает постепенно и через некоторое время как бы «созревает», у других - образовавшаяся максимально интенсивная окраска постепенно бледнеет. Поэтому перед фотоколориметрированием устанавливают интервал времени, в котором окраска достигает максимальной величины и устойчива и течение времени, достаточного для колориметрирования. Например, для определения по Гриссу нитритов в мясных продуктах рекомендуется проводить колориметрирование через 15 мин после внесения реактивов в испытуемую вытяжку.

Образование окрашенного соединения, его интенсивность зависят и от других факторов: количества и концентрации применяемых реактивов, порядка их внесения, нестойкости окраски и ее изменения во времени, вызванного изменением химического состава растворенного вещества, образования даже небольшого количества других веществ, имеющих собственную окраску и меняющих оттенок исследуемого раствора.

При проведении фотоэлектроколориметрии не требуются стандартные растворы для сравнения с исследуемым образцом. Достаточно приготовить одну серию растворов с известной и различной концентрацией определяемого вещества, установить зависимость силы фототока от концентрации стандартных растворов и построить график этой зависимости. Пользуясь графиком зависимости силы тока от концентрации, определяют концентрацию испытуемого раствора.