Тема: Фотометрический метод анализа. Теоретические основы метода.
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
Тема: Фотометрический метод анализа.
Теоретические основы метода.
Все вещества, поглощающие электромагнитное излучение, вещества поглощающие излучение видимого спектра характеризуются собственной окраской.
Фотометрический метод основан на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через вещество или его раствор. В зависимости от длинны волны, ширина полосы излучения и способы измерения интенсивности светового потока, различают следующие фотометрические методы:
1) Колориметрия – основан на визуальном сравнении интенсивности окраски анализируемого раствора и интенсивности окраски раствора того же вещества известной концентрации ( стандартный раствор). Субъективность визуальных восприятий световых оттенков или интенсивность окраски является недостатком.
2) Фотоэлектроколоримететрия – основан на измерении интенсивности света в видимой части спектра. Для монохромотизации света применяют светофильтры.
3) Спектрофотомерия – основан на применении монохроматического света как в видимой так и в ультрафиолетовыми инфра красной областях света. Для монохроматизации света применяют дифракционные решётки и призмы.
Оптическая плотность зависит от толщины светопоглощающего слоя, от концентрации растворённого светопоглощающего вещества.
Аналитические задачи решаемые фотометрическими методами :
1) Определения, основанные на собственном светопоглощении веществ ( определение кофеина в чае).
2) Определение связанные с образованием интенсивно окрашенных продуктов при добавлении бесцветного реактива к бесцветному раствору определяемого вещества ( определение белков, нитритов).
3) Определения основанные на измерении интенсивности окраски избытка окрашенного реактива ( определение сахаров по избытку дихромата калия).
Спектрофотометрия основана на тех же законах светопоглащения, что и фотоэлектроколорометрия.
Фотонефелометрический анализ и турбодиметрия .
Основаны на исследовании свойств мутных растворов. В них применяются одни и те же реакции различие состоит в том, что в 1 измеряют интенсивность света рассеянного твёрдыми частицами суспензий, а во 2 интенсивность света прошедшего через суспензию. При пропускании света через суспензию часть его лучей поглощается другая часть рассеивается . Интенсивность рассеянного света пропорциональна концентрации анализируемого раствора.
Основная погрешность – трудновоспроизводимый объём взвешенных частиц и изменения этой величины во времени. Для получения воспроизводимых результатов надо строго выполнять условия эксперимента как при приготовлении стандартных растворов так и непосредственно при количественных определениях, для стабилизации суспензий в анализируемый раствор вводят защитные колоиды крахмал, желатин.
Фотометрические методы анализа (стр. 2 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 |
Характерными полосами поглощения обладают соединения, содержащие хромофорные группы (см. раздел 1.3.2). Спектральные исследования в этой области часто дают полезную качественную информацию о наличии или отсутствии некоторых функциональных групп, таких как карбонил, ароматическое кольцо, нитрогруппа или сопряженная двойная связь. Следует иметь в виду, что идентификация надежна, если хромофоры в молекуле изолированы. В присутствии ауксохромов и цепей сопряжения идентификация затрудняется.
1.5.2. Количественный анализ методами фотометрии
В фотометрическом анализе количество вещества определяется по интенсивности окраски или светопоглощению окрашенных соединений. Раствор или предмет кажутся окрашенными, если он по-разному пропускает или поглощает видимый свет различных длин волн. В видимой области цвет раствора обусловлен длиной волны излучения, не поглощенного этим раствором. Например, раствор, поглощающий излучение в синей части спектра (»475 нм), окрашен в желтый цвет, т. е. синий цвет является дополнительным к окраске раствора. В таблице 1.3 приводятся такие данные для всей области видимого излучения.
Абсорбционная спектроскопия, особенно в видимой и УФ-областях – один из наиболее распространенных методов количественного анализа. Фотометрические методы используют для определения веществ с собственным поглощением (органические вещества с хромофорными группами,
переходные металлы), а также для определения непоглощающих веществ.
При определении неорганических компонентов для получения окрашенных соединений чаще всего используют реакции образования (иногда – разрушения) комплексных соединений; значительно реже применяются реакции окисления-восстановления. Для фотометрического определения
Таблица 1.3. Цвета видимого излучения
Область максимального поглощения, нм
органических компонентов чаще всего используют реакции синтеза окрашенных соединений. Такие реакции называют фотометрическими.
Основные требования к реакциям сводятся к следующему: избирательное действие реагента, высокая скорость реакции, большое значение константы равновесия, постоянство состава и устойчивость окрашенных соединений во время проведения анализа. Важное значение в связи с этим имеют рН среды, время реакции, концентрации реагентов, температура.
1.5.3. Основные этапы анализа в фотометрии
Прежде чем приступить к выполнению фотометрического определения необходимо выбрать условия анализа. Можно рекомендовать следующую схему.
– перевод анализируемого образца в раствор и отделение, в случае необходимости, мешающих компонентов;
– выбор фотометрической формы вещества и проведение химических реакций для получения окрашенного соединения (если определяемое вещество не обладает интенсивным собственным поглощением)
– установление области концентраций, в которой выполняется основной закон светопоглощения:
– измерение оптической плотности исследуемого раствора;
– расчет содержания вещества в анализируемой пробе и его метрологическая оценка.
1.5.4. Метрологические характеристики метода
Чувствительность характеризуется углом наклона градуировочного графика. Тангенс угла наклона равен молярному коэффициенту поглощения. Если принять минимальное значение оптической плотности, измеренное с необходимой точностью, Аmin = 0,01, можно рассчитать минимально определяемую концентрацию:
При величинах e » 105 чувствительность определения может составлять 10–7–10–6 М.
Воспроизводимость. Для получения воспроизводимых результатов необходимо учитывать погрешности при измерении оптической плотности. Измерительное устройство фотометрического прибора обычно имеет постоянную по всей шкале погрешность измерения в величине пропускания Т, погрешность измерения величины А не будет одинакова, так как А = – lgТ. Относительная погрешность определения концентрации DС/C имеет минимальное значение при Т = 0,37 или оптической плотности А = 0,435. Для измерения концентрации с погрешностью, не превышающей удвоенной минимальной, нужно проводить измерение А в интервале 0,1–1,0. Для снижения случайной погрешности измерения в области больших и малых значений А существуют специальные приемы, один из них – дифференциальный метод анализа.
Правильность. Систематические погрешности в фотометрии могут возникнуть в связи с отклонениями от закона Бера, в связи с немонохроматичностью светового потока и химическими взаимодействиями в измеряемой системе, а также при наличии примесей, которые поглощают свет в данной области спектра. Для снижения систематической ошибки существуют специальные приемы, как, например, приготовление раствора сравнения, содержащего все компоненты, кроме определяемого.
Точность фотометрических методов зависит от индивидуальных особенностей фотометрической реакции, характеристик применяемого прибора и других факторов. Обычная относительная погрешность фотометрических методов составляет 1–2%.
1.5.5. Анализ однокомпонентных систем фотометрическим методом
Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого соединений. Для анализа вещества этим способом готовят раствор исследуемого вещества и два-три стандартных раствора, затем измеряют оптические плотности этих растворов в одинаковых условиях (длина волны, толщина поглощающего слоя). Погрешность определения будет меньше, если оптические плотности исследуемого и стандартного растворов будут иметь близкие значения. Для этого вначале фотометрируют исследуемый раствор, а затем подбирают нужную концентрацию стандартного раствора. Согласно закону Бера, оптические плотности исследуемого и стандартного растворов равны:
Разделив уравнение (1.9) на (1.10) и учитывая, что оптические плотности измеряют в одних и тех же условиях (l = const, l = const) и в растворе одни и те же светопоглощающие частицы (el = const), получим:
Метод сравнения используется для единичных анализов и требует обязательного соблюдения закона Бера.
Метод молярного коэффициента поглощения. При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных растворов Аст, для каждого стандартного раствора рассчитывают молярный коэффициент поглощения:
и полученное значение e усредняют. Поскольку молярный коэффициент светопоглощения не зависит от толщины поглощающего слоя, измерения можно проводить в кюветах разной длины. Затем измеряют оптическую плотность исследуемого раствора Ах и рассчитывают концентрацию Сх:
Метод требует обязательного соблюдения закона Бера хотя бы в области исследуемых концентраций; используется довольно редко.
Метод градуировочного графика. В соответствии с законом Бугера – Ламберта – Бера график зависимости оптической плотности от концентрации должен быть линейным и проходить через начало координат.
Готовят серию стандартных растворов различной концентрации и измеряют оптическую плотность в одинаковых условиях. Для повышения точности определения число точек на графике должно быть не меньше трех-четырех. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора Ах и по графику находят соответствующее ей значение концентрации Сх (рис.1.7).
Интервал концентраций стандартных растворов подбирают таким образом, чтобы концентрация исследуемого раствора соответствовала примерно середине этого интервала.
Метод является наиболее распространенным в фотометрии. Основные ограничения метода связаны с трудоемким процессом приготовления эталонных растворов и необходимостью учитывать влияние посторонних компонентов в исследуемом растворе. Чаще всего метод применяется для проведения серийных анализов.
 |
Рис.1.7. Градуировочный график зависимости оптической
плотности от концентрации
Метод добавок. Этот метод применяют для анализа сложных растворов, так как он позволяет автоматически учитывать влияние посторонних компонентов анализируемого образца. Сначала измеряют оптическую плотность исследуемого раствора с неизвестной концентрацией
затем в анализируемый раствор добавляют известное количество стандартного раствора определяемого компонента (Сст) и измеряют оптическую плотность А х+ст:
Для повышения точности добавку стандартного раствора определяемого компонента делают дважды и полученный результат усредняют.
 |
Концентрацию анализируемого вещества в методе добавок можно найти графичеcким путем (рис.1.8).
Рис.1.8. Градуировочный график для определения
концентрации вещества по методу добавок
Уравнение (1.16) показывает, что если строить график Ах+ст как функции Сст, то получится прямая, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, равный –Сх. Действительно, при Ах+ст = 0 из уравнения (1.16) следует, что –Сст = Сх.
Метод дифференциальной фотометрии. В этом методе оптические плотности исследуемого и стандартных растворов измеряют не по отношению к растворителю или раствору сравнения с нулевым поглощением, а, в отличие от прямых спектрофотометрических методов, по отношению к раствору с известной концентрацией определяемого вещества Со.
В зависимости от способов измерения относительной оптической плотности различают несколько вариантов метода.
1.Метод высокого поглощения – концентрация раствора сравнения меньше концентрации исследуемого раствора (Со Сх). В этом случае применяют обратный порядок измерения: анализируемый и стандартные растворы условно принимают за растворы сравнения и по отношению к ним измеряют оптическую плотность изначального раствора сравнения. При обратном порядке измерения относительная оптическая плотность А¢ равна разности оптических плотностей исследуемого раствора (стандартного) и раствора сравнения:
Концентрацию Сх рассчитывают по формуле:
ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА АНАЛИЗА
(молекулярная адсорбционная спектроскопия)
Фотометрический метод анализа основан на поглощении видимого и ультрафиолетового света молекулами растворённого вещества.
Поглощение света обусловлено присутствием в этих молекулах хромофорных групп, т.е. группировок атомов с различными связями.
Вещества, поглощающие видимый свет окрашены.
I0 — интенсивность падающего на
раствор светового потока
— — — — — — — — — — — —
I0 I I — интенсивность прошедшего
через раствор света
Световой поток при прохождении через раствор ослабляется из-за поглощённого света: I0 > I
Аналитическим сигналом в фотометрии является оптическая плотность:
Чем сильнее поглощает раствор, (чем интенсивнее его окраска), тем больше величина оптической плотности.
Основное уравнение называется закон Бугера-Ламберта-Бера:
D- оптическая плотность при данной длине волны света;
Е – молярный коэффициент поглощения;
L – толщина поглощающего слоя;
Сх – молярная концентрация поглощающих свет веществ.
Условия, при которых соблюдается закон Б-Л-Б:
1. Свет должен быть монохроматическим, т.е. с одной определённой длиной волны.
Источник света даёт полихроматический свет, дающий различные длины волн. В приборах для анализа используют:
Спектрофотометр дает более точные результаты, но фотоэлектроколориметр более дешевый, массовый прибор.
3. В растворе должны отсутствовать другие вещества, поглощающие свет с данной длиной волны.
Выбор длины волны для фотометрии:
1. С помощью спектрофотометра записывают спектры поглощения определяемого вещества:
D
 |
l max l
Выбирают длину волны соответственно максимуму, при этом важно, чтобы при выбранной длине волны другие компоненты раствора давали минимальную оптическую плотность.
2. При данной работе на ФЭКе выбирают светофильтр, цвет которого дополнительный к цвету анализируемого раствора.
Например: K2CrO4 – синий светофильтр, т.к. хромат калия имеет жёлтую окраску — в нём поглощаются длины волн, соответствующий синему цвету: жёлтый + синий = белый.
3. При работе на ФЭКе измеряют оптическую плотность исследуемого раствора, с несколькими светофильтрами выбирают тот, с которым значение оптической плотности максимально.
Не все вещества способны поглощать видимый и ультрафиолетовый свет, т.о. перед измерениями проводят фотометрическую реакцию: определяемое вещество, с помощью подходящего реагента переводят в окрашенное соединение:
Например: Fe 3+ + 3SCN — = Fe(SCN)3
Св. жёлт. Красный
Св. гол. Ярко синий
Практическое применение фотометрии:
1. С использованием фотометрических реакций созданы методики фотометрического определения практически всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева и органических веществ.
Фотометрия — наиболее распространённый из инструментальных методов анализа.
Хроматография- группа методов разделения смеси, а также качественного и количественного анализа, основанных на распределении вещества между подвижной и неподвижной фазами.
При контакте с поверхностью неподвижной фазы компоненты смеси распределяются между подвижной и неподвижной фазами в соответствии с их свойствами (адсорбируемость, растворимость и др.). Вдоль хроматографической системы движутся только те молекулы, которые находятся в подвижной фазе.
Хроматографию впервые предложил в 1903 году русский ботаник М.С.Цвет.
Классификация хроматографических методов анализа:
1. По агрегатному состоянию подвижной фазы:
2. По агрегатному состоянию подвижной фазы:
Таким образом, возможны следующие сочетания:
ГЖХ (газожидкостная хроматография); ГТХ; ЖЖХ; ЖТХ;
3. По механизму распределения веществ:
3.1 Адсорбционная х-я. (когда неподвижной фазой является твёрдое вещество способное адсорбировать определяемое вещество)
3.2 Распределительная х-я. (если неподвижной фазой является жидкость и анализируемое вещество способно в ней растворяться, то оно распределяется между подвижной и неподвижной фазой);
3.3 Ионно-обменная х-я. (в основе лежит процесс ионного обмена);
3.4 Реакционная х-я. (идёт химическая реакция между компонентами смеси и неподвижной фазой).
3.5 Молекулярно-ситовая или гельпроникающая х-я. (разделение происходит по размерам молекул)
4. По способу размещения неподвижной фазы:
1.1 Колоночная (при этом неподвижная фаза помещается в трубку из стекла или металла, т.е. в колонку): набивные колонки, капиллярные колонки;
1.2 Плоскостная (неподвижная фаза наносится тонким слоем на стеклянную пластинку): тонкослойная (ТСХ), бумажная (неподвижной фазой удерживается на специально-обработанной хроматографической бумаге, которая служит носителем).
5. По способу проведения анализа:
1.1 Фронтальная (анализируемую смесь непрерывно вводят в хроматографическую колонку);
5.2 Вытеснительная (после введения пробы и предварительного разделения слабоактивным элюэнтом состав элюэнта меняется. Новый элюэнт вытесняет компоненты, которые выходят из колонки в порядке их взаимодействия с неподвижной фазой);
5.3 Элюэнтная (пробу вводят в поток подвижной фазы.) Состав подвижной фазы постоянен. В процессе движения по колонке компоненты смеси разделяются на зоны, которые поочерёдноно выходят из колонки).
Требования к неподвижной фазе:
1. Физически сорбировать вещество, находящееся в подвижной фазе.
2. Химически сорбировать вещество, находящееся в подвижной фазе.
3. Растворять разделяемые вещества.
4. Иметь пористую структуру и поэтому удерживать одни вещества и не удерживать другие, в зависимости от их размера и формы.
Различными хроматографическими методами с помощью современных приборов хроматографов анализируют смеси разной природы, в том числе органических и биологически-активных веществ.
Например, жидкостной хроматограф определяет аминокислотный состав белков.
Практически любую смесь, даже веществ с очень близкими свойствами, можно разделить при соответствующем выборе хроматографического метода.
http://pandia.ru/text/78/044/23162-2.php
http://megaobuchalka.ru/1/6287.html