Фотометрические методы

Фотометрические методы количественного анализа основаны на избирательной способности различных веществ и их растворов поглощать световой поток. Этим методом в кондитерском произ­водстве определяют содержание редуцирующих веществ, общего

сахара, алкоголя, цветность патоки, ка­чество красителей, содержание некото­рых тяжелых металлов и др.

В зависимости от используемой ап­паратуры различают спектрофотомет-

рический метод — анализ по погло-ще нию Монохроматического света И фото- колориметрический — анализ по поглощению немонохроматического света.

При прохождении через слой (раствор) вещества светового по­тока с интенсивностью /о интенсивность вещества снижается вследствие поглощения в слое до значения /(рис. 2.16).

Количественная оценка поглощения света измеряется свето-пропусканием, светопоглощением и оптической плотностью.

Светопропускание (%)

(2.24)

где /—интенсивность светового потока, прошедшего через поглошающую среду, Дж; /о — интенсивность исходного светового потока, Дж.

Светопоглощение (%)

(2.25)

Оптическая плотность D, или экстинкция Е,

(2.26)

Светопропускание T связано с оптической плотностью D зави­симостью:

(2.27)

Светопоглощение зависит от толщины поглощающего слоя / и от концентрации поглощающего вещества с.

Зависимость оптической плотности от толщины поглощающего слоя l и от концентрации растворенного вещества с выражается законом Бугера — Ламберта — Бера:

где ε — молярный коэффициент светопоглощения, моль^-1 см^-1; с — концентра­ция растворенного вещества, моль/дм³ (г/дм³); / — толщина поглощающего слоя, cм.

Молярный коэффициент светопоглощения е — величина по­стоянная, которая зависит от длины волны падающего света, при­роды растворенного вещества и численно равна оптической плот­ности раствора с концентрацией 1 моль/1 дм³ при толщине погло­щающего слоя 1 см. Его значение сопровождается подстрочным индексом с указанием длины волны излучения, при которой он определен. Чувствительность- определения будет наибольшая, если выбирают длину волны излучения, при которой значения е максимальны. Зависимость значения оптической плотности, или молярного коэффициента светопоглощения, от длины волны изображают обычно в виде кривой на графике, которая называет­ся спектром поглощения (рис. 2.17).

Закон Бугера — Ламберта — Бера справедлив лишь в том слу­чае, если при изменении концентрации поглощающие свет части­цы не подвергаются диссоциации или другим изменениям хими­ческого состава, меняющим число центров, поглощающих свет (комплексообразование, гидролиз и др.).

Светопропускание Т, так же как и светопоглощение Л, в отли­чие от оптической плотности D зависит от концентрации не пря­молинейно, а логарифмически. В связи с этим в фотометрическом анализе сравнительно рздко свойства исследуемых растворов оце­нивают значениями светопропускания Т или поглощения А, а пользуются значениями оптической плотности D. Это значитель­но упрощает все расчеты, связанные с определением концентра­ции.

Для определения оптической плотности применяют фотоэлек-троколориметры и спектрофотометры.

Фотоколориметры — приборы для измерения величин погло­щения и пропускания фотоэлектрическим способом. Для огра­ничения длин волн светового пото­ка в этих приборах применяют стек­лянные фильтры, которые пропус­кают световой поток с широким ин­тервалом длин волн (20—50 нм). Чтобы получить излучение с более узкой шириной полосы, используют комбинированные или специаль­ные — интерференционные фильт­ры. В отличие от спектрофотомет-

(ров, в которых вместо фильтров ис-

пользуют монохроматоры, фотоко­лориметры обеспечивают меньшую точность определения результатов анализа.

Для проведения колориметричес- Рис.2.17. Спектр поглощения ра- анализа на фотоколориметре створа железосинеродистого выбирают такой светофильтр, калия чтобы

Рис. 2.18. Фотоэлектроколориметры:

а— КФК-2: 1—4 ручки; 5 — осветитель; 6—микроамперметр; 6— КФК-3: 1 — съемная крышка; 2, 4— рукоятки; 3 — металлическое основание; 5 — кожух

максимум поглощения раствора соответствовал максимуму про­пускания светофильтра.

Чаще всего применяют фотоэлектроколориметры марок КФК-2 (рис. 2.18, а) и КФК-3 (рис. 2.18, б), предназначенные для измерения поглощения в диапазоне длин волн 315—980 нм, выде­ляемых 11 светофильтрами, коэффициентов пропускания и опти­ческой плотности растворов. Спектральные характеристики све­тофильтров представлены ниже.

№ светофильтра 123 4 5 6789 10 11 Длина волны, соот- 315 364 400 440 490 540 590 670 750 870 980 ветствующая макси­муму светопропус-кания, нм

Принципиальная оптическая схема фотоколориметра пред­ставлена на рис. 2.19. Свет от малогабаритной лампы 1 проходит через систему линз, теплозащитный 2, нейтральный 3 и выбран­ный цветной 4 светофильтры, кювету 5 с раствором сравнения или исследуемым раствором, попадает на пластину б, которая делит световой поток на два: 90 % света направляется на фотоэлемент 7

Рис. 2.19. Принципиальная оптическая схема фотоколориметра

(при измерениях в области спектра 315—540 нм) и 10 % — на фо­тодиод 8 (при измерениях в области спектра 590—980 нм). Регист­рирующим прибором, снимающим показания с фотоэлемента и фотодиода, служит микроамперметр.

Наиболее точные результаты получаются при оптической плот­ности порядка 0,4. Если оптическая плотность больше 0,75, то бе­рут кювету с меньшей рабочей длиной, если оптическая плотность меньше 0,15, то используют кювету с большей рабочей длиной. При исследовании растворов различной концентрации кювету выбирают по раствору средней концентрации.

Спектрофотометр отличается от фотоколориметра тем, что в нем через раствор образца можно пропускать световой поток лю­бой нужной длины волны. Существует много различных типов спектрофотометров. Однолучевые спектрофотометры (СФ-16, СФ-26 и СФ-46) предназначены для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности растворов и твердых ве­ществ как в ультрафиолетовой (200—400 нм), так и в видимой (400—800 нм) и инфракрасной (800—1100 нм) областях спектра. Источниками излучения служат дейтериевая лампа (в области длин волн 186—350 нм) и лампа накаливания (320—1100 нм).

Принципиальная оптическая схема прибора представлена на рис. 2.20. Свет от источника / попадает на зеркальный конденсор 2, затем на плоское зеркало 3, которое отклоняет поток лучей на 90° и направляет его во входную щель 5, защищенную пластинкой 4. Прошедший через щель свет попадает на диспергирующую кварцевую призму 6, разлагающую его в спектр. Диспергирован­ный поток направляется на зеркальный объектив 7, который фо­кусирует лучи в выходную щель 8. Призма соединена с помощью специального механизма со шкалой длин волн. Поворачивая при­зму вращением соответствующей рукоятки на выходе монохрома-тора, получают монохроматический поток света заданной длины волны, который после прохождения щели 8, кварцевой линзы 9,

Рис. 2.20. Оптическая схема однолучевого спектрофотометра

светофильтра 10, поглощающего рассеянный свет, кюветы с ис­следуемым раствором или раствором сравнения 11, защитной пла­стины 12 попадает на фотоэлемент 13.

Двухлучевые спектрофотометры СФ-14 и СФ-18 предназначе­ны для измерения оптической плотности прозрачных и мутных сред и коэффициентов диффузного отражения твердых и порош­кообразных веществ в видимой области спектра.

Последовательность измерений приведена в инструкциях к приборам.