8. Колориметрия

Это физический метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов (более точно — по поглощению света растворами). Колориметрия — это метод количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры.

Колориметрия может быть использована для количественного определения всех тех веществ, которые дают окрашенные растворы, или могут дать окрашенное растворимое соединение с помощью химической реакции. Колориметрические методы основываются на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора, изучаемого в пропущенном свете, с окраской эталонного раствора, содержащего строго определенное количество этого же окрашенного вещества, или же с дистиллированной водой.

Любопытна история возникновения колориметрии и фотометрии. Ю. А. Золотов упоминает, что Роберт Бойль (так же, как и некоторые ученые до него) использовал экстракт дубильных орешков, чтобы различить железо и медь в растворе. Однако, по-видимому, именно Бойль впервые заметил, что чем больше железа содержится в растворе, тем более интенсивна окраска последнего. Это был первый шаг к колориметрии. А первым инструментом колориметрии стали колориметры типа колориметра Дюбоска (1870)^[1], которые использовались вплоть до недавнего времени^[2].

Более совершенные приборы — спектрофотометры — отличаются возможностью исследования оптической плотности в широком диапазоне длин волн видимого спектра, а также в ИК и УФ-диапазонах, с меньшей дискретностью длины волны (с использованием монохроматора).

Фотоколориметры и спектрофотометры измеряют величину пропускания света при определенной длине волны света. Контроль (обычно дистиллированная вода или исходный материал без добавления реагентов) используется для калибровки устройства.

Колориметрия широко применяется в аналитической химии, в том числе для гидрохимического анализа, в частности — для количественного анализа содержания биогенных веществ в природных водах^[3], для измерения pH^[4], в медицине, а также в промышленности при контроле качества продукции.

Фотоколориметрия — количественное определение концентрации вещества по поглощению света в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра. Поглощение света измеряют на фотоколориметрах или спектрофотометрах.

10 и 4. Абсорбционная спектроскопия

АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, изучает спектры поглощения электромагн. излучения атомами и молекулами в-ва в разл. агрегатных состояниях. Интенсивность светового потока при его прохождении через исследуемую среду уменьшается вследствие превращения энергии излучения в разл. формы внутр. энергии в-ва и (или) в энергию вторичного излучения. Поглощат. способность в-ва зависит гл. обр. от электронного строения атомов и молекул, а также от длины волны и поляризации падающего света, толщины слоя, концентрации в-ва, т-ры, наличия электрич. и магн. полей. Для измерения поглощат. способности используют спектрофотометры-оптич. приборы, состоящие из источника света, камеры для образцов, монохроматора (призма или дифракционная решетка) и детектора. Сигнал от детектора регистрируется в виде непрерывной кривой (спектра поглощения) или в виде таблиц, если спектрофотометр имеет встроенную ЭВМ. Применение абсорбционной спектроскопии основано на след. законах.

1. Закон Бугера-Ламберта: если среда однородна и слой в-ва перпендикулярен падающему параллельному световому потоку, то I = I₀ exp (— kd), где I₀ и I-интенсивности соотв. падающего и прошедшего через в-во света, d-толщина слоя, k-коэф. поглощения, к-рый не зависит от толщины поглощающего слоя и интенсивности падающего излучения. Для характеристики поглощат. способности широко используют коэф. экстинкции, или светопоглощения; k' = k/2,303 (в см^-1) и оптич. плотность А = lg I₀/I, а также величину пропускания Т= I/I₀. Отклонения от закона известны только для световых потоков чрезвычайно большой интенсивности (для лазерного излучения). Коэф. k зависит от длины волны падающего света, т.к. его величина определяется электронной конфигурацией молекул и атомов и вероятностями переходов между их электронными уровнями. Совокупность переходов создает спектр поглощения (абсорбции), характерный для данного в-ва.

2. Закон Бера: каждая молекула или атом независимо от относит. расположения др. молекул или атомов поглощает одну и ту же долю энергии излучения, т.е. , где с-концентрация в-ва. Если с выражена в моль/л,наз. молярным коэф. поглощения. Отклонения от этого закона свидетельствуют об образовании димеров, полимеров, ассоциатов, о хим. взаимодействии поглощающих частиц.

3. Объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера:

Вид спектра поглощения определяется как природой образующих его атомов и молекул, так и агрегатным состоянием в-ва. Спектр разреженных атомарных газов - ряд узких дискретных линий, положение к-рых зависит от энергии основного и возбужденных электронных состояний атомов. Спектры молекулярных газов - полосы, образованные тесно расположенными линиями, соответствующими переходам между колебательным и вращательным энергетич. уровнями молекул. Спектр в-ва в конденсиров. фазе определяется не только природой составляющих его молекул, но и межмол. взаимодействиями, влияющими на структуру электронных уровней. Обычно такой спектр состоит из ряда широких полос разл. интенсивности. Иногда в нем проявляется структура колебат. уровней (особенно у кристаллов при охлаждении). Прозрачные среды, напр. вода, кварц, не имеют в спектре полос поглощения, а обладают лишь границей поглощения.

По спектрам поглощения проводят качеств. и количеств. анализ в-в (см. Фотометрический анализ, Атомно-абсорб-ционный анализ). Абсорбционная спектроскопия широко применяют для изучения строения в-ва. Она особенно эффективна при исследовании процессов в жидких средах; по изменениям положения, интенсивности и формы полос поглощения судят об изменениях состава и строения поглощающих свет частиц без их выделения из р-ров.

Для наблюдения за процессами, происходящими в течение короткого промежутка времени (от неск. с до ~ 10^-12 с), широко применяют методы кинетич. спектроскопии. Они основаны на регистрации (с помощью фотопластинок или фотоэлектрич. приемников) спектров поглощения или испускания исследуемой системы после кратковременного воздействия на нее, напр. быстрого смешения с реагентами или возбуждения внеш. источником энергии - светом, потоком электронов, электрич. полем и т.п. Спектром сравнения служит спектр "невозбужденной" системы. Методы кинетич. спектроскопии используют для изучения механизма р-ций (в частности, для установления состава промежут. продуктов), количеств. определения скоростей р-ций.

11. Практическое применение спектрофотометров для качественного и количественного анализа

В спектрофотометрических методах применяют сложные приборы - спектрофотометры, позволяющие проводить анализ как окрашенных, так и бесцветных соединений с помощью избирательного поглощения монохроматического света в видимой, ультрафиолетовой или ближней инфракрасной областях спектра. Поскольку спектр поглощения каждого вещества имеет вполне определенную форму, спектрофотометр может быть применен как для качественного, так и для количественного анализа. 

13. Оптические методы анализа

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, методы анализа веществ, основанные на изучении их оптич. свойств. К ним относятся: фотометрич. методы, нефелометрия и турбидиметрия, рефрактометрия, поляриметрия, спектральный и люминесцентный анализы.

К фотометрическим методам относят спектрофотометрию и фотоколориметрию, осн. на измерении поглощения света определяемым веществом в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Фотометрич. (абсорбционные) методы основаны на избирательном поглощении света исследуемым веществом и подчиняются закону Бугера — Ламберта — Бера (поглощение света пропорционально концентрации поглощающего вещества и толщине поглощающего слоя). При фотометрич. методах анализ проводят по поглощению монохроматич. света. Спектрофотометрия — один из наиболее точных фотометрич. методов анализа, применяемых в биохимии. Её используют для количеств. определения (с большой точностью): белков, нуклеиновых к-т, витамина А и др. В основе нефелометрии и турбидиметрии лежит явление рассеяния или поглощения света твёрдыми или коллоидными частицами, находящимися в р-ре. Нефелометрия основана на измерении интенсивности светового потока, рассеянного твёрдыми частицами, находящимися в р-ре; турбидиметрия — на измерении ослабления интенсивности светового потока, прошедшего через р-р, содержащий твёрдые частицы (интенсивность уменьшается вследствие поглощения и рассеяния светового потока). Нефеломегранализ осуществляют с помощью фотоэлектрич. колориметров-нефелометров типов ФЭК-Н-57, ФЭК-56 и др. В качестве турбидиметров могут быть использованы колориметры. Нефелометрич. методы используют для определения малых концентраций веществ в р-ре: ртути, мышьяка, сурьмы, серы.

Спектральный анализ — качественный и количественный анализ состава вещества, основан на исследовании его оптич. спектров. Различают атомный, эмиссионный, спектральный (по оптич. спектрам испускания атомов), атомно-абсорбционный (по оптич. спектрам поглощения атомов) анализы. Качеств. анализ производят по положению спектральных линий, количественный — по их интенсивности. В вет. исследованиях для изучения содержания ионов металлов и солей в организме широко применяют спектрографы (ИСП-28, ИСП-51 и др.), регистрирующие спектры на фотоплёнке и различающиеся разрешающей способностью, а также атомные абсорбционные спектрофотометры (модель 207, Япония) для определения концентрации Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Pb, Zn в жидкостях и тканях организма. В биохимич. исследованиях применяют и рентгеноспектральный анализ (по рентгеновским спектрам).

Люминесцентные методы анализа состава вещества основаны на люминесценции — свечении под воздействием облучения светом, электронами, в результате химич. реакций и т. д. В зависимости от длительности свечения различают флюоресценцию и фосфоресценцию. Количеств. анализ осуществляют на основе зависимости интенсивности флюоресцентного излучения от концентрации вещества. Флюоресцентное излучение, измеряемое спец. приборами — флюорометрами ФМ-1 и электронным флюорометром ЭФ-ЗМ, используют для количеств. определения витаминов B1, B2, фолиевой к-ты, гетероауксина, адреналина, стероидных гормонов, кодегидрогеназ, триптофана, антибиотиков (ауреомицинов), жёлчных к-т, жиров, порфиринов и др., а также нек-рых лекарств. веществ. Свежесть мяса и рыбы можно определить спец. флюорометром. Флюоресцентные спектрофотометры (модель МПФ-2А и модель 203, Хитати, Япония) позволяют исследовать аминокислоты, амины, витамины, стероиды, пуриновые и пиримидиновые основания и др. метаболиты. Применяется также т. н. сортовой люминесцентный анализ, отделяющий внешне похожие разные объекты (напр., нормальные клетки от опухолевых).