Методы нефелометрии и турбидиметрии

Эффект

При прохождении света через дисперсную систему, содержащую взвесь твердых или коллоидных частиц в растворителе (суспензии, эмульсии), твердых или жидких частиц в газах (аэрозоли), наблюдается рассеяние и поглощение света: I₀ = I_р + I_п + I.

На степень рассеяния влияют число, размеры, форма частиц, разность показателей преломления вещества частиц и среды, а также длина волны излучения. Кроме того, интенсивность рассеянного излучения может зависеть от направления измерения.

I₀ * I_п I 180^о

I_р 135^о 45^о I_р

I_р 90^о

Рассеяние света частицами, с меньшими размерами, чем длина волны падающего излучения называют:

· комбинационным рассеянием, если длина волны падающего излучения после рассеяния изменяется;

· рэлеевским, по аналогии с гидродинамической моделью огибания волной частицы, если длина волны падающего излучения после рассеяния не изменяется;

Рассеяние света частицами, размер которых намного больше размера длины волны излучения, называют рассеянием Тиндаля. Причина такого рассеяния связана с явлением преломления света на границе раздела твердой и жидкой фаз и с отражением света частицами.

Почти все аналитические измерения связаны с видимым излучением. Пробу освещают интенсивным потоком I₀, затем, как в фотоколориметрии, измеряют интенсивность прошедшего излучения I или определяют интенсивность излучения, рассеянного под определённым углом, например, под углом 90^о – I_р90^о. С ростом числа частиц в дисперсной системе отношение I/I₀ уменьшается, а отношение I_р90^о/ I₀ до умеренных концентраций увеличивается. Для очень разбавленных растворов суспензий измерение под углом гораздо чувствительнее, чем измерений по прямой линии, где на величину поглощения будет накладываться рассеяние под этим же углом.

Концентрацию взвешенных частиц можно определить с помощью двух родственных методов.

Метод, в котором измерение поглощения света проводят под углом 180⁰, называют турбидиметрией, а метод, в котором проводят измерение рассеяния света под углом 90^о или каким – либо другим, называют нефелометрией.

В турбидиметрии измеряют свойство «мутность» - S, которая определяется в единицах, аналогичных оптической плотности:

S = lg(I₀/I) = kbС(ОК),

где k- коэффициент мутности, зависит от среднего диаметра частиц d, длины световой волны l, констант, зависящих от природы суспензии и метода измерений p и q;

b - длина пути в анализируемой пробе (толщина поглощающего слоя), см;

С(ОК) - число рассеивающих частиц определяемого компонента в 1 см³ ( концентрация)

При проведении нефелометрических измерений определяют отношение I_р90^о/ I₀:

I_р90^о/ I₀ = к^² С(ОК);

где I_р90^о – интенсивность рассеянного света;

С(ОК) – концентрация взвешенных частиц;

к^² - коэффициент пропорциональности, зависящий от угла, под которым производят измерения, от плотности материала твердых частиц d_т, от объема частицы V, от длины световой волны l, от показателей преломления взвешенных частиц n₁ и среды n₂;

Нефелометр измеряет величину lg I₀ /I_р90^о

lg I₀ /I_р90^о = - lg k² – lg C = А_каж

Приведенные уравнения в турбидиметрии и нефелометрии справедливы лишь для очень разбавленных суспензий, С(ОК) < 0,1 г/дм³ .

Средства измерения

По внешнему виду уравнения поглощения и рассеяния света диспергтрующими частицами похожи на уравнения Бугера-Ламберта-Бера, поэтому можно использовать тот же принцип (способ) измерения, который заложен в таких приборах, как спектрофотометр и флуориметр.

*** 3 Турбидиметр

1* *

4

2 – светофильтр или монохроматор;

3 – кювета с пробой;

5 – приемник излучения; Нефелометр

6 – регистрирующее устройство

Источник света – лампа накаливания, приемник излучения – фотоэлемент.

В качестве турбидиметра могут использоваться серийные спектрофотометры или фотоколориметры. Кроме прямой турбидиметрии можно проводить турбидиметрическое титрование (химический метод, используется закон эквивалентов), если к прибору прилагается титровальная приставка.

В качестве нефелометров могут быть использованы серийные спектрофлуориметры, флуориметры-анализаторы или спектрофотометры со специальной приставкой для измерения интенсивности рассеянного света под углом 90^о(поворотные зеркала).

В нефелометре при анализе бесцветных растворов используют синий светофильтр (ближняя УФ-область), так как синий свет сильнее рассеивается, чем излучение с другими длинами волн и градуировочные графики получаются линейными. Для окрашенных растворов длину волны облучения подбирают экспериментально.

Количественный анализ

Градуировочный график в турбидиметрии строят в координатах S - С(ОК). График будет линеен, величина S уменьшается с убылью концентрации определяемого компонента С(ОК).

S

C(ОК)

Градуировочный график в нефелориметрии строят в координатах I_р90^о/ I₀ – С(ОК) или в координатах А_каж – -lg C(ОК). График будет линеен, причем оптическая плотность А_каж уменьшается с ростом концентрации определяемого компонента С(ОК).

А_каж

-lg C(ОК)

Для построения градуировочного графика готовят градуировочные растворы с использованием специальных стандартных образцов состава.

В нефолометрии и турбидиметрии кроме погрешностей при измерении добавляются погрешности, связанные с плохой воспроизводимостью физико-химических (аналитических) свойств суспензии. Для её стабилизации вводят стабилизаторы – желатину, крахмал, электролиты.

Результаты измерения мутности можно сравнивать только с результатами, полученными на приборах одного и того же типа, совпадающих по всем параметрам (см.p, q). . По этой причине стандарты мутности, если их использовать в приборах различных типов, должны быть по форме, размерам, распределению частиц и коэффициентам преломления идентичны в значительной степени аналогичным характеристикам анализируемого вещества. Сильное влияние внутренних факторов на измерительный сигнал позволяет определять концентрацию только по градуировочному графику.