Спектрофотометрический анализ

Краткие теоретические сведения.Спектрофотометрический анализ основан на измерении оптической плотности исследуемого раствора на определенной длине волны. Чтобы выбрать длину волны l, которая обеспечит наилучшую чувствительность и точность анализа, снимают с помощью спектрофотометра спектры поглощения исследуемых растворов, т.е. получают зависимость оптической плотности D от длины волны падающего света, D = f (l). В анализе используют спектры поглощения, построенные по точкам или записанные методом непрерывной развертки, в УФ-, видимой или ближней ИК-области.

Для растворов с разной концентрацией одних и тех же поглощающих молекул (ионов) спектры имеют сходную форму (рис.11), максимумы поглощения в них находятся на одних и тех же длинах волн, а различается лишь интенсивность поглощения. Переходя к координатам e – l, где e – молярный коэффициент, для каждого типа поглощающих молекул получают единственную спектральную кривую. Такие спектры собраны в атласах, они характеризуют не раствор, а само растворенное вещество, поэтому применяются для идентификации веществ, особенно органических, причем наиболее информативны спектры в ИК-области.

Независимость e от С означает выполнение закона Бера: D = e l C. В этом случае график зависимости оптической плотности от концентрации имеет вид прямой, проходящей через начало координат. Такие градуировочные графики наиболее удобны, дают наибольшую точность анализа. Закон Бера строго выполняется только для монохроматического излучения, то есть для света с определенной длиной волны. Если же измеряется оптическая плотность, усредненная по некоторому диапазону длин волн, то градуировочный график часто искривляется. Это объясняет меньшую точность фотометрического анализа по сравнению со спектрофотометрическим.

Определение концентрации проводят обычно на длине волны максимального поглощения l_max. В этом случае чувствительность повышается, следовательно, снижается предел обнаружения С_min (рис. 12).

Рис.11. Спектры поглощения растворов вещества Х при разных концентрациях

Рис. 12. Градуировочные графики для определения Х на разных длинах волн

В некоторых случаях градуировочные графики строят не при l_max, а на какой-то другой длине волны. Обычно этот прием применяют для обеспечения селективности. Изучив спектры поглощения Х и примесей, присутствующих в том же растворе, можно подобрать такую длину
волны, отличную от l_max, где Х поглощает, а примеси – не поглощают свет. Это позволяет не выделять Х из пробы перед фотометрированием.
Правда, такой прием снижает чувствительность анализа.

Важным преимуществом спектрофотометрического анализа является большая универсальность. Можно определять не только вещества, имеющие видимую окраску, но и бесцветные, поглощающие в УФ-, ИК-областях спектра.

Фотометрический анализ смеси перманганата
и бихромата калия

Краткие теоретические сведения.Если в растворе одновременно присутствуют несколько окрашенных веществ, причем для каждого из них выполняется закон Бера, а между собой эти вещества не взаимодействуют (спектры поглощения аддитивны), то концентрацию каждого из n компонентов смеси можно рассчитать алгебраически. Для этого измеряют суммарное поглощение смеси на n разных длинах волн и молярные коэффициенты всех компонентов при соответствующих значениях l. Для решения получающейся системы n уравнений с n неизвестными желательно применение ЭВМ. Более подробно этот расчетный метод (метод Фирордта) описан в специальной литературе [14; 18].

Расчеты значительно упрощаются, если какой-либо из компонентов смеси имеет специфическое поглощение, то есть на некоторой l поглощает свет только одно вещество. Примером может быть смесь KMnO₄ и K₂Cr₂O₇. При 440 нм поглощают оба компонента, тогда как при 590 нм поглощает свет только перманганат:

D₄₄₀ = e^Cr₄₄₀ l C_Cr + e^Mn₄₄₀ l C_Mn = D_Cr + D_Mn

D₅₉₀ = e₅₉₀ l С_mn

Согласно правилу аддитивности, оптическая плотность смеси при 440 нм равна сумме оптических плотностей бихромата и перманганата. Для определения вклада перманганата пользуются таким приемом: строят градуировочные графики при 440 и 590 нм по стандартным растворам KMnO₄, затем фотометрируют исследуемый раствор при 590 нм и по соответствующему графику находят концентрацию перманганата в смеси. Для найденной концентрации по второму графику определяют D_Mn – вклад KMnO₄ в оптическую плотность смеси при 440 нм. По разности находят вклад бихромата в оптическую плотность смеси при 440 нм:

D_cr = D₄₄₀ – D_mn ,

а затем и концентрацию бихромата (по заранее построенному при 440нм градуировочному графику). Описанный метод применяется в аналитических лабораториях на металлургических и машиностроительных заводах, поскольку Cr и Mn – важнейшие добавки к сталям. Измерение оптических плотностей при фиксированных значениях l на практике заменяют измерением усредненных оптических плотностей в некоторых диапазонах длин волн, то есть работают на фотоэлектроколориметрах с разными светофильтрами, отличающимися по величине l_эфф.