Фотометрические методы. 
Предмет и задачи химии. 
Место химии среди естественных наук

Наибольшее практическое распространение получили оптические, так называемые фотометрические методы анализа, основанные па способности атомов и молекул поглощать электромагнитное излучение.

Концентрацию вещества в растворе определяют по степени поглощения светового потока, прошедшего через раствор.

При колориметрическом методе анализа измеряют поглощение световых лучей широких участков видимого спектра или всего видимого спектра (белый свет) окрашенными растворами.

При спектрофотометрическом методе измеряют поглощение монохроматического света. Это усложняет конструкцию приборов, но дает большие аналитические возможности по сравнению с колориметрическим методом.

Интенсивность окраски раствора может быть определена визуально (колориметрия) или с помощью фотоэлементов (фотоколориметрия).

Большинство визуальных методов сравнения интенсивности поглощения основано на различных способах выравнивания интенсивности окраски двух сравниваемых растворов. Это может быть достигнуто изменением концентрации (методы разбавления, стандартного ряда, колориметрического титрования) или изменением толщины поглощающего слоя (метод уравнивания).

Пользуясь методом стандартного ряда, берут ряд колориметрических пробирок с притертыми пробками, готовят постоянный стандартный ряд окрашенных растворов, содержащих последовательно возрастающие количества стандартного раствора. Получается так называемый стандартный ряд или колориметрическая шкала (образцовая шкала). Можно использовать набор специально подобранных цветных стекол.

Этот метод лежит в основе определения цвета нефтепродуктов по шкале стандартных цветных стекол. Приборы — колориметры типа КНС-1, КНС-2, ЦНТ (см. гл. 1).

Выравнивать интенсивности потоков излучений при их сравнении можно также изменением ширины щели диафрагмы, находящейся па пути одного из двух сравниваемых потоков. Этот способ используется в более точных и объективных методах измерения интенсивности окраски раствора в фотоколориметрии и спектрофотометрии.

Для этого используются фотоэлектроколориметры и спектрофотометры.

В основе количественного определения концентрации окрашенного соединения по степени поглощения лежит закон Бугера — Ламберта — Бера:

Шкалы фотометрических приборов градуируют в значениях поглощения, А и пропускания Т среды.

Теоретически, А изменяется от 0 до °°, а Т — от 0 до 1. Но с достаточной точностью величину, А можно измерить в очень узком интервале значений — примерно 0,1-г-1,0.

Измеряя поглощение данной системы монохроматических излучений различных длин волн, можно получить спектр поглощения, т, е. зависимость светопоглощения от длины волны. Логарифм отношения I₀ /I также называют оптической плотностью и иногда обозначают D.

Коэффициент поглощения К определяет строение поглощающего соединения. Абсолютное значение К зависит от способа выражения концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Если концентрация выражена в моль/дм³, а толщина слоя в см, то коэффициент поглощения называется молярным коэффициентом погашения е: при с=1М и 1=1 см ъ = А, т. е. молярный коэффициент погашения численно равен оптической плотности раствора концентрацией 1 М, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см. Для фотометрического анализа наибольшее значение имеет. поглощение света в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.

Бесцветный солнечный луч, так называемый белый свет, проходя через призму, разлагается на несколько цветных лучей. Лучи разных цветов отличаются длиной волны. Длину волны монохроматического луча, т. е. луча определенного цвета, измеряют в нанометрах (нм) или в микрометрах (мкм). В видимую часть спектра входят лучи с длиной волны X от 400 до 760 нм. Лучи с длиной волн от 100 до 400 нм образуют невидимую ультрафиолетовую часть спектра, лучи с длиной волн свыше 760 нм — инфракрасную часть спектра.

Для количественного анализа более удобно проводить измерения в УФ и видимой частях спектра, в которых даже сложные соединения имеют обычно одну или небольшое число полос поглощения (т. е. диапазонов частот световых волн, в которых наблюдается поглощение света).

Для каждого поглощающего вещества можно выбрать такую длину волны, при которой происходит самое интенсивное поглощение лучей света (наибольшее поглощение). Эту длину волны обозначают _max

Для многих аналитических определений достаточно выделить полосу спектра шириной от 20 до 100.нм. Этого достигают при помощи светофильтров, обладающих избирательным поглощением лучистой энергии и пропускающих свет в достаточно узком интервале волн. Чаще всего применяют стеклянные светофильтры, причем цвет светофильтра соответствует тому участку спектра, который этот Светофильтр пропускает. Как правило, приборы для колориметрического анализа снабжены набором светофильтров, повышающих точность и чувствительность количественных методов анализа.

Если область максимального поглощения _max анализируемого раствора известна, то выбирают светофильтр с областью максимального пропускания, близкой к _max

Если _max анализируемого раствора точно неизвестна, светофильтр выбирают следующим образом: измеряют оптическую плотность раствора, вводя последовательно все светофильтры; измерение ведут относительно дистиллированной воды. Светофильтр, при использовании которого получается наибольшая оптическая плотность, считается наиболее пригодным для дальнейшей работы.

Таким образом поступают при работе на фотоэлектроколориметрах.

Фотоэлектроколориметры типа ФЭК-М имеют ширину спектрального интервала, пропускаемого светофильтром 80 100 нм, типа ФЭК-Н-57, ФЭК-56, ФЭК-60 3040 нм. При работе на спектрофотометрах измеряют поглощение во всем рабочем интервале данного прибора вначале через 1020 им, а найдя границы максимального поглощения, через 1 нм.

Как правило, описание стандартного метода определения, которым руководствуется лаборант в своей работе, содержит точные указания относительно условий, в которых проводится определение вещества.

Любое определение с использованием фотометрического метода анализа состоит из двух стадий: переведения анализируемого вещества в окрашенное состояние и измерения оптической плотности раствора. Наибольшее значение на первой стадии имеют реакции комплексообразования. В случае прочных комплексов для полного связывания определяемого компонента достаточно небольшого избытка комплекоообразователя. Однако нередко применяют интенсивно окрашенные, но малопрочные комплексы. В общем случае в растворе необходимо создать такой избыток реактива, чтобы его концентрация была не менее 10. К {К — константа нестойкости комплекса).

В фотометрическом анализе используются реактивы, изменяющие цвет при изменении рН раствора. Поэтому необходимо поддерживать рН в интервале, по возможности далеком от области цветового перехода.

В основе количественного фотометрического анализа лежит метод градуировочных кривых, показывающих зависимость оптической плотности раствора D от количества вещества с.

Для построения кривой замеряют оптическую плотность пяти-восьми растворов анализируемого вещества различных концентраций. График зависимости оптической плотности от концентрации используется для определения содержания вещества в анализируемом образце.

В большинстве случаев (для разбавленных растворов) градуировочный график выражается прямой, проходящей через начало координат. Нередко наблюдаются отклонения от прямой в положительную или отрицательную сторону; причиной этого может быть сложный характер спектра окрашенного соединения, что приводит к изменению коэффициента поглощения в выбранном интервале длин волн с изменением концентрации раствора. Этот эффект устраняется при использовании монохроматического света, т. е. при работе на спектрофотометрах.

Следует иметь в виду, что соблюдение закона Бугера — Ламберта—Бера, т. е. прямолинейный характер градуировочной кривой не является обязательным условием успешного выполнения количественного определения. Если в определенных условиях установлена нелинейная зависимость D от с, то она все равно может служить градуировочным графиком. Концентрация определяемого компонента может быть определена по этой кривой, но для ее построения необходимо большее число стандартных растворов. Однако линейная зависимость градуировочного графика повышает точность определения.

Коэффициент поглощения слабо зависит от температуры. Поэтому термостатирование в фотометрических измерениях не обязательно. Изменение температуры в пределах ±5°С практически не влияет на оптическую плотность.

Природа растворителя оказывает существенное влияние на оптическую плотность при прочих равных условиях, поэтому построение градуировочных графиков и измерения в анализируемых продуктах необходимо проводить в одном и том же растворителе.

Для работы в УФ-области применяют воду, спирт, эфир, насыщенные углеводороды.

Поскольку оптическая плотность зависит от толщины слоя, выбор кювет должен быть сделан с таким расчетом, чтобы значения оптических плотностей для серии эталонных (стандартных) растворов находились в интервале 0,1 — 1,0, что соответствует наименьшей ошибке измерении.

На практике поступают следующим образом: наполняют кювету средней толщины (2 или 3 см) раствором концентрацией, соответствующей середине ряда стандартных растворов, и используют его для выбора оптимальной длины волны (или оптимального светофильтра). Если оптическая плотность, полученная при этом для области максимального поглощения исследуемой системы, соответствует примерно середине оптимального интервала (0,40,5), то это значит, что кювета выбрана удачно; если выходит за границы этого интерзала или близка к ним, то нужно сменить кювету, увеличив или уменьшив ее толщину. При соблюдении закона Бугера — Ламберта — Бера, в том случае, когда при измерении последних в ряду стандартных растворов получаются значения оптической плотности >1,0, можно измерять оптические плотности в кювете с меньшей толщиной слоя и, пересчитав на толщину слоя, при которой были измерены плотности первых растворов, нанести их на один график зависимости D = f©.

Аналогично поступают, если кювета не подходит для измерения оптических плотностей растворов начала ряда стандартных растворов.

Интервал концентраций определяемого вещества необходимо также подбирать таким образом, чтобы измеряемая оптическая плотность раствора укладывалась в диапазон 0,1 —1,0.

Для анализа нефтепродуктов, присадок к ним могут быть рекомендованы фотоэлектроколориметры ФЭК-М, ФЭК-56, ФЭК-Н-57, ФЭК-60, КФО, КФК-2, а также спектрофотометры СФ-4А, СФ-26, СФ-46 (см. гл. 1).

Среди оптических методов анализа рассмотрим также рефрактометрический метод, основанный на способности различных веществ по-разному преломлять проходящий свет. Этот метод — один из самых простых инструментальных, требует небольших количеств анализируемого вещества, измерение проводится за очень короткое время. Этим методом можно идентифицировать жидкие вещества по их показателю преломления света, определять содержание вещества в растворе (для тех веществ, показатель преломления которых заметно отличается от показателя преломления растворителя). Показатель преломления является обязательно определяемым в лабораториях свойством нефтяных фракции и нефтепродуктов при их адсорбционном разделении.

В нефтепереработке принято определять показатель преломления n_D при длине волны падающего света 589 нм. Измерение ведут с помощью рефрактометра.

Показатель преломления зависит от температуры. С повышением се показатели преломления жидкостей уменьшаются.

Таблица 1. Показатели преломления некоторых соединений при различной температуре

Следовательно, измерения нужно проводить при постоянной: температуре (табл. 3.1).

Как видно из данных табл. 3.1, показатели преломления, измеренные при разных температурах, различны. Поэтому в обозначение показателя преломления кроме индекса, показывающего длину волны падающего света, вносят индекс, показывающий температуру при измерении: например, n_D²⁰ означает, что показатель преломления измерен при температуре 20 °C и длине волны света 589 нм желтого цвета. Определяют показатель преломления жидких нефтепродуктов следующим образом.

Перед началом измерения показателя преломления рабочие поверхности призм рефрактометра тщательно промывают спиром и дистиллированной водой. Затем проверяют правильность установки шкалы по котировочной жидкости (т. е. жидкости с известным показателем преломления). Чаще всего используют дистиллированную воду, для которой я_с²⁰ = 1,3330. Затем вытирают насухо рабочие поверхности призм и вносят в призменную камеру 2—3 капли анализируемого вещества. Вращением зеркала направляют световой поток в окно осветительной камеры и через окуляр наблюдают появление освещенного поля.

Вращением призменной камеры вводят в поле зрения границу света и тени и затем при помощи рукоятки компенсатора дисперсии добиваются появления четкой неокрашенной границы. Осторожно вращая призменную камеру, наводят границу света и тени на центр визирного креста и через лупу отсчетной шкалы отсчитывают показатель преломления. Затем сдвигают границу светотени, снова совмещают ее с центром визирного креста и делают повторный отсчет. Проводят три отсчета, после чего промывают и вытирают рабочие поверхности призм безворсовой тканью, снова вносят анализируемое вещество, проводят вторую серию измерений и вычисляют среднее значение показателя преломления.

За время измерения температуру призменной камеры поддерживают постоянной, пропуская через рубашки призм воду из термостата. Если показатель преломления измеряют при температуре, отличающейся от 20 °C, то в значение показателя преломления вносят температурную поправку.

При определении показателя преломления темных нефтепродуктов, для которых при пользовании проходящим светом трудно получить резкую границу, пользуются отраженным светом. Для этой цели открывают окошко в верхней призме, переворачивают зеркало и освещают окошко ярким светом.

Иногда при этом граница получается недостаточно отчетливой, но все же произвести отсчет с точностью до 0,0010 можно. Для получения лучших результатов следует работать в затем-пенной комнате и пользоваться рассеянным светом различной интенсивности, который можно ограничить отверстием рабочей призмы.