Нефелометричний та турбідіметричний методи аналізу

Нефелометричний та турбідіметричний методи застосовують для аналізу суспензій, емульсій і інших мутних середовищ. Інтенсивність світлового потоку, що проходить крізь такі середовища, зменшується внаслідок розсіювання та інших процесів взаємодії світла із завислими частинками.

Суть нефелометричного та турбідіметричного методів аналізу полягає в тому, що досліджуваний компонент переводять у малорозчинну сполуку, яка знаходиться в рідині в завислому стані, та вимірюють інтенсивність розсіяного світла або послаблення світлового потоку цією суспензією.

Якщо вміст речовини знаходять за інтенсивністю розсіяного світла, то такий метод називається нефелометричним. Метод визначення вмісту речовини за послабленням суспензіями світлового потоку називається турбідіметричним. У даних методах аналізу інтенсивність світлового потоку змінюється, але спектральна характеристика його залишається постійною.

У нефелометрії та турбідіметрії застосовують реакції осадження, основними вимогами до яких є утворення практично нерозчинного продукту реакції, який повинен знаходитися не у вигляді осаду, а у вигляді завислих частинок (суспензії).

Світло розсіюється частинками, розміри яких більші за довжину хвилі світла, яке падає на них. Інтенсивність розсіяного світла цими частинками описується законом Релея:

де n₁ і n₂ – показники заломлення частинок та середовища відповідно;

N – загальне число світлорозсіюючих частинок

V_i – об’єм частинки, що розсіює світло (форма частинки приймається за кулю);

λ – довжина хвилі падаючого світла;

r – відстань до приймача розсіяного світла;

β – кут між падаючим та розсіяним світлом.

За наявності в суспензії крупних частинок, діаметр яких вимірюється десятками нанометрів, закон Релея не виконується. У такому разі зв'язок між концентрацією та інтенсивністю світлорозсіювання установлюють за калібрувальними графіками. При дослідженні заданої системи показники заломлення n₁ і n₂ залишаються постійними, величини r і β визначаються конструкцією приладу і теж не змінюються. За цих умов рівняння набуває вигляду:

З цієї формули видно, що чим менша довжина хвилі падаючого світла, тим інтенсивніше розсіюється світло частинками суспензії.

Концентрація, за визначенням, є числом частинок в одиниці об’єму:

де V – об’єм суспензії;

N_А – постійна Авогадро;

N – загальне число світлорозсіюючих частинок.

Підставляючи значення c у рівняння , отримуємо:

.

При постійних значеннях об’єму суспензії V, об’єму світлорозсіюючої частинки Vi, довжини хвилі падаючого світла λ рівняння набуває вигляду:

або

Рівняння показує, що відношення інтенсивності розсіяного світла до інтенсивності падаючого пропорційно концентрації завислих частинок.

Для вимірювання інтенсивності розсіяного світла користуються приладами нефелометрами, які мало відрізняються від фотоелектроколориметрів, а послаблення світлового потоку в турбідіметрії вимірюється фотоелектроколориметрами.

Методами нефелометрії та турбідіметрії визначають дуже малі концентрації йонів, які утворюють малорозчинні сполуки. Так, сульфат-іони визначають у вигляді суспендованого барій сульфату, хлорид-іони – у вигляді завислого у воді аргентум хлориду та ін.

Нефелометрія та турбідіметрія відзначаються високою чутливістю, що важливо по відношенню до тих елементів або йонів, для яких відсутні кольорові реакції та неможливо застосувати колориметричні методи.

§ 77. Запитання для самоперевірки та контрольні запитання
з оптичних методів аналізу

1. У яких діапазонах довжин хвиль електромагнітного випромінювання знаходиться ближня ультрафіолетова область, видима область, ближня інфрачервона область?

2. За яких умов атомом чи молекулою відбувається поглинання або випромінювання світла певної довжини хвилі?

3. Що означають величини Е₁ та Е₂ у рівнянні Е = Е₁ − Е₂ = hν?

4. Як називається група атомів у молекулі, що дає вклад у спектр її поглинання, тобто здатна поглинати електромагнітне випромінювання?

5. Що таке батохромний і гіпсохромний ефекти?

6. Що таке коефіцієнт світлопропускання поглинаючого середовища? Наведіть відповідну формулу вираження цієї величини.

7. Що таке величина поглинання або екстинкції поглинаючого середовища? Наведіть відповідну формулу вираження цієї величини.

8. Наведіть вираження основного закону фотометрії Бугера-Ламберта-Бера. Які залежності він встановлює?

9. Що таке оптична густина поглинаючого середовища і як вона позначається?

10. Який фізичний зміст коефіцієнта молярної екстинкції речовини, що поглинає світло, при певній довжині хвилі падаючого світла?

11. Чому при визначенні концентрації розчиненої речовини за величиною оптичної густини розчину слід брати тільки розведені розчини?

12. За яких умов буде мати місце нелінійна залежність між величиною екстинкції і молярною концентрацією розчину?

13. Що таке монохроматичне світло? Який обов’язковий параметр треба вказувати, застосовуючи значення молярного коефіцієнта екстинкції?

14. Яким чином у спектрофотометрії досягається монохроматичне світло? Якого типу бувають такі пристрої?

15. Які найбільш важливі параметри монохроматорів?

16. Які кювети у спектрофотометрах застосовують при роботі у ближній УФ-області?

17. Які пристрої використовують для перетворення світлової енергії в електричні сигнали у спектрофотометрах і фотоелектроколориметрах?

18. Чим відрізняється фотоколориметрія від спектрофотометрії?

19. Чому у фотоколориметрії закон Бугера-Ламберта-Бера виконується не повністю?

20. Від яких факторів залежить точність аналізу у фотоколориметрії?

21. За яким принципом вибирають світлофільтри у фотоколориметрії?

22. Назвіть види люмінесценції та дайте коротку характеристику їх.

23. На чому базується фотоколориметричний аналіз?

24. У чому сутність закону Стокса-Ломмеля?

25. Що таке енергетичний і квантовий виходи люмінесценції?

26. За яких умов буде надійніше визначення речовини флуоресцентним методом?

27. Від яких факторів залежить інтенсивність флуоресценції?

28. На якому показнику базується рефрактометричний аналіз?

29. Від яких факторів залежить величина відносного показника заломлення?

30. 30. Яким чином позначається значення температури і довжини хвилі світла, при яких вимірювався відносний показник заломлення?

31. Яка залежність існує між концентрацією розчину речовини та відносним показником заломлення світлового променя, що падає на цей розчин?

32. У чому сутність поляриметричного аналізу?

33. Що таке поляризоване світло і що таке площина поляризації поляризованого світла?

34. Які речовини називаються оптично активними і як це позначається?

35. З чим пов’язана оптична активність речовин?

36. Від чого залежить величина кута обертання площини поляризації поляризованого світла?

37. За якою формулою розраховують концентрацію в розчині оптично активної речовини у поляриметрії?

38. Яку величину використовують для ідентифікації оптично активних речовин?

39. На чому базується інтерферометричний метод аналізу?

40. Як пов’язано зміщення смуг інтерференції з показником заломлення досліджуваного розчину?

41. У чому сутність емісійного спектрального аналізу?

42. Якими способами збуджують атоми і молекули у емісійному спектральному аналізі?

43. Що таке спектр емісії і які бувають емісійні спектри?

44. Що таке полум’яна фотометрія і яка область її застосування?

45. Що таке резонансні лінії і які їх недоліки?

46. Як здійснюється ідентифікація елемента за спектральним аналізом? Які лінії спектру використовуються для якісного аналізу?

47. Які розрахунки лежать в основі кількісного спектрального аналізу?

48. Чому резонансні лінії малопридатні для кількісного визначення елемента в пробі?

49. За лініями яких довжин хвиль проводиться визначення Натрію і Калію за методом полум’яної фотометрії?

50. Які пристрої використовують для виділення випромінювання з певною довжиною хвилі у полум’яній фотометрії?

51. У чому суть атомно-абсорбційного спектрального аналізу?

52. У чому відмінність між емісійною і атомно-абсорбційною спектроскопією?

53. Які джерела випромінювання застосовуються в атомно-абсорбційній спектроскопії?

54. Яка область застосування атомно-абсорбційної спектроскопії?

55. У чому суть турбідіметричного та нефелометричного методів аналізу?

56. Які реакції придатні для кількісного визначення речовин методами турбідіметрії та нефелометрії?

57. За яким законом описується інтенсивність розсіювання світла високодисперсною суспензією? Навести математичне вираження цього закону.

58. Яка залежність між довжиною хвилі падаючого світла та інтенсивністю розсіювання його частинками суспензії?

59. Представити математичне вираження залежності інтенсивності розсіяного світла від інтенсивності падаючого світла і концентрації завислих частинок.

60. Які області застосування турбідіметрії і нефелометрії в аналізі?