Инструментальные методы анализа — количественные аналитические методы, для выполнения которых требуется электрохимическая оптическая, радиохимическая и иная аппаратура. К инструментальным методам анализа обычно относят:
¾ электрохимические методы — потенциометрию, полярографию, кондуктометрию и др.;
¾ методы, основанные на испускании или поглощении излучения,— эмиссионный спектральный анализ, фотометрические методы, рентгеноспектральный анализ и др.;
¾ масс-спектральный анализ;
¾ методы, основанные на измерении радиоактивности.
Все инструментальные (физические и физико-химические) методы основаны на измерении физических величин, характеризующих объект анализа (пробу).
Измеряемая в ходе анализа физическая величина, функционально связанная с содержанием только определяемого компонента Х в исследуемом объекте, называется аналитическим сигналом.
Для каждого метода характерен свой аналитический сигнал. В таблице 1 приведены примеры сигналов и соответствующих им методов, относящихся к двум важнейшим группам – оптическим и электрохимическим методам анализа.
Таблица 1
Примеры инструментальных методов анализа
Группа методов
Методы (примеры)
Аналитический сигнал
Вид градуировочной функции
Первичный, I
Вторичный, I*
Оптические
Атомно-эмиссионный спектральный анализ
Фототок, i; относительное почернение, DS
i = a CbD S = a + k lg C
Спектрофотометрия
Оптическая плотность, А
D = e l C
Электрохимические
Потенциометрия
Э.д.с. электрохими-ческой ячейки, DЕ
Потенциал электрода, Е
Е = a + b lgC
Вольтамперометрия
Сила тока, i
Предельный диффузионный ток, id
Id = kC
Зависимость аналитического сигнала от содержания Х называют градуировочной функцией. Ее записывают как уравнение вида I = f (C). В этом уравнении символом С обозначают содержание Х, выраженное в единицах количества вещества (моль), единицах массы (кг, г) или концентрации (моль/л и др.); эти величины прямо пропорциональны друг другу. Величину сигнала в общем случае обозначают символом I, хотя в отдельных методах используют специфические обозначения (таблица 1). В каждом методе градуировочные функции однотипны, но точный вид градуировочной функции для конкретной методики зависит от природы Х и условий измерения сигнала.
Во многих методах зависимость сигнала от концентрации описывается нелинейными функциями, например, в люминесцентном анализе – показательной (I = kCn), в потенциометрии - логарифмической (I = I0 + k lgC), и т.д. Однако все градуировочные функции схожи тем, что по мере возрастания С величина I изменяется непрерывно, а каждому значению С соответствует единственное значение I.
Рисунок 1
Типичные градуировочные графики для некоторых инструментальных методов
lgС
I
С
С
I
I
К наиболее применимым электрохимическим методам анализа относятся потенциометрический, полярографический и кондуктометрический.
§2. Классификация оптических методов
К оптическим методам относятся рефрактометрия, поляриметрия, абсорбционные оптические методы.
Рефрактометрический анализ основан на измерении показателя преломления (рефракции) веществ, по которому следует судить о природе вещества, чистоте и содержании в растворах.
Преломление луча света возникает на границе двух сред, если среды имеют различную плотность. Отношение синуса угла падения (α) к синусу угла преломления (β) называют относительным показателем преломления (п) второго вещества по отношению к первому и является величиной постоянной:
Показатель преломления вещества зависит от его природы, а также от длины волны света и от температуры.
Поляриметрический метод основан на свойстве некоторых веществ изменять направление световых колебаний.
Вещества, обладающие свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически активными. У поляризованного луча, пропущенного через слой раствора оптически активного вещества, меняется направление колебаний, а плоскость поляризации оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации, который зависит от поворота плоскости поляризации, концентрации и толщины слоя раствора, длины волны поляризованного луча и температуры.
Оптические абсорбционные методы — это методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами. Именно оптические абсорбционные методы получили широкое распространение в научно-исследовательских и сертификационных лабораториях. При поглощении света атомы и молекулы поглощающих веществ переходят в новое возбужденное состояние.
В зависимости от вида поглощающих веществ и способа трансформирования поглощенной энергии различают атомно-абсорбционный, молекулярно-абсорбционный анализ, нефелометрию и люминесцентный анализ.
Атомно-абсорбционный анализ основан на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.
Молекулярный абсорбционный анализ основан на поглощении света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).
Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.
Нефелометрия основана на поглощении и рассеянии световой энергии взвешенными частицами анализируемого ве-щества.
Люминесцентный (флуорометрический) анализ основан на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.
Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц вещества, которое возникает в результате перехода в них электронов при возвращении из возбужденного в нормальное состояния.
§3. Основные законы фотометрического анализа и формулы.
Фотометрический анализ относится к абсорбционным методам, т.е. основан на измерении поглощения света веществом. Он включает спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуальную фотометрию, которую обычно называют колориметрией.
Каждое вещество поглощает излучение с определенными (характерные только для него) длинами волн, т.е. длина волны поглощаемого излучения индивидуальна для каждого вещества, и на этом основан качественный анализ по светопоглошению.
Основой количественного анализа является закон Бугера-Ламберта-Бера:
А = e l c
где А = –lg (I / I0) = –lg T – оптическая плотность;
I0 и I – интенсивность потока света, направленного на поглощающий раствор и прошедшего через него;
с – концентрация вещества, моль/л;
l – толщина светопоглощающего слоя;
e - молярный коэффициент светопоглощения;
T - коэффициент пропускания.
Для определения концентрации анализируемого вещества наиболее часто используют следующие методы:
1) молярного коэффициента светопоглощения;
2) градуировочного графика;
3) добавок;
4) дифференциальной фотометрии;
5) фотометрического титрования.
Метод молярного коэффициента поглощения. При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных растворов Аст, для каждого раствора рассчитывают e = Аст / (lсст) и полученное значение e усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора Ах и рассчитывают концентрацию сх по формуле
сх = Ах /(e l).
Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой системы закону Бугера-Ламберта-Бера, по крайней мере, в области исследуемых концентраций.
Метод градуировочного графика. Готовят серию разведений стандартного раствора, измеряют их поглощение, строят график в координатах Аст – Сст. Затем измеряют поглощение анализируемого раствора и по графику определяют его концентрацию.
Метод добавок. Этот метод применяют при анализе растворов сложного состава, так как он позволяет автоматически учесть влияние «третьих» компонентов. Сущность его заключается в следующем. Сначала определяют оптическую плотность Ах анализируемого раствора, содержащего определяемый компонент неизвестной концентрации сх, а затем в анализируемый раствор добавляют известное количество определяемого компонента (сст) и вновь измеряют оптическую плотность Ах+ст.
Оптическая плотность Ах анализируемого раствора равна
Ах = e l cх,
а оптическая плотность анализируемого раствора с добавкой стандартного
Ах+ст = e l (cх + сст).
Концентрацию анализируемого раствора находим по формуле:
сх = сстАх / (Ах+ст – Ах).
Метод дифференциальной фотометрии. Если в обычной фотометрии сравнивается интенсивность света, прошедшего через анализируемый раствор неизвестной концентрации, с интенсивностью света, прошедшего через растворитель, то в дифференциальной фотометрии второй луч света проходит не через растворитель, а через окрашенный раствор известной концентрации – так называемый раствор сравнения.
Фотометрическим методом можно определять также компоненты смеси двух и более веществ. Эти определения основаны на свойстве аддитивности оптической плотности:
Асм = А1 + А2 + …+ А n
где Асм - оптическая плотность смеси; А1 , А2, А n – оптические плотности для различных компонентов смеси.
Фотометрические методы анализа применяются для контроля разнообразных производственных процессов. Эти методы могут быть применены для анализа больших и малых содержаний, но особенно ценной их особенностью является возможность определения примесей (до 10-5...10-6%). Методы абсорбционной спектроскопии используют в химической, металлургической, фармацевтической и других отраслях, а также в медицине и сельскохозяйственном производстве.
§4. Лабораторная работа
Опыт 1. Определение меди (II)
В аммиачных растворах ионы меди образуют комплексные ионы, окрашенные в синий цвет.
Cu2+ + 4 NH3 = [Cu(NH3)4]2+
Порядок выполнения работы
1. Возьмите 7 мерных колб на 100 мл для приготовления стандартных растворов соли меди (II). Напишите на них стеклографом номера 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6.
2. Налейте из бюретки в колбы, начиная с колбы № 1, точное число мл раствора соли меди (II), который содержит 1 мг меди в 1 мл раствора (см. табл. 3) или другие объемы по усмотрению преподавателя.
3. В каждую колбу добавьте цилиндром по 5 мл 25 % (концентрированного) раствора аммиака, добавьте дистиллированной воды до метки, закройте пробкой, хорошо перемешайте.
4. Измерьте оптическую плотность каждого стандартного раствора и запишите в таблицу
3. Измерение проводится относительно раствора в колбе № 0 (нулевой раствор) в кюветах с b = 34 мм с использованием желтого светофильтра.
5. По результатам постройте калибровочный график на миллиметровой бумаге в координатах А - C.
6. Получите у преподавателя контрольную задачу с неизвестной концентрацией соли меди (II) (колба № х), добавьте 5 мл 25 % раствора аммиака, доведите дистиллированной водой до метки. Закройте пробкой, хорошо перемешайте.
7. Измерьте оптическую плотность контрольного раствора Аx и по калибровочному графику определите концентрацию меди (II) Сх. Узнайте у преподавателя точной значение концентрации раствора и вычислите погрешность измерения.
Цвет раствора всегда является дополнительным к цвету поглощенного излучения:
Наблюдаемые цвета и соответствующие им поглощенные участки спектра Интервал длин волн поглощенного излучения, нм
Цвет поглощеного излучения
Наблюдаемый цвет (дополнительный цвет)
400 – 435
Фиолетовый
Желто-зеленый
435 – 480
Синий
Желтый
480 – 490
Голубой
Оранжевый
490 – 500
Голубовато-зеленый
Красный
500 – 560
Зеленый
Пурпурный
560 – 580
Желто-зеленый
Фиолетовый
580 – 595
Желтый
Синий
595 – 605
Оранжевый
Голубой
605 – 730
Красный
Голубовато-зеленый
730 – 760
Пурпурный
Зеленый
§5. Задачи для самостоятельного решения
Пример №1
После растворения 0,2500 г стали раствор разбавили до 100,0 мл. В три колбы вместимостью 50,0 мл поместили по 25,00 мл этого раствора и добавили: в первую колбу стандартный раствор, содержащий 0,50 мг Ti, растворы Н2О2 и Н3РО4, во вторую – растворы Н2О2 и Н3РО4, в третью – раствор Н3РО4 (нулевой раствор). Растворы разбавили до метки и фотометрировали два первых раствора относительно третьего. Получили значения оптической плотности: Ах+ст = 0,650, Ах = 0,250. Рассчитать массовую долю (%) титана в стали.
Решение.
Определяем концентрацию титана, добавленного со стандартным раствором:
сст = 0,50 / 50,00 = 1,00 . 10-2 мг/мл,
где 0,50 мг – масса добавленного титана; 50,00 мл – объем раствора.
m = (6,25 . 10-3. 50,00 . 100,0) / 25,00 = 1,25 мг = 1,25 . 10 -3 г.
и рассчитываем его массовую долю (%):
wTi = (1,25 . 10-3. 100) / 0,2500 = 0,50%.
Ответ: Массовая доля титана в стали 0,50%
1. При фотоколориметрическом определении Fe3+ с сульфосалициловой кислотой из стандартного раствора с содержанием железа 10 мг/см3 приготовили ряд разведений в мерных колбах вместимостью 100 см3, измерили оптическое поглощение и получили следующие данные:
Vст, см3 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
А 0,12 0,25 0,37 0,50 0,62 0,75
Определите концентрацию Fе3+ в анализируемых растворах, если их оптическое поглощение равно 0,30 и 0,50.
§6. Тестовые задания для самоконтроля
Выберите один правильный ответ
01. Закон БУГЕРА – ЛАМБЕРТА – БЕРА СПРАВЕДЛИВ:
1) для немонохроматического излучения;
2) для люминисценции;
3 для монохроматического излучения.
02. ВИЗУАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОКРАШЕННОГО ВЕЩЕСТВА НАЗЫВАЮТ:
1) спектрофотометрией;
2) колориметрией;
3) фотоколориметрией;
4) потенциометрией.
03. МЕТОД ГРАДУИРОВОЧНОГО ГРАФИКА:
1) измерение поглощения серии стандартных растворов с известной концентрацией, затем измеряют поглощение анализируемого раствора и определяют его концентрацию;
2) измерение поглощения серии анализируемого раствора, затем измеряют поглощение стандартного раствора и определяют совпадения;
3) измерение поглощения анализируемого и стандартного растворов; по пропорции находят концентрацию вещества.
04. ЗАКОН СВЕТОПОГЛОЩЕНИЯ:
1) D=εLC;
2) T= εLC;
3) D= εTC;
4) D = 10 εLC
05. ФОТОМЕТРИЯ ПРИМЕНЯЕТСЯ В ФАРМАЦИИ ДЛЯ:
1) определения рН растворов и количественного содержания лекарственных веществ;
2) определения интенсивности окраски растворов;
3) определения редокс - потенциала.
06. АНАЛИЗ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДИМОМ, УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ И ИНФРАКРАСНОМ СПЕКТРАХ НАЗЫВАЮТ:
1) спектрофотометрией;
2) колориметрией;
3) фотоколлориметрией;
4) потенциометрией
07. ФОТОМЕТРИЯ – ЭТО:
1) анализ с применением зависимости светопоглощения от длины волны;
2) измерение ЭДС электродной системы;
3) определение содержания окрашенного вещества с использованием фотоэлемента.
