42233

Методы проведения фотоэлектроколориметрии двухкомпонентных систем

Курсовая

Физика

Фотоколориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами. Отличается от колориметрии тем, что интенсивность поглощения света оценивается не глазом исследователя, а специальными приборами – фотоэлектроколориметрами.

Русский

2014-12-02

2.19 MB

30 чел.

PAGE  12

Содержание

[1] Содержание

[2]
Вступление

[3] Глава 1. Оптические методы анализа

[3.1] 1.1. Понятие оптических методов анализа

[3.1.1] Электромагнитные спектры

[3.2]
1.2. Классификация оптических методов

[3.3]
1.3. Некоторые элементы теории поглощения света

[4]
1.4. Фотоколориметрия

[5]
Глава 2. Методы проведения фотоэлектроколориметрии однокомпонентных систем

[5.1] 2.1. Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов

[5.2] 2.2. Метод определения по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения

[5.3]
2.3. Метод градуировочного графика

[5.4]
2.4. Метод добавок

[6] Глава 3. Методы проведения фотоэлектроколориметрии двухкомпонентных систем

[6.1] 3.1. Спектры поглощения определяемых компонентов не накладываются друг на друга

[6.2]
3.2. Спектры поглощения определяемых компонентов частично накладываются друг на друга.

[6.3]
3.3. Спектры поглощения определяемых компонентов накладываются друг на друга на протяжении всей видимей области спектра.

[7]
Глава 4. Аппаратура для проведения фотоколориметрических исследований

[7.1] 4.1. Особенности аппаратуры для проведения фотоколориметрических исследований

[7.2]
4.2. Правила работы на фотоколориметре

[7.3]
4.3. Колориметры фотоэлектрические КФК, ФЭК-56М

[7.4]
4.4. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2

[7.5]
4.5. Многоцелевой фотометр Spekol 10

[8]
5. Экспериментальная часть

[8.1]
5.2. Результаты исследования

[9]
Выводы

[10]
Список использованной литературы


Вступление

Одна из наиболее важных задач фармацевтической химии — это разработка и совершенствование методов оценки качества лекарственных средств.

Для установления чистоты лекарственных веществ используют различные физические, физико-химические, химические методы анализа или их сочетание.

К физическим и физико-химическим методам относятся: определение температур плавления и затвердевания, а также температурных пределов перегонки; определение плотности, показателей преломления (рефрактометрия), оптического вращения (поляриметрия); спектрофотометрия — ультрафиолетовая, инфракрасная; фотоколориметрия, эмиссионная и атомно-абсорбционная спектрометрия, флуориметрия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрия; хроматография — адсорбционная, распределительная, ионообменная, газовая, высокоэффективная жидкостная; электрофорез (фронтальный, зональный, капиллярный); электрометрические методы (потенциометрическое определение рН, потенциометрическое титрование, амперометрическое титрование, вольтамперометрия).

Фотоколориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами. Отличается от колориметрии тем, что интенсивность поглощения света оценивается не глазом исследователя, а специальными приборами – фотоэлектроколориметрами.

Зависимость между интенсивностью поглощения света и концентрацией продолжает оставаться предметом изучения многих исследователей.

Именно поэтому анализ качества лекарственных препаратов с помощью фотоэлектроколориметрии является весьма актуальной проблемой.

Цель данной работы – осветить вопросы идентификации, методик анализа и количественного определения препаратов с помощью фотоэлектроколориметрии.

Глава 1. Оптические методы анализа

1.1. Понятие оптических методов анализа

Оптические методы анализа основаны на использовании оптических свойств исследуемых соединений.

Свет, как известно, представляет собой формулу лучевой энергии, испускаемой в виде электромагнитных волн. Эти волны характеризуются длиной волны или их частотой. Зависимость между длиной волны и ее частотой выражается следующим уравнением:

λ * ν = С

где λ — длина волны,

ν — частота колебаний волны в циклах в секунду,

С — скорость света в секунду в вакууме.

Световая энергия, применяющаяся в аналитических целях, ультрафиолетовая видимая, инфракрасная, является определенной частью электромагнитного спектра (табл. 1).

Таблица 1

Электромагнитные спектры

Молекулярные вращения

Молекулярные колебания

Переходы валентных электронов

Инфракрасная область далекая                ближняя

Видимая

Ультрафиолетовая область

ближняя                       далекая

150 мкм        40 мкм, 3 мкм

780 нм

380 нм, 200 нм               100 нм

За пределами 150 мкм находится область, близкая к микроволнам, а выше 100 нм — близкая к лучам Рентгена.


1.2. Классификация оптических методов

К оптическим относятся следующие методы:

Эмиссионный спектральный анализ - основан на наблюдении линейчатых спектров, излучаемых парами веществ при их нагревании в пламени газовой горелки, искры или электрической дуге. Метод дает возможность определять элементный состав веществ.

Абсорбционный спектральный анализ в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Различают спектрофотометрический и фотоколориметрический методы.

Спектрофотометрический метод анализа основан на измерении поглощения света (монохроматического излучения) определенной длины волны, которая соответствует максимуму кривой поглощения вещества.

Фотоколориметрический метод анализа основан на измерении светопоглощения или определения спектра поглощения в приборах - фотоколориметрах в видимом участке спектра.

Рефрактометрия - основана на измерении коэффициента преломления, по которому следует судить о природе вещества, чистоте и содержании в растворах.

Поляриметрия - основана на измерении вращения плоскости поляризации. 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.

Нефелометрия - основана на использовании явлений отражения или рассеивания света неокрашенными частицами, взвешенными в растворе. Метод дает возможность определять очень малые количества вещества, находящиеся в растворе в виде взвеси.

Турбидиметрия - основанная на использовании явлений отражения или рассеивания света окрашенными частицами, которые находятся во взвешенном состоянии в растворе. Свет, поглощенный раствором или прошедший через него, измеряют так же, как и при фотоколориметрии окрашенных растворов.

Люминесцентный или флуоресцентный анализ - основан на флуоресценции веществ, которые подвергаются облучению ультрафиолетовым светом. При этом измеряется интенсивность излучаемого или видимого света.

Пламенная фотометрия (фотометрия пламени) - основана на распылении раствора исследуемых веществ в пламени, выделении характерного для анализируемого элемента излучения и измерении его интенсивности. Метод используют для анализа щелочных, щелочноземельных и некоторых других элементов.


1.3. Некоторые элементы теории поглощения света

Применение оптических методов основано на свойстве веществ поглощать световую энергию. При этом используются следующие характеристики свойств света: длина волны (или частота) и интенсивность света.

Длина волны определяет тот предел, до которого луч света способен взаимодействовать с любым веществом, а путем измерения интенсивности света можно количественно определять взаимодействие между веществом и энергией луча света.

При рассмотрении способа взаимодействия вещества и света энергию света представляют разделенной на отдельные единицы, носящие название фотонов, или квантов. Энергия фотона зависит от частоты излучения и определяется уравнением:

Е = ν * h,

где Е — энергия фотона в эргах;

ν — частота колебания волны в циклах в секунду;

h — постоянная Планка, равная 6,624*10-27 эргов в секунду.

Следовательно, излучение при определенной длине волны состоит из фотонов, имеющих абсолютно равное количество энергии. Интенсивность, или световая энергия, пропорциональна числу фотонов, которые в единицу времени проходят через единицу площади, перпендикулярной к направлению луча света.

Общая энергия молекулы для любого ее состояния может быть выражена следующим уравнением:

Еобщ = Еэлектр + Еколеб + Евращ

Каждый из компонентов общей энергии может иметь только определенную величину, называемую энергетическим уровнем. Молекула, у которой электронная, колебательная и вращательная энергии имеют их наименьшее значение, находится в так называемом основном состоянии. В этом состоянии молекула может поглощать энергию, однако лишь в определенных количествах. Если молекула подверглась воздействию фотонов, чья энергия соответствует разности энергии между основным и возбужденным состояниями молекулы, то происходит поглощение молекулой энергии и вследствие этого молекула переходит на более высокий энергетический уровень.

Более высокие уровни называют первым, вторым и т. д. возбужденными состояниями. Каждому электронному уровню соответствует одно основное и несколько возбужденных колебательных состояний, аналогично каждому колебательному уровню соответствует один основной и несколько возбужденных вращательных уровней.

С другой стороны, если существует значительная разница в энергии фотонов и разности энергий двух состояний, может не быть никакого поглощения.

Таким образом, электронные, колебательные и вращательные энергии молекулы могут иметь только определенные, дискретные значения, иначе говоря, энергии в молекуле квантизированы.

Поглощение молекулой излучения может привести в зависимости от энергии фотона к следующим изменениям:

  1.  увеличению электронной энергии вследствие перераспределения электронов и перехода их на более высокий уровень;
  2.  увеличению колебательной энергии (распределение энергии между двумя ядрами);
  3.  увеличению вращательной энергии (уокорение вращения диполя).

Если молекула поглощает (небольшое количество энергии, излучаемой источником в далекой инфракрасной или микроволновой области, то изменяется только ее вращательная энергия, а электронная и колебательная энергия остаются прежними. Бели же источник излучения характеризуется более высокой энергией, соответствующей близкой инфракрасной области, то возрастает как вращательная, так и колебательная энергия молекулы. Излучение более высокой энергии, соответствующей ультрафиолетовой и видимой областям, приводит к изменениям всех трех видов энергии — вращательной, колебательной и электронной.

Молекулы вещества очень недолго находятся в возбужденном состоянии, продолжительность их существования порядка 10-8 сек. Следовательно, энергия не аккумулируется в системе, а .вещество немедленно растрачивает избыточную энергию несколькими путями, которые могут быть физическими или химическим.

Энергия может выделиться в виде тепла или флюоресцентного излучения.

Повторное излучение энергии в виде флюоресценции происходит ;в молекулах, у которых процессы деактивации протекают несколько иначе и полная деактивация путем столкновения или химической реакции затруднена. Такие молекулы могут иметь более высокую колебательную энергию в возбужденном состоянии, чем в основном состоянии. Эта колебательная энергия теряется путем столкновения на высшем электронном уровне, после чего молекула флюоресцирует, т. е. возвращается в основное состояние с выделением энергии в виде излучения. Флюоресцентная энершя меньше по величине, чем энергия падающего света, т. е. имеет большую длину волны. Флюоресценция немедленно прекращается при устранении источника радиации, что и отличает это свойство от фосфоресценции, которая продолжается некоторое время после устранения источника излучения.

Вещество может подвергнуться гомолитической диссоциации или ионизации. Выше уже отмечалось, что излучения разнятся по содержанию энергии в зависимости от длин волн. Для разрыва межатомной связи в молекуле требуется энергия порядка 50—100 ккал/моль; следовательно, для разрыва связи необходимо поглощение квантов видимого света (от 55 до 70 ккал/моль) или ультрафиолетового (около 140 ккал/моль).

Изучением химических реакций, возникающих при воздействии электромагнитного излучения, занимается фотохимия.

Определения, связанные с измерением поглощения света, основаны на двух физических законах.

Когда свет проходит через вещество, интенсивность излучения уменьшается по сравнению с интенсивностью излучения, падающего на вещество (рис. 1).

Закон Бугера—Ламберта связывает поглощение с толщиной слоя поглощающего вещества и выражается соотношением:

lg (I0 / I) = k1 * b,

где I0 — интенсивность излучения, падающего на вещество;

I — интенсивность излучения, прошедшего через вещество;

b — толщина слоя вещества в сантиметрах;

k1 — показатель поглощения — величина, обратная той толщине слоя, проходя через который поток излучения ослабляется в 10 раз.

Второй закон поглощения Бера связывает интенсивность падающего света и света, прошедшего через раствор определенной толщины, с концентрацией раствора. При этом предполагается, что растворитель не поглощает в данной области спектра:

lg (I0 / I) = k2 * С,

где k2 — константа, зависящая от способа выражения концентрации раствора; 

С — концентрация раствора.

Оба закона могут быть сведены в одно уравнение, которое известно под названием закона Бугера — Ламберта — Бера, закона Ламберта — Бера или просто закона Бера:

lg (I0 / I) = k * b * С,

Раздел терминологии, относящейся к оптическим методам анализа, остается унифицированным, описывается согласно Государственной фармакопеи X издания с некоторыми изменениями согласно Второму изданию Международной фармакопеи.

Соотношение lg (I0 / I) известно как поглощение (А), оптическая плотность (D), или как экстинкция (Е).

Значение k зависит от единиц, в которых выражают концентрацию вещества и толщину слоя. Если выразить С в грамм-молях на 1 л раствора, а b в сантиметрах, то коэффициент поглощения будет равен молярному коэффициенту поглощения. Последний изображается греческой буквой эпсилон — ε.

Если концентрация выражается в граммах вещества на 100 мл раствора, то эта величина называется удельным показателем поглощения и обозначается символом  или Е (1 %, 1 см).

Известно также выражение поглощения при концентрации в граммах вещества на 1 л раствора — поглощаемость — а. Эта величина в 10 раз меньше, чем удельный показатель поглощения.

Приведенные ниже формулы определяют зависимость между величиной поглощения, Е (1 %, 1см), и молярным коэффициентом поглощения.

где М — молекулярный вес и соответственно


1.4. Фотоколориметрия

Фотоколориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами. Отличается от колориметрии тем, что интенсивность поглощения света оценивается не глазом исследователя, а специальными приборами - фотоэлектроколориметрами.

Принцип измерения поглощения света окрашенными растворами заключается в том, что поток световой энергии, прошедший через кювету с раствором или растворителем, попадает на фотоэлемент, превращающий световую энергию в электрическую, которая измеряется гальванометром. При длительном непрерывном освещении фотоэлементов сила фототока ослабевает, электрический эффект становится непропорциональным интенсивности падающего света. Это явление называется утомляемостью фотоэлемента. Поэтому при фотоколориметрических исследованиях необходимо делать перерывы.

В фотоколориметрии применяется световой поток, прошедший через светофильтр. Каждый светофильтр, как и каждый окрашенный раствор, имеет спектральную характеристику. Наиболее подходящим будет тот светофильтр, максимум пропускания которого совпадает с максимумом поглощения света окрашенным раствором.

Светофильтры можно выбирать по окраске анализируемого раствора. Часть потока белого света поглощается раствором, а часть проходит через него и обусловливает воспринимаемую глазом окраску. В связи с этим кажущийся цвет раствора считают дополнительным к цвету поглощенного излучения:

Цвет раствора

Область макс. светопоглощения (нм)

Цвет светофильтра

Желто-зеленый

400 - 450

Фиолетовый

Желтый

450 - 480

Синий

Оранжевый

480 - 490

Зелено-синий

Красный

490 - 500

Сине-зеленый

Пурпурный

500 - 560

Зеленый

Синий

575 - 590

Желтый

Зелено-синий

590 - 625

Оранжевый

Фотоколориметрический метод достаточно точен, погрешность составляет 3-5 %. Наименьшая ошибка достигается при величине оптической плотности 0,434. В интервале значении величин оптической плотности от 0,30 до 0,70 ошибка составляет ±3 %. Необходимую величину оптической плотности достигают подбором кюветы и концентрации анализируемого раствора.

Кюветы представляют собой стеклянные сосуды, в которые наливают окрашенные растворы для измерения их оптической плотности’с помощью фотоэлектро-колориметров. К фотоколориметрам прилагается набор кювет, которые после наполнения их окрашенными растворами имеют толщину слоя от 1 до 50 мм.

При наполнении кювет анализируемым раствором или раствором сравнения, а также при установке в кюветодержатели фотоэлектроколориметров не следует брать кюветы руками за те стенки, через которые будет проходить световой поток. При работе с легко летучими жидкостями кюветы нужно закрывать крышкой. Выбор кювет зависит от интенсивности окраски раствора. Для интенсивно окрашенных растворов применяют кюветы с меньшей толщиной слоя, для слабо окрашенных растворов выбирают кюветы с большей толщиной поглощающего слоя.

Концентрацию анализируемых веществ с помощью фотоэлектроколориметров определяют несколькими способами, которые описаны далее. В любом из методов для определения концентрации измеряется оптическая плотность стандартного, нулевого (раствор без определяемого вещества) и анализируемого растворов.


Глава 2. Методы проведения фотоэлектроколориметрии однокомпонентных систем

2.1. Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов

Для определения концентрации вещества берут аликвотную часть исследуемого раствора, приготавливают из нее окрашенный раствор для фотометрирования и измеряют его оптическую плотность. Затем аналогично исследуемому раствору приготавливают два-три стандартных окрашенных раствора определяемого вещества известной концентрации и измеряют их оптические плотности при той же толщине слоя (в тех же кюветах). Сравнивая значения оптических плотностей исследуемого и стандартного растворов, находят неизвестную концентрацию определяемого вещества.

Во избежание больших погрешностей, концентрации исследуемого и стандартных растворов должны приготавливаться почти одинаковыми, что обеспечивается получением достаточно близких значений оптических плотностей сравниваемых растворов, Поэтому сначала измеряют оптическую плотность исследуемого раствора и лишь после этого подбирают концентрации стандартных растворов так, чтобы получить значения их оптических плотностей, близкие к значению исследуемого раствора. Для каждой пробы исследуемого раствора целесообразно приготовить два-три стандартных раствора с тем, чтобы определить среднее значение неизвестной концентрации определяемого вещества.

Значения оптических плотностей сравниваемых растворов будут равны:

для исследуемого раствора

Ах = εх * Сх * lх

для стандартного раствора

Аст = εст * Сст * lст

Разделив одно выражение на другое, получим:

Ах / Аст = εх * Сх * lх / (εст * Сст * lст)

Так как измерения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов производили в одной и той же кювете, то lх = lст; молярный коэффициент светопоглощения ε является постоянным для данного окрашенного вещества. Следовательно, приведенное выше равенство можно упростить:

Ах / Аст = Сх / Сст 

откуда

Сх = Ах * Сст / Аст 

Рассчитав неизвестную концентрацию Сх (мг/мл), с учетом разбавления растворов находят содержание в растворе определяемого вещества qx (мг)

qx = Сх * Vх * Vобщ / V1

Здесь Vх — объем окрашенного исследуемого раствора, мл;

V1 — объем аликвотной части исследуемого раствора, взятой для приготовления окрашенного раствора, мл;

Vобщ — общий объем исследуемого раствора, мл.

Метод сравнения применяется при однократных анализах и требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.

Существует и другой способ определения неизвестной концентрации Сх. приготавливают два стандартных раствора с концентрациями С1 и С2 так, чтобы оптическая плотность первого из них А1, была бы меньше оптической плотности Ах исследуемого раствора, а оптическая плотность А2 второго стандартного раствора была бы, наоборот, больше, чем Ах.

Неизвестную концентрацию исследуемого раствора рассчитывают по формуле:

Сх = С1 + (С2 – С1) * (Ах – А1) / (А2 – А1)

Если значения концентраций (или значения оптических плотностей) исследуемого и стандартных растворов достаточно близки, то этот способ более точен.

2.2. Метод определения по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения

Метод определения концентрации вещества по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения является разновидностью метода сравнения, только в данном случае нужно непосредственно рассчитывать значение молярного коэффициента светопоглощения и по его значению находить неизвестную концентрацию исследуемого окрашенного раствора. Приготавливают исследуемый и стандартные окрашенные растворы и измеряют значения их оптических плотностей аналогично тому, как это производят при определении по методу сравнения. По данным, полученным для стандартных растворов, рассчитывают среднее значение молярного коэффициента светопоглощения:

εср = Аст / (Сст * lст)

Зная значения оптической плотности исследуемого окрашенного раствора и молярного коэффициента светопоглощения, находят неизвестную концентрацию Сх (моль/л) исследуемого окрашенного раствора и общее содержание в растворе определяемого вещества qx (мг):

Сх = Ах /ср * lх) и qx = Сх * Vх * Vобщ * М / V1

Здесь М — молекулярная масса определяемого веществе (иона).

Измерения оптической плотности стандартного и исследуемого растворов можно производить как при одинаковой толщине слоя (в одинаковых кюветах), так и при разной его толщине (в разных кюветах). Метод требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения и применяемся сравнительно редко.


2.3. Метод градуировочного графика

Для определения содержания вещества методом градуировочного графика при выбранных оптимальных условиях готовят серию из 5—8 стандартных растворов разных концентраций (не менее 3 параллельных растворов для каждой точки)

При выборе интервала концентраций стандартных растворов руководствуются следующими положениями:

  1.  Он должен охватывать область возможных изменений концентраций исследуемого раствора; желательно, чтобы оптическая плотность исследуемого раствора соответствовала примерно середине градуировочной кривой;
  2.  Желательно, чтобы в этом интервале концентраций при выбранных толщине кюветы (l) и аналитической длине волны λ (в большинства случаев λ = λмакс светопоглощающего соединения) соблюдался основной закон светопоглощения, т. е. график А = f (С) был прямолинейным; При фотоколориметрических определениях выбор светофильтра (значения λ = λмакс) в общем случае определяется не только видом кривых спектров поглощения окрашенного раствора и светофильтра, но и спектральной чувствительностью фотоэлемента.
  3.  Интервал рабочих значений А, соответствующий интервалу стандартных растворов, должен обеспечивать максимальную воспроизводимость результатов измерений (минимальное отношение SA / A), т е. А ~ 0.14 – 1.9, однако следует иметь в виду, что на практике при значениях А > 1.1 – 1.3 обычно наблюдается уже нелинейный характер зависимости А = f (С). Необходимо также учитывать, что общая погрешность фотометрического анализа определяется совокупностью слагаемых, из которых в ряде случаев определяющую роль могут играть погрешность невоспроизводимости положения кювет («кюветная» погрешность) в кюветодержателе и погрешность измерения объемов стандартных и исследуемых растворов при работе с неоткалиброванными мерными колбами, пипетками, бюретками.

При совокупности перечисленных условий измеряют оптические плотности стандартных растворов относительно растворителя и строят график (рис. 1) зависимости А = f (С). Полученная кривая называется градуировочной (градуировочным графиком). Периодически (раз в неделю или реже) ее проверяют по двум-трем свежеприготовленным стандартным растворам.

Рис. 1.

В общем случае, когда свет поглощается не только определяемым соединением, но и реагентом, экспериментальные данные измерений оптической плотности могут быть представлены следующими вариантами

  1.  Оптические точности стандартных растворов и раствора реагента (холостого опыта, содержащего определенный объем добавляемого реагента) измеряют относительно растворителя. Определяют разности значений ΔА = А — АR (где А и АR — средние значения при разных концентрациях) и строят график или рассчитывают уравнение зависимости ΔА = f (С), Этот подход наиболее применим для неустойчивых систем или реагентов и систем, содержащих примеси.
  2.  Оптическую плотность стандартных и исследуемых растворов измеряют относительно раствора реагента в качестве холостого опыта, А = f (С). Этот вариант применяют нередко, когда раствор холостого опыта имеет высокое значение оптической плотности.
  3.  Оптическую плотность растворов измеряют относительно растворителя. Результат холостой пробы и его погрешность рассчитывают методом линейного регрессионного анализа.

Определив оптическую плотность раствора Ах, находят ее значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс — соответствующее ей значение концентрации Сх. Содержание вещества qx (мг) в исследуемом растворе определяют по формуле:

qx = Сх * Vх * Vобщ / V1

Этот метод применяют при многократном фотометрировании однотипных по химическому составу растворов, при выполнении серийных фотометрических анализов. Он дает хорошие результаты при соблюдении основного закона светопоглощения

В отличие от других фотометрических методов, метод градуировочного графика позволяет определять концентрацию окрашенных растворов даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. Для построения градуировочной кривой в этих случаях приготавливают значительно большее число стандартных растворов, отличающихся друг от друга по концентрации не более чем на 10%. Такой градуировочный график, имеющий на пологом участке угол наклона не менее 15°, все же позволяет проводить фотометрические определения, несмотря на то. что между концентрацией раствора и его оптической плотностью нет прямолинейной зависимости. Воспроизводимость определений при этом ниже, чем в случае линейной зависимости А = f (С).

Несмотря на простоту и удобство, практическое использование градуировочных графиков в ряде случаев вносит дополнительную погрешность при определении концентрации растворов как за счет субъективного построения графической зависимости, так и за счет несоответствия графических (масштабных) погрешностей и погрешностей измерений оптических плотностей. Поэтому для получения более объективных результатов анализа часто пользуются одной аналитических зависимостей, которые рассчитывают по экспериментальным данным методом регрессионного анализа.

Согласно основному закону светопоглощения графическая зависимость А = f (С) выражается прямой линией, проходящей черэз начало координат:

А = b * С

Здесь b — угловой коэффициент линейного градуировочного графика.

Если в тех же условиях при фотометрировании растворов допускается какая-то систематическая погрешность (например, за счет содержания определяемого элемента в используемых реактивах), то графическая зависимость А = f (С) так же выражается прямой линией, но не проходящей через начало координат. В этом случае в уравнении прямой появляется второй коэффициент (свободный член):

А = а + b * С

Если откюнений от основного закона светопоглощения избежать не удается и графическая зависимость А = f (С) становится нелинейной, то во многих случаях такую зависимость с достаточной степенью приближения можно аппроксимировать квадратичным уравнением параболы, проходящей через начало координат:

А = а * С + b * С2

Здесь а и b — коэффициенты (параметры) в уравнении парабсты

При построении градуировочного графика различают следующие варианты:

  1.  График для чистых стандартных растворов, построенный при оптимальных условиях. Такие графики следует с осторожностью использовать для определений неизвестных концентраций в растворах, содержащих мешающие ионы, или в образцах различных матриц;
  2.  График, построенный в присутствии отдельных мешающих компонентов матрицы, влияние которых достаточно подробно изучено;
  3.  График, построенный по стандартным растворам, содержащим все элементы анализируемых объектов.


2.4. Метод добавок

Метод добавок представляет собой разновидность метода сравнения Определение концентрации раствора этим методом основано на сравнении оптической плотности исследуемого раствора и того же раствора с добавкой известного количества определяемого вещества. Метод добавок обычно применяют для упрощения работы для устранения мешающего влияния посторонних примесей, в ряде случаев для оценки правильности методики фотометрического определения. Этот метод позволяет создать одинаковые условия для фотометрирования исследуемого и стандартного (с добавкой) окрашенных растворов, поэтому его целесообразно применять для определения малых количеств различных элементов в присутствии больших количеств посторонних веществ при анализах солевых растворов. Метод добавок требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.

Неизвестную концентрацию находят расчетным или графическим способами.

Расчет неизвестной концентрации по методу сравнения. При соблюдении основного закона светопоглощения и постоянной толщине слоя отношение оптических плотностей исследуемого раствора и исследуемого раствора с добавкой будет равно отношению их концентраций

Ах / Ах+а = Сх / (Сх + Са)

откуда

Сх = Са * Ах / (Ах+а – Ах)

Здесь Ах — оптическая плотность исследуемою раствора;

Ах+а — оптическая плотность исследуемого раствора с добавкой;

Сх - неизвестная концентрация определяемого вещества в исследуемом окрашенном растворе;

Са — концентрация добавки в исследуемом растворе (из расчета только добавленного количества). С концентрацией раствора добавки Сд она связана соотношением Са = Сд * Vд / Vx+a,

Учитывая разбавление исследуемого раствора и выражая концентрацию добавки в нем Са через Сд, находим содержание qх (мг) определяемою вещества в растворе:

qх = Vx * Аx * Сд * Vд * Vобщ / ((Аx+aАx) * V1 * Vx+a)

Здесь Vx — объем окрашенного исследуемого раствора без добавки, мл;

Vд – объем раствора добавки, мл,

Vобщ – общий объем исследуемого раствора, мл;

V1 — объем аликвотной части исследуемого раствора, взятой для приготовления окрашенного раствора, мл;

Vx+a – объем окрашенного исследуемого раствора с добавкой, мл.

Если исследуемый окрашенный раствор и раствор с добавкой приготавливают в одинаковых мерных колбах, то их объемы одинаковы, следовательно

qх = Аx * Сд * Vд * Vобщ / ((Аx+a – Аx) * V1)

или

qх = Аx * qд * Vд * Vобщ / ((Аx+a – Аx) * V1)

Здесь qд — содержание в растворе добавленного вещества, мг.

Добавки следует брать в таких количествах, чтобы не происходили «потери точности при вычитании»; минимальная разность Ах+а — Ах должна быть не менее 0.1

Определение неизвестной концентрации графическим способом. При определении неизвестной концентрации графическим способом (рис. 2) на оси ординат откладывают значение оптической плотности исследуемого раствора Ах, а на оси абсцисс из точек Са1, и Са2, отвечающих концентрациям добавленного вещества в растворе, восстанавливают перпендикуляры. На этих перпендикулярах откладывают соответствующие значения оптической плотности Ax+a1 и Ах+а2 растворов с добавками а1 и а2. Через полученные три точки Ax, Ax+a1 и Ax+a2 проводят прямую линию до пересечения ее с продолжением оси абсцисс в точке Сх. Абсолютное значение отрезка х выражает неизвестную концентрацию исследуемого раствора.

Рис. 2. Графическое определение концентрации раствора методом добавок.

Содержание в растворе определяемого вещества (мг) рассчитывают с учетом разбавления:

qx = Сх * Vх * Vобщ / V1

К сожалению, при большом солевом фоне, особенно когда примеси взаимодействуют с реактивом, метод добавок часто приводит к получению завышенных результатов из-за нарушения прямолинейной зависимости А от С, которое не учитывается ни расчетным уравнением ни графически.

Для учета влияния примеси при определении методом добавок предложено несколько вариантов. По мнению Фукишимы нелинейную зависимость между концентрацией и оптической плотностью следует выражать аналитически уравнением наиболее подходящей аппроксимирующей функции, на основании которой и производить количественные расчеты. Однако этот путь очень сложен.

А. Шугар и Ю. Шугар при нелинейной зависимости А от С предложили способ расчета, основанный на спрямлении кривой этой зависимости в очень узком интервале концентраций (рис. 3).

Рис. 3. Спрямление нелинейной зависимости А от С

Если оптические плотности исследуемого раствора Ах, разбавленного в n раз исследуемого раствора Аn и исследуемого раствора с добавкой Ах+а находятся на криволинейном участке а—с, тс спрямив этот участок, можно рассчитать неизвестную концентрацию Сх по формуле:

                      Ах – Аn                    n

Сх = Са * --------------------- * ------------

                     Ах+а – Ах+а              n-1

По мере сближения величин Ах, Аn и Ах+а погрешность за счет спрямления кривой уменьшается. Однако, как показал Л. П. Адамович даже в самых благоприятных условиях, когда добавка вносится в разбавленный в n раз исследуемый раствор и концентрация рассчитывается по формуле

                      Ах – Аn                    n

Сх = Са * --------------------- * ------------

                     Аn – Ах+а              n-1

погрешность за счет спрямления кривой принципиально не исключается, а лишь достигает своего минимального значения.

Для исключения погрешностей из-за присутствия взаимодействующей с реактивом примеси, природа которой известна, можно рекомендовать наиболее простой и надежный способ, предложенный Адамовичем.

Анализ проводят следующим образом:

  1.  С двумя разными светофильтрами измеряют значения оптических плотностей исследуемого раствора с примесью А'х и А''х.
  2.  С теми же светофильтрами измеряют оптические плотности исследуемого раствора с добавкой определяемое вещества А'х+а и А''х+а.
  3.  С теми же светофильтрами измеряют оптические плотности исследуемого раствора с добавкой некоторого количества при- меси А'х+пр и А''х+пр.

Неизвестную концентрацию Сх рассчитывают по формуле:

                                            Са * (А'х * Ах+пр – А'х+пр * А'х)

Сх = -----------------------------------------------------------------------------------------

         А'х * (А''х+а – А''х+пр) + А'х+а * (А''х+пр – А''х) + А'х+пр * (А''х – А''х+а)

Если возникают опасения относительно «потери точности при вычитании», то опыт повторяют, изменив значения добавок определяемого элемента или примеси.

При неудачном выборе светофильтров, когда относительное изменение молярных коэффициентов светопоглощения определяемого вещества и примеси одинаково

ε'х / ε''х = ε'пр / ε''пр

расчет положительных результатов не дает если замена светофильтров вновь не позволяет получить положительных результатов, то это указывает на чрезвычайное сходство кривых светопоглощения соединений реагента как с определяемым веществом, так и с примесью. В этом случае способ Адамовича не применим.

Глава 3. Методы проведения фотоэлектроколориметрии двухкомпонентных систем

3.1. Спектры поглощения определяемых компонентов не накладываются друг на друга

Если спектры поглощения определяемых компонентов не накладываются друг на друга, т е. полосы поглощения в спектрах определяемых компонентов А и В так разграничены между собой, что при фотометрировании смеси с каждым из светофильтров поглощением другого (второго) компонента можно пренебречь (рис. 4).

Рис. 4. Спектры поглощения двух компонентов различного цвета (А и В)

Экспериментально или теоретически подбирают светофильтры, один из которых пропускает лучи, поглощаемые в основном только одним из определяемых веществ, в то время как другой светофильтр пропускает лучи, поглощаемые главным образом вторым компонентом.

Фотометрическое определение обоих компонентов, присутствующих в смеси, легко осуществляется любым из описанных выше методов анализа, например методом сравнения. Для этого приготавливают стандартные растворы определяемых компонентов А и В и измеряют их оптические плотности соответственно со светофильтрами а и b. Затем с теми же светофильтрами измеряют оптическую плотность окрашенной смеси двух компонентов. Сравнивая полученные значения оптических плотностей окрашенной смеси и стандартных растворов, определяют неизвестные концентрации обоих компонентов:

СхА = СстА * Ах(а) / АстА(а)

СхВ = СстВ * Ах(b) / АстВ(b)

Здесь СстА и СстВ — концентрации стандартных растворов компонентов А и В;

Ах(а) и АстА(а) – оптические плотности окрашенной смеси и стандартного раствора компонента А с применением светофильтра а;

Ах(b) и АстВ(b) — Оптические плотности окрашенной смеси и стандартного раствора компонента В с применением светофильтра b.


3.2. Спектры поглощения определяемых компонентов частично накладываются друг на друга. 

В этом случае при фотометрировании с разными светофильтрами можно пренебречь светопоглощением лишь одного из компонентов окрашенной смеси (рис. 5). Для этого подбирают такой светофильтр, при котором в области максимального поглощения лучей первым компонентом светопоглощением второго компонента можно пренебречь. При измерении оптической плотности окрашенной смеси с другим светофильтром в области максимального поглощения лучей вторым компонентом всегда наблюдается суммарное поглощение света обоими компонентами. В этом случае светопоглощением первого компонента пренебрегать нельзя.

Рис. 5. Спектры пoглощения двух компонентов (А и В), частично накладывающихся друг на друга.

Если имеется смесь растворов окрашенных компонентов А и В, которые фотометрируются со светофильтрами а и b, причем с применением светофильтра а светопоглощением компонента В можно пренебречь. Приготавливают серии стандартных растворов компонентов А и В и измеряют их оптические плотности: растворов компонента А со светофильтрами а и b, а растворов компонента В — только со светофильтром b. По полученным данным для каждого из компонентов строят градуировочные кривые (рис. 6, 7).

Рис 6. Градуировочный график для определения концентрации компонента А.

Рис. 7. Градуировочнчй график здя определения концентрации компонента В.

Затем измеряют оптическую плотность окрашенной смеси компонентов А и В со светофильтром а и по измеренному значению Ах(а) и градуировочной кривой для чистого компонента А (кривая а, рис. 6) сразу же находят неизвестную концентоацию Сх(А) компонента А в исследуемом растворе.

Одновременно при помощи кривой b на том же графике определяют оптическую плотность раствора компонента А со светофильтром b. После этого измеряют оптическую плотность исследуемой смеси компонентов А и В со светофильтром b. Измеренное значение оптической плотности Ах(b), смеси является суммарной величиной, состоящей из оптической плотности AВ(b) компонента В и оптической плотности АА(b) компонента А. Но так как АА(b) нам известна из рис. 6, то по разности величин Ах(b) и АА(b) находим АВ(b):

АВ(b) = Ах(b) — АА(b).

По найденному значению оптической плотности АВ(b) и кривей b (рис. 7) определяют неизвестную концентрацию СхВ компонента В в исследуемом растворе.

Таким способом определяют, например, концентрацию ионов Mn (VII) и Cr (VI) в смеси растворов КMnО4 и К2Cr2О7, титана и ванадия.

В первом случае измерения оптической плотности растворов производят при λ = 550 нм (зеленый светофильтр), когда свет поглощает лишь один перманганат-ион, и при λ = 430 нм (синий светофильтр), когда наблюдается суммарное светопоглощение обоими окрашенными ионами.

По стандартным растворам перманганат- и дихромат-ионов строят градуировочные графики А = f (С) с синим светофильтром (λ = 430 нм) (рис. 8, кривые 1, 2), а для растворов перманганат-иона — с зеленым светофильтром (λ = 550 нм) (рис. 8, кривая 3). По значению оптической плотности исследуемой смеси, измеренному в области 550 нм, и при помощи кривой 3 сразу же определяют неизвестную концентрацию марганца в исследуемом растворе. Одновременно при помощи кривой 2 определяют оптическую плотность раствора перманганат-иона при 430 нм. Затем по разности оптических плотностей исследуемой смеси и раствора перманганат-иона при 430 нм (ΔАх(430) = Ах(430) — АMn(430)) по кривой 1 находят неизвестную концентрацию ионов хрома в исследуемой смеси.

Рис. 8. Градуировочный график для определения концентраций хрома и марганца при их совместном присутствии:

Аналогичным образом проводят определение титана и ванадия при их совместном присутствии по спектрам поглощения пероксидных комплексов [TiO(H2О2)]2+ и [VО(Н2О2)]2+ (При λ = 619 нм свет поглощает практически лишь раствор комплексного катиона ванадия, а при 400 нм — оба катиона.). Градуировочные графики (рис. 9) строят по измеренным значениям оптических плотностей стандартных растворов ванадия при 619 нм (оранжевый или красный светофильтр; и при 400 нм (фиолетовый или синий светофильтр) (кривые 1, 2) и титана — при 400 нм (фиолетовый или синий светофильтр) (кривая 3).

Рис. 9. Градуировочный график для определения концентраций ванадия и титана при их совместном присутствии.

По значению оптической плотности исследуемой смеси, измеренному при 619 нм, и при помощи кривой 1 сразу же определяют неизвестную концентрацию ванадия. Одновременно при помощи кривой 2 определяют оптическую плотность раствора ванадия при 400 нм. Затем по разности оптических плотностей исследуемой смеси и раствора ванадия при 400 нм (ΔАх(400) = Ах(400) — АV(400)) по кривой 3 находят неизвестную концентрацию титана.


3.3. Спектры поглощения определяемых компонентов накладываются друг на друга на протяжении всей видимей области спектра.

В этом случае нельзя выбрать никаких участков видимой области спектра, где можно было бы пренебречь светопоглощением одного из компонентов. Поэтому количественное определение компонентов проводят при помощи спектрофотометров, так как этот анализ с фотоколориметрически осуществить невозможно.


Глава 4. Аппаратура для проведения фотоколориметрических исследований

4.1. Особенности аппаратуры для проведения фотоколориметрических исследований

Фотометрические методы определения концентрации растворов основаны на сравнении поглощения или пропускания света стандартными и исследуемыми растворами. Степень поглощения света фотометрируемым раствором измеряют с помощью специальных оптических приборов — фотоколориметров, в которых световая энергия, проходящая через фото- метрируемый раствор, с помощью фотоэлементов преобразуется в электрическую. Согласно законам фотоэффекта, сила возникающего фототока прямо пропорциональна интенсивности света, падающего на фотоэлемент. Следовательно, отношение интенсивностей световых потоков, содержащееся в выражении основного закона светопоглощения, может быть заменено равным ему отношением фототоков. Это и используют в фотометрическом анализе, где фактически измеряют не светопоглощение расгворов, а значения возникающих фототоков.

При работе на приборах с фотоэлементами следует иметь в виду следующие обстоятельства, влияющие на точность и воспроизводимость получаемых результатов:

  1.  Спектральная и интегральная чувствительность фотоэлемента со временем уменьшается, и при большой эксплуатационной нагрузке «старение» фотоэлемента вызывает необходимость его замены.
  2.  Для фотоэлементов характерно явление «утомление», т. е. уменьшение силы фототока при длительном непрерывном освещении фотоэлемента достаточно ярким светом. Поэтому для получения воспроизводимых результатов во время работы для фотоэлементов необходим «отдых», т. е. временное прекращение его облучения путем перекрывания световых потоков защитной шторкой. Обычно при работе с фотоэлементами создают постоянную периодичность его облучения и «отдыха».
  3.  Чувствительность фотоэлемента бывает неодинакова по всей его поверхности, поэтому для получения воспроизводимых и точных результатов необходимо так поставить осветитель, чтобы при параллельных измерениях всегда освещался один и тот же участок поверхности фотоэлемента, причем площадь этого участка не должна быть меньше 0,8 см2. Иногда равномерная освещенность фотоэлементов достигается использованием матовых рассеивателей
  4.  Для того, чтобы наблюдалась линейная зависимость между силой фототока во внешней цепи фотоэлемента и интенсивностью падающего на него светового потока, сопротивление гальванометра должно быть по возможности малым и не должно превышать внутреннего сопротивления фотоэлемента.
  5.  Для получения хорошо воспроизводимых и надежных результатов при выборе эффективной длины волны (светофильтра) необходимо учитывать не только спектральные характеристики поглощения фотометрируемого раствора и применяемого светофильтра, но и характеристику спектралыюй чувствительности используемого фотоэлемента. Изменение спектральной чувствительности фотоэлементов может обусловливать соответствующее изменение эффективной длины волны (светофильтра) при фотометрировании растворов по одной и той же методике и даже на приборах одного и того же типа.


4.2. Правила работы на фотоколориметре

Надежность результатов измерений при работе на фотоколориметрах и фотометрах обеспечивается, в первую очередь, правильной установкой (юстировкой) и эксплуатацией приборов. Поэтому приступать к измерениям можно только после тщательного ознакомления с устройством прибора и правилами его эксплуатации. Измерения на фотоэлектрических приборах можно начинать через 15—20 мин после включения прибора для того, чтобы установился режим накала лампы осветителя

Большое значение для получения правильных результатов имеет чистота кювет. Кюветы всегда должны быть тщательно вымыты; желательно хранить их заполненными дистиллированной водой. Брать кюветы при измерениях можно только за боковые стенки, через которые не проходит поглощаемый световой поток.

Растворы сравнения (нулевые растворы). Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым ионом окрашенное соединение. В том случае, когда сам реагент имеет окраску, раствор сравнения приготавливают следующим образом: к небольшому количеству дистиллированной воды прибавляют реагент и все компоненты (кроме определяемого) в тех же количествах, что и при приготовлении окрашенных растворов определяемого вещества. Затем раствор доводят водой до требуемого объема и перемешиваю^. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

При небольшом избытке реагента оптические плотности растворов окрашенного комплекса и чистого реагента целесообразнее измерять отдельно по отношению к чистому растворителю и затем косвенным приемом определить оптическую плотность АЛ обусловленную поглощением только анализируемого комплекса.

Поправка на холостой опыт. Выделение определяемых компонентов из разбавленных растворов и отделение их от мешающих элементов при анализе веществ высокой степени чистоты производят обычно химическим путем с помощью различных реактивов, посуды, аппаратуры. Хотя для этих целей, как правило, применяют специально очищенные реактивы и дважды перегнанную воду, все же они могут содержать определяемую примесь, а стеклянная и кварцевая аппаратура тоже частично растворяется под действием применяемых кислот, щелочей и т. д. (В последнее время вместо стеклянной и кварцевой посуды широко применяют посуду из полиэтилена к фторопласта, которая не разрушается многими щелочами и кислотами). Поэтому при фотометрических определениях микропримесей элементов всегда проводят холостой опыт, т. е. проделывают все те же операции с реактивами только без анализируемого вещества. Обычно в полученном растворе почти всегда обнаруживают какое-то количество искомого вещества. Эту поправку на холостой опыт вычитают из полученного результата определения. Для достижения более высокой чувствительности (при прочих равных условиях) необходимо, чтобы поправка на холостой опыт была бы значительно меньше определяемого количества примеси.

При количественной оценке предела обнаружения большое значение имеет корректная постановка холостого опыта. Обычно холостой опыт выполняют без анализируемого образца со всеми добавленными реактивами, проводя их через все стадии анализа, предусмотренные методикой. Однако полученные таким образом результаты могут оказаться не всегда корректными, поскольку остатки матриц в растворе пробы могут оказывать влияние на результаты определения микроэлементов, в то время как в растворе холостого опыта, не содержащего растворенной пробы, подобных влияний нет. Для более строгого учета влияния солевого фона растворенной пробы следует использовать методику проведения холостого опыта с применением двух разных навесок пробы либо с введением в раствор холостого опыта какой-то части анализируемой пробы, добавляемой в фотометрируемый раствор. В последнем случае находят содержание определяемого микрокомпочента в фотометрируемом (анализируемом) и холостом растворах, а затем рассчитывают фактическое содержание определяемого элемента в холостой пробе.


4.3. Колориметры фотоэлектрические КФК, ФЭК-56М

Назначение. Технические данные. Колориметры фотоэлектрические типа КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56 предназначены для измерения пропускания или оптической плотности растворов в диапазоне 315—630 нм и определения концентрации веществ в растворе фотометрическими методами. Приборы позволяют также производить относительные измерения интенсивности рассеяния взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете. Приборы ФЭК-56М, ФЭК-56 могут комплектоваться дополнительным титровальным приспособлением ТПР, которое позволяет проводить фотометрическое титрование.

Все рассматриваемые приборы обеспечивают измерение пропускания от 100 до 5 % (А = 0-1.3). Участок шкалы пропускания от 5 до 0,1 % (А = 1.3-3) служит для ориентировочных измерений. Абсолютная погрешность прибора при измерении пропускания не превышает Т = 1%. Среднее квадратичное отклонение определения пропускания по результатам 10 измерений не превышает SТ = 0,3% * (0,003).

Таблица 1.

Характеристики светофильтров приборов КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56

Номер на рукоятке

Маркировка светофильтра

Длина волны,  соответствующая максимуму пропускания, нм

Полуширина полосы пропускания, нм

1

1

315±5

35±15

2

2

364±5

25±10

3

3

400±5

45±10

4

4

440±5

40±15

5

5

490±10

35±10

6

6

540±10

25±10

7

7

572±10

30±10

8

8

590±10

9

9

630±l0

В качестве источника света в приборе КФК используют лампу накаливания КГМ 6.3-15 (6.3В, 15 Вт), с которой возможна работа в диапазоне длин волн 315—630 нм. В приборах ФЭК-56, ФЭК-56М применяют лампу накаливания РН-35 (8В, 35 Вт) и ртутно-кварцевую лампу ДРК 120 сверхвысокого давления мощностью 120 Вт, обеспечивающие возможность работы в диапазоне 315—630 нм. Все приборы снабжены набором узкополосных светофильтров, спектральные характеристики которых представлены в табл. 1.

Оптическая схема и общий вид фотоколориметров. Фотоколориметры КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56 имеют общую оптическую схему, представленную на рис. 10.

Рис. 10. Оптическая схема фотоколориметров КФК, ФЭК-56М, ФЭК-56.

Световой поток от источника света 1, пройдя через светофильтр 2, попадает на призму 3, которая делит поток на два: левый и правый. Далее параллельные потоки идут через кюветы 4—4 или 4—4', диафрагмы 5,6 и попадают на фотоэлементы 7, включенные по дифференциальной схеме через усилитель постоянного тока на микроамперметр. В правый световой поток можно последовательно вводить кювету 4 с растворителем (или раствором сравнения) или кювету 4' с исследуемым раствором. Раздвижная диафрагма 5, расположенная в правом потоке света, при вращении связанного с ней барабана изменяет значение светового потока, падающего на правый фотоэлемент Правый барабан является измерительным, левый — компенсационным.

Внешний вид фотоколориметра КФК представлен на рис. 11.

Рис. 11. Внешний вид колориметра фотоэлектрического концентрационного КФК.

В отличие от этого прибора предшествующая модель — ФЭК-56М снабжена одной рукояткой регулировки чувствительности 9, а более ранняя модель — ФЭК-56 — индикаторной лампой вместо микроамперметра 1. Однако в последнем случае для регистрации уравнивания интенсивности левого и правого световых потоков возможно применение выносного микроамперметр вместо индикаторной лампы

Порядок работы. Общие указания. Методика определения концентрации вещества как в окрашенных, так и в мутных растворах одна и та же. Поэтому дальнейшее описание техники измерений (Т или А) является общим как для фотоколориметрических, так и турбидиметрических определений.

Измерения на приборе можно проводить спустя 15—20 мин после включения блока питания и лампы накаливания, когда наступает стабильный режим ее работы Ртутную лампу включают за 10—15 мин до начала измерения при условии 15—20-минутчого прогрева блока питания и лампы накаливания.

Нельзя оставлять без надобности включенной ртутную лампу прибора, так как это сокращает срок ее службы и, кроме того, лампа разогревает светофильтры прибора, что нежелательно. При возникновении перерыва в работе на время больше 20 мин ртутная лампа должна выключаться.

Иногда при работе с некоторыми светофильтрами (приборы ФЭК-36М, ФЭК-56) поступающий на фотоэлементы световой поток оказывается чрезмерно высоким, что приводит к нестабильности работы прибора. Это проявляется в колебании стрелки микроамперметра. В таких случаях необходимо уменьшить чувствительность схемы фотоколориметра, повернув рукоятку чувствительности по часовой стрелке; либо, если нестабильность остается высокой, установить в поток лучей поглотители, прикладываемые к прибору. Поглотители устанавливают в световые окна в кюветном отделении.

Измерение пропускания или оптической плотности раствора. Измерения производят при закрытой крышке кюветного отделения. Прежде всего устанавливают «электрический нуль» прибора. Для этого с помошью ручки 3 (см. рис. 11) перекрывают световые потоки шторкой. Рукояткой 10 устанавливают стрелку микроамперметра на «С», поело чего открывают шторку, С помощью рукоятки 11 вводят в световой поток выбранный светофильтр. Все измерения производят при чувствительности электросхемы 1—3 деления микроамперметра при раскрытии измерительной диафрагмы рукояткой 6 на 1% пропускания. Указанную чувствительность прибора устанавливают вращением рукояток 4 и 9 — на приборе КФК и рукоятки 9 — на приборе ФЭК-56М.

В левом световом потоке на все время измерений устанавливают кювету с растворителем (или раствором сравнения, «холостым» раствором). Если растворитель не окрашен, рекомендуется в левый поток ставить кювету с дистиллированной водой для того, чтобы исключить возможность разогревания левого фотоэлемента теплом светового потока. В правый поток света помещают кювету с исследуемым раствором. Правый барабан 7 вращением рукоятки 6 устанавливают на отсчет 100 по шкале пропускания. Вращением левого барабана (рукоятки 8) добиваются установки стрелки микроамперметра на «0». Если левым барабаном установить «0» не удаемся, то в правый световой поток (в световое окно) следует установить ослабитель «1» или «2» из комплекта прибора. Затем поворотом рукоятки 5 в правом потоке кювету с раствором заменяют кюветой с растворителем (или раствором сравнения). При этом происходит смещение стрелки микроамперметра, установленной на «О». Вращением правого измерительного барабана добиваются первоначального нулевого положения стрелки и производят отсчет пропускания (оптической плотности) исследуемого раствора по шкале правого барабана 7.

В некоторых случаях, особенно при изучении кинетических зависимостей, используют и другую методику измерений. Сначала в оба потока света помещают кюветы с чистым растворителем (или «холостым» раствором), вращением рукоятки 6 правый барабан 7 устанавливают на отсчет 100 по шкале пропускания и вращением левого компенсационного барабана (рукоятка 8) устанавливают стрелку амперметра на «0». Затем в левый кювето-держатель помещают кювету с анализируемым раствором и вращением правого измерительного барабана стрелку микроамперметра вновь устанавливают на «0». Отсчет показаний оптической плотности берут по шкале правого барабана

Для исключения случайных промахов, которые могут возникнуть в процессе измерения, рекомендуется не ограничиваться одним измерением. При измерениях барабан измерительной диафрагмы следует подводить к индексу Т (А) с одной стороны для исключения влияния люфта в механизме.

При определении концентрации вещества в растворе рекомендуется соблюдать следующую последовательность в работе:

Выбор светофильтра — если спектр поглощения анализируемого раствора не известен, то его приближенный вид определяют следующим образом. Заполняют кювету исследуемым раствором и измеряют его оптическую плотность, последовательно используя все светофильтры. По полученным данным строят кривую А = f (λ); выбирают область спектра, где оптическая плотность, во-первых, имеет максимальное значение и, во-вторых, мало изменяется с изменением длины волны. Выбирают такой светофильтр, у которого области максимального пропускания соответствует отмеченному выше участку спектра поглощения исследуемого раствора. Если эти условия выполняются для нескольких светофильтров, то выбирают тот из них, для которого чувствительность фотоэлемента выше. Светофильтр можно выбирать также по наибольшему значению измеренной оптической плотности раствора.

Выбор кюветы — определяется оптимальным диапазоном измеряемых оптических плотностей. Приборы ФЭК-56М, КФК комплектуются наборами кювет (табл. 2):

Таблица 2.

Характеристика кювет

Рабочая длина кюветы, мм

50

30

20

10

5

3

1

Объем кюветы, мл

20

14

9

5

2,3

1,4

0,5

Помимо этого, по дополнительному требованию заказчиков прибор КФК может комплектоваться для микроанализа держателем и комплектом микрокювет (табл. 3):

Таблица 3.

Характеристика микрокювет

Рабочая длина микрокюветы, мм

10

6

3

2

Объем кюветы, мл

0,40

0,20

0,12

0,08


4.4. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2

Назначение. Технические данные. Однолучевой фотоколориметр КФК-2 предназначен для измерения пропускания, оптической плотности и концентрации окрашенных растворов, рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в области спектра 315–980 нм. Пределы измерения пропускания 100—5% (А = 0–1.3). Основная абсолютная погрешность измерения пропускания 1%. Характеристики светофильтров представлены в табл. 4.

Таблица 4.

Спектральные характеристики светофильтров к фотоколориметру КФК-2

Маркировка на диске

Маркировка светофильтра

Длина волны, соответствующая максимуму пропускания, нм

Полуширина полосы пропускания, нм

1

315

315±5

35±15

2

364

364±5

25±10

3

400

400±5

45±10

4

440

440±10

40±15

5

490

490±10

35±10

6

540

540+10

25±10

7

J90

590±10

25±10

8

670

670±5

20±5

9

750

750±5

20±5

10

870

870±5

25±5

11

980

980±5

25±5

Прибор КФК-2 может комплектоваться широким набором прямоугольных кювет (табл. 5):

Таблица 5.

Наборы кювет для КФК-2

Набор кювет № 2 — основной

Рабочая длина кюветы, мм

50

30

20

10

5

Объем, мл

20

14

9

5

2,3

Набор кювет № 1

Рабочая длина кюветы, мм

20

10

5

3

1

Набор кювет № 3

Рабочая длина кюветы, мм

100

50

30

20

Набор микрокювет

Рабочая длина кюветы, мм

10

5

3

2

Объем, мл

0,4

0,2

0,12

0,08

Оптическая схема и общий вид прибора КФК-2. Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2 представлена на рис. 12.

Рис. 12. Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2

Свет от галогенной малогабаритной лампы (КГМ 6,3-15) 1 проходит последовательно через систему линз, теплозащитный 2, нейтральный 3, выбранный цветной 4 светофильтры, кювету 6 с раствором сравнения или с исследуемым раствором, попадает на пластину 6, которая делит световой поток на два: 10% света направляется на фотодиод (ФД-7К) 7 (при измерениях в области спектра 590-980 нм) и 90% — на фотоэлемент (Ф-26) 8 (при измерениях в области спектра 315-540 нм).

Общий вид прибора КФК-2 представлен на рис. 13.

Рис. 13. Общий вид прибора КФК-2.

В качестве регистрирующего прибора применяют микроамперметр 7 типа М-907, оцифрованный в микроамперах и имеющий шкалу 0—100 дел, соответствующую шкале пропускания Т, или М-907-10 со шкалой, оцифрованной в делениях пропускания и оптической плотности. На задней стенке крышки микроамперметра имеются гнезда для подключения цифрового вольтметра с пределом измерения 0,1 В.

Последовательность операций при определении концентрации вещества в растворе (выбор светофильтра, кювет, способа измерений) на приборе КФК-2 такая же, как и на фотоколориметре КФК.


4.5. Многоцелевой фотометр Spekol 10

Фирма Carl Zeiss Iena (Германия) выпускает многоцелевой однолучевой фотометр Spekol 10 с различными типами приставок. Прибор позволяет производить измерения пропускания или оптической плотности в диапазоне 340—850 нм. В качестве диспергирующего устройства используют прецизионную дифракционную решетку с 651 линиями на 1 мм; цена деления шкалы барабана длин волн 1 нм. Для измерения оптической плотности фотометр снабжен приставками и наборами кювет (табл. 6). Для проведения титрований растворов на основе измерений оптической плотности (фотометрическое титрование), помутнения или флуоресценции прибор комплектуется титровальной приставкой типа Ti, снабженной кюветой (1 - 2 см) с наименьшим титруемым объемом 15 мл.

Таблица 6.

Набор кювет и измерительных приставок к прибору Spekol 10

Обозначения кювет

Рабочая длина кюветы, см

Объем раствора (в мл) на 1 см толщины слоя

Тип измерительной пристпвки

Малая кювета

0.1, 0.2, 0.5, 1

1.2

ЕК 1

0.2, 0.3, 1, 2, 3, 5

0.8

ЕК 5

Микрокювета

1, 2, 3

0.1

ЕК Ti


5. Экспериментальная часть

5.1. Методика исследования

Таблетки рибофлавина 0,002 г

Состав на одну таблетку.

Рибофлавина - 0,002 г

Вспомогательных веществ - до получения таблеток весом 0,2 г

Описание. Таблетки желтого цвета, горьковатого вкуса.

Подлинность. 0,5 г порошка растертых таблеток взбалтывают с 50 мл воды и фильтруют. Фильтрат имеет яркую зеленовато-желтую окраску. При просматривании в ультрафиолетовом свете обнаруживается интенсивная зеленая флюоресценция, исчезающая при добавлении соляной кислоты или щелочи; при добавлении гидросульфита натрия исчезает и флюоресценция и окраска.

Количественное определение. Точную навеску порошка растертых таблеток, содержащую около 0,012 г рибофлавина, растворяют при нагревании на водяной бане в 350 мл воды, подкисленной 1 мл ледяной уксусной кислоты в мерной колбе емкостью 500 мл. После охлаждения объем раствора доводят водой до метки, перемешивают и фильтруют. 10 мл фильтрата переносят в мерную колбу емкостью 50 мл, прибавляют 1,8 мл 0,1 M раствора ацетата нагрия, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Измеряют оптическую плотность полученного раствора на фотоэлектроколориметре в кювете с толщиной слоя 1 см при длине волны 445 нм.

Содержание C17H20N406 должно быть 0,0018—0,0022 г, считая на средний вес одной таблетки.

Хранение. В защищенном от света месте.


5.2. Результаты исследования

Название и лекарственная форма препарата

Пока-затель

№ п/п

Методика исследования

Результат

Таблетки рибофлавина 0,002 г

Подлин-ность

1

0,5 г порошка растертых таблеток взбалтывают с 50 мл воды и фильтруют. Фильтрат имеет яркую зеленовато-желтую окраску. При просматривании в ультрафиолетовом свете обнаруживается интенсивная зеленая флюоресценция, исчезающая при добавлении соляной кислоты или щелочи; при добавлении гидросульфита натрия исчезает и флюоресценция и окраска.

Соответ-ствует

Таблетки рибофлавина 0,002 г

Количес-твенное опреде-ление

2

Точную навеску порошка растертых таблеток, содержащую около 0,012 г рибофлавина, растворяют при нагревании на водяной бане в 350 мл воды, подкисленной 1 мл ледяной уксусной кислоты в мерной колбе емкостью 500 мл. После охлаждения объем раствора доводят водой до метки, перемешивают и фильтруют. 10 мл фильтрата переносят в мерную колбу емкостью 50 мл, прибавляют 1,8 мл 0,1 M раствора ацетата нагрия, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Измеряют оптическую плотность полученного раствора на фотоэлектроколориметре в кювете с толщиной слоя 1 см при длине волны 445 нм.

Содержание C17H20N406 должно быть 0,0018—0,0022 г, считая на средний вес одной таблетки.

Соответ-ствует


Выводы

Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами, составляют обширную группу абсорбционных оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализируемых веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:

  1.  Атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.
  2.  Молекулярный абсорбционный анализ, т.е. анализ поглощения света молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спетрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).
  3.  Анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия).
  4.  Люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.

Все эти методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они и имеют существенные различия.

Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, и их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

В фотометрических методах используют избирательное поглощение света молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энергия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате поглощения излучения молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией E1 в более высокое энергетическое состояние Е2. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул.

Фотометрические методы определения концентрации растворов основаны на сравнении поглощения при пропускании света стандартными и исследуемыми растворами. Степень поглощения света фотометрируемым раствором измеряют с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому (контрольному) раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все добавленные компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым веществом окрашенное соединение. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры.

Фотоэлектроколориметр – это оптический прибор, в котором монохроматизация потока излучения осуществляется с помощью светофильтров.

В колориметрах нужные спектральные диапазоны выделяются при помощи светофильтров, ограничивающих участки спектра, в которых могут проводится измерения.

Конкретная последовательность операций при измерении оптической плотности или пропускания зависит от конструкции колориметра.

Однако основные принципы остаются неизменными. Сначала устанавливают необходимую длину волны, выбирая светофильтр на колориметре. Затем устанавливают нуль. Для этого в световой поток помещают кювету со стандартным раствором. Изменяя ширину щели, добиваются того, чтобы показания прибора соответствовали величине, предусмотренной инструкцией. На следующем этапе стандартный раствор заменяют исследуемым и производят отсчет величины оптической плотности или пропускания.

При определении концентрации вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность:

• выбрать светофильтр;

• выбрать кювету;

• построить градуировочную кривую;

• измерить оптическую плотность исследуемого раствора и определить его концентрацию, используя градуировочную кривую.

Проанализированные таблетки рибофлавина 0,002 г по показателям идентификации соответствуют требованиям нормативно-технической документации.


Список использованной литературы

  1.  Фармацевтична хімія. Підручник для студентів вищ. фармац. начальних закладів і фарм. фак. вищих мед. навчальних закладів III-IV рівня акредитації / За заг. ред. П.О. Безуглого. – Вінниця: Нова книга, 2008. - 560 с.
  2.  Арзамасцев А.П. Фармакопейный анализ – М.: Медицина, 1971.
  3.  Беликов В.Г. Фармацевтическая химия. В 2 частях. Часть 1. Общая фармацевтическая химия: Учеб. для фармац. ин-тов и фак. мед. ин-тов. — М.: Высш. шк., 1993. - 432 с.
  4.  Глущенко Н. Н. Фармацевтическая химия: Учебник для студ. сред. проф. учеб. заведений / Н. Н. Глущенко, Т. В. Плетенева, В. А. Попков; Под ред. Т. В. Плетеневой. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 384 с.
  5.  Государственная фармакопея СССР, Х издание – под. ред. Машковского М.Д. Москва: “Медицина” – 1968, 1078 с.
  6.  Державна фармакопея України, перше видання – під. ред. Георгієвського В.П.. Харків: “РІРЕГ” – 2001, 531 с.
  7.  Драго Р. Физические методы в химии – М.: Мир, 1981
  8.  Кольтгоф И.М., Стенгер В.А. Объемный анализ В 2 томах – М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1950
  9.  Коренман И.М. Фотометрический анализ – М.: Химия, 1970
  10.  Коростелев П. П, Фотометрический и комплексометрический анализ в металлургии – М.: Металлургия, 1984, 272 с.
  11.  Логинова Н. В., Полозов Г. И. Введение в фармацевтическую химию: Учеб. пособие – Мн.: БГУ, 2003.-250 с.
  12.  Мелентьева Г. А., Антонова Л. А. Фармацевтическая химия. — М.: Медицина, 1985.— 480 с.
  13.  Мискнджьян С.П. Кравченюк Л.П. Полярография лекарственных препаратов. – К.: Вища школа, 1976. 232 с
  14.  Фармацевтическая химия: Учеб. пособие / Под ред. Л.П.Арзамасцева. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - 640 с.
  15.  Фармацевтический анализ лекарственных средств / Под общей редакцией В.А.Шаповаловой – Харьков: ИМП «Рубикон», 1995
  16.  Фармацевтичний аналіз: Навч. посіб. для студ. вищ. фармац. навч. закл. III—IV рівнів акредитації/П.О. Безуглий, В. О. Грудько, С. Г. Леонова та ін.; За ред. П.О. Безуглого,— X.: Вид-во НФАУ; Золоті сторінки, 2001.— 240 с.
  17.  Халецкий A.M. Фармацевтическая химия – Ленинград: Медицина, 1966
  18.  Эшворт М.Р. Титриметрические методы анализа органических соединений кн.1,2 – М.: Химия, 1972


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10133. Образ науки в философии позитивизма 50 KB
  Образ науки в философии позитивизма. В ХIХ в. О.Конт Дж. Милль Г.Спенсер разрабатывают позитивистскую концепцию науки. Позитивистский образ науки характеризуют: а представление о науке как эталоне познания радикальный сциентизм, б идея строгости и точности нау...
10134. Образ науки в философии неопозитивизма 38 KB
  Образ науки в философии неопозитивизма Следующая важная веха в формировании науковедения связана с неопозитивизмом в п.о. с деятельностью Венского Главой кружка был Морис Шлик входили в него Отто Нейрат Курт Гёдель Карл Гемпель Филипп Франк Альфред Айер Рудоль
10135. Русская философия о науке 43.5 KB
  Русская философия о науке. Особенность российского науковедения образуют три возобновляющиеся идеи. 1 Наука в России воспринималась как извне пришедшее в культуру иностранное нововведение. Она была завезена в Россию Петром 1. Сомнение в органичности науки в росси...
10136. Сущность и соотношение интернализма и экстернализма как теоретических моделей развития науки 36 KB
  Сущность и соотношение интернализма и экстернализма как теоретических моделей развития науки ЭКСТЕРНАЛИЗМ его сторонники считают что основными факторами определяющими рост знания являются социальные экономические технические и культурные причины и пот
10137. Направления и уровни экстерналистского анализа науки 29.5 KB
  Направления и уровни экстерналистского анализа науки. Экстернализм рассматривает науку как часть культуры своего времени и признает что на ее содержание существенно влияют негносеологические факторы: экономика политика религия мораль искусство психология ли
10138. Сущность и соотношение кумулятивизма и антикумулятивизма как теоретически моделей развития науки 38 KB
  Сущность и соотношение кумулятивизма и антикумулятивизма как теоретически моделей развития науки. Проще всего представить развитие науки как рост знаний: наука на каждом историческом этапе приобретает некоторое количество сведений откладывает их в свою копилку на...
10139. Формирование некумулятивной теоретической модели развития науки: К.Поппер, Т.Кун, И.Лакатос 42.5 KB
  Формирование некумулятивной теоретической модели развития науки: К.Поппер Т.Кун И.Лакатос. Некумулятивная модель развития науки сформировалась в середине ХХ в. Койре один из авторов стоящих у ее истоков, другие Г.Башляр К. Поппер Т. Кун И. Лакатос Дж. Холтон.
10140. Наука как вид познания. Понятия вненаучного знания 38 KB
  Наука как вид познания. Понятия вненаучного знания. Наука как познавательная деятельность. Как и другие способы познания наука возникает из практической деятельности людей. Она является непосредственным продолжением обыденного стихийно-эмпирического познания в х...
10141. Особенности научного знания. Основные подходы к проблеме критериев научности в современной философии наук 36.5 KB
  Особенности научного знания. Основные подходы к проблеме критериев научности в современной философии наук Проблема отличия науки от других форм познавательной деятельности – это проблема демаркации т.е. поиск критериев разграничения научного и ненаучного знаний....