Фотоэлектроколорометрия в фармацевтическом анализе
Понятие и классификация оптических методов анализа. Определение концентрации вещества по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения. Проведение фотоэлектроколориметрии двухкомпонентных систем. Виды фотоколориметров и правила работы на них.
| Рубрика | Химия |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.11.2014 |
| Размер файла | 2,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
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:
? * ? = С
где ? -- длина волны,
? -- 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 = ? * h,
где Е -- энергия фотона в эргах;
? -- 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 (ускорение 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 энергия 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 -- ?.
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:
Таблица 1
|
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 = ?х * Сх * lх
для стандартного раствора
Аст = ?ст * Сст * lст
Разделив одно выражение на другое, получим:
Ах / Аст = ?х * Сх * lх / (?ст * Сст * lст)
Так как измерения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов производили в одной и той же кювете, то lх = lст; молярный коэффициент светопоглощения ? 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:
?ср = 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 ? (в большинства случаев ? = ?макс светопоглощающего соединения) соблюдался основной закон светопоглощения, т. е. график А = f (С) был прямолинейным; При фотоколориметрических определениях выбор светофильтра (значения ? = ?макс) 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).
Рис. 1.
Полученная кривая называется градуировочной (градуировочным графиком). Периодически (раз в неделю или реже) ее проверяют по двум-трем свежеприготовленным стандартным растворам.
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 ?А = А -- АR (где А и АR -- средние значения при разных концентрациях) и строят график или рассчитывают уравнение зависимости ?А = 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+a - Аx) * 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 0Сх 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:
Сх = Са *
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
Сх = Са * ((Ах - Аn )/ (Ах+а - Ах+а)) * (n / (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:
Сх = (Са * (А'х * Ах+пр - А'х+пр * А'х))/(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
?'х / ?''х = ?'пр / ?''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 для 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 концентрацию 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 ? = 550 нм (зеленый светофильтр), когда свет поглощает лишь один перманганат-ион, и при ? = 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 (? = 430 нм) (рис. 8, кривые 1, 2), а для растворов перманганат-иона -- с зеленым светофильтром (? = 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 (?Ах(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 ? = 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 (?Ах(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.
оптический светопоглощение фотоэлектроколориметрия
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 фотометрируемый 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 растворов, 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 спектральной 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.
Подобные документы
Классификация методов титриметрического анализа. Посуда в титриметрическом анализе и техника работы с ней. Способы выражения концентрации растворов. Взаимосвязь различных способов выражения концентрации растворов. Молярная концентрация эквивалента.
реферат [40,8 K], добавлен 23.02.2011Классификация методов количественного анализа. Химическая посуда и оборудование в гравиметрическом анализе; правила обращения с аналитическими весами. Расчет навески исследуемого вещества и количества осадителя. Способы определения железа в растворах.
практическая работа [2,2 M], добавлен 22.04.2012Классификация электрохимических методов анализа. Потенциометрическое определение концентрации вещества в растворе. Принцип кондуктометрии. Типы реакций при кондуктометрическом титровании. Количественный полярографический анализ. Прямая кулонометрия.
курсовая работа [41,8 K], добавлен 04.04.2013Исследование возможности применения фотометрических реакций в фармацевтическом анализе для различных групп лекарственных веществ. Реакция с реактивом Марки. Приборы и компоненты для анализа. Реакция диазотирования, азосочетания и комплексообразования.
курсовая работа [516,4 K], добавлен 25.04.2015Методы фармацевтического анализа и их классификация. Отличительные особенности полярографического метода анализа. Схема полярографической установки. Условия проведения полярографического анализа и его применение при контроле лекарственных средств.
реферат [113,0 K], добавлен 25.06.2015Общие положения спектрофотометрического метода анализа. Отклонение от основного закона светопоглощения. Немонохроматичность и влияние рассеянного света. Приборы, применяемые в спектрофотомерии. Роданидные соединения в спектрофотометрическом анализе.
курсовая работа [317,0 K], добавлен 21.02.2011Проверка аддитивности светопоглощения компонентов в искусственных смесях. Одновременное экстракционно-фотометрическое определение элементов Ni, Co, Fe, Cu с ПАН. Применение поверхностно-активных веществ в многокомпонентном спектрофотометрическом анализе.
курсовая работа [339,7 K], добавлен 25.06.2011Качественная реакция на отделение кобальта. Определение нормальности раствора; концентрации и количество вещества, выделяемого на электроде. Условия съемки полярограмм в вольтамперометрии. Сущность атомно-эмисссионного оптического спектрального анализа.
контрольная работа [596,7 K], добавлен 04.02.2011Зависимость аналитического сигнала от содержания определяемого вещества. Примеры инструментальных методов анализа. Типичные градуировочные графики для инструментальных методов кондуктометрического анализа. Электропроводность растворов электролитов.
методичка [348,5 K], добавлен 19.03.2012Характеристика, классификация и химические основы тест-систем. Средства и приёмы анализа различных объектов окружающей среды с использованием тест-систем. Определение ионов кобальта колориметрическим методом из растворов, концентрации ионов меди.
дипломная работа [304,6 K], добавлен 30.05.2007
