Колориметрия (химический метод). Методы анализа колориметрические Какова сущность метода концентрационной колориметрии

Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?

Колориметрическим (от английского соlоиr – цвет) называется метод анализа, основанный на сравнении качественного и количественного изменения потоков видимого света при их прохождении через исследуемый раствор и раствор сравнения. Определяемый компонент при помощи химико-аналитической реакции переводится в окрашенное соединение, после чего измеряется интенсивность окраски полученного раствора. При измерении интенсивности окраски проб с помощью прибора фотоколориметра метод называется фотоколориметрическим. Соответственно, при измерении интенсивности окраски визуальным способом (например, оценивая интенсивность окраски сравнительно с каким-либо образцом) метод называется визуально-колориметрическим.

Основной закон колориметрии – закон Бугера-Ламберта-Бера (с ним можно познакомиться подробнее в любом справочнике по колориметрическим методам анализа или в элементарном курсе физики) записывается следующим образом:

где D – оптическая плотность раствора;

I о и I – интенсивность светового потока, попадающего на раствор (I о) и прошедшего через раствор (I):

ε – коэффициент светопоглощения (величина, постоянная для данного окрашенного вещества), л × г-моль -1 см -1 ;

C – концентрация окрашенного× вещества в растворе, г-моль/л;

l – толщина поглощающего свет слоя раствора (длина оптического пути), см.

После обработки пробы и добавления к ней реагентов пробы приобретают окраску. Интенсивность окраски является мерой концентрации анализируемого вещества. При выполнении анализа визуально-колориметрическим методом (рН, железо общее, фторид, нитрат, нитрит, аммоний, сумма металлов) определение проводится в колориметрических пробирках с меткой «5 мл» либо в склянках с меткой «10 мл».

Колориметрические пробирки представляют собой обычные, широко используемые в лабораториях, пробирки из бесцветного стекла, имеющие внутренний диаметр (12,8±0,4) мм. Колориметрические пробирки могут иметь несколько меток («5 мл», «10 мл»), показывающих объем (и, следовательно, высоту), до которого следует наполнить пробирку пробой, чтобы обеспечить удобные и близкие условия для визуального колориметрирования. Обычно колориметрические пробирки стараются подобрать одинаковой формы и диаметра, т.к. от последних зависит высота слоя окрашенного раствора. Аналогично подбираются и склянки для колориметрирования (обычно это аптекарские флаконы диаметром до 25 мм).

Наиболее точные результаты при анализе визуально-колориметрическим методом достигаются, если сравнивать окраску пробы с окраской модельных эталонных растворов. Их приготавливают заранее с помощью реактивов-стандартов по методикам, приведенным в приложении 1. Следует иметь в виду, что возникающие в процессе колориметрических реакций окраски обычно малоустойчивы, поэтому при описании приготовления растворов приводят, при необходимости, и сроки их хранения.

Для упрощения визуального колориметрирования при полевых анализах окраску раствора-пробы можно сравнивать не с эталонными растворами, а с нарисованной контрольной шкалой, на которой образцы воспроизводят окраску (цвет и интенсивность) модельных эталонных растворов, приготовленных с соблюдением заданных значений концентрации целевого компонента.

За результат анализа при визуальном колориметрировании принимают то значение концентрации компонента, которое имеет ближайший по окраске образец контрольной шкалы либо модельного эталонного раствора. Результат анализа представляют в виде:

«близко (значение концентрации по шкале) мг/л (мг-экв/л)».

В случае, когда окраска раствора-пробы в колориметрической пробирке окажется имеющей промежуточную интенсивность между какими-либо образцами на контрольной шкале, результат анализа записывают в виде:

«от _____ до ______ мг/л (мг-экв/л)».

Если окраска раствора-пробы в колориметрической пробирке окажется интенсивнее крайнего образца на шкале с максимальной концентрацией, проводят разбавление пробы. После повторного колориметрирования вводят поправочный коэффициент для учета степени разбавления пробы. Результат анализа в этом случае записывают в виде:

«более (значение максимальной концентрации по шкале) мг/л (мг-экв/л)».

Окрашенные пробы, полученные при выполнении анализов, можно колориметрировать также с помощью фотоэлектроколориметров. При таком способе определяют оптическую плотность растворов-проб в стеклянных кюветах с длиной оптического пути 1 – 2 см из комплекта фотоэлектроколориметра (можно использовать и кюветы с большей длиной оптического пути, однако в этом случае следует проводить анализ с увеличенным в 2-3 раза объемом пробы). Приборное колориметрирование позволяет существенно повысить точность анализа, однако требует большей тщательности и квалификации в работе, предварительного построения градуировочной характеристики (желательно не менее 3 построений). При этом измеряют значения оптической плотности модельных эталонных растворов (см. приложение 1). При анализах полевыми методами в экспедиционных условиях удобно фотометрировать пробы с помощью полевых колориметров.

Методы анализа, основанные на сравнении интенсивности окрасок исследуемого раствора и раствора определенной концентрации - стандартного, называются колориметрическими (колориметрией). Различают визуальную колориметрию, осуществляемую при помощи глаза наблюдателя, и фотоэлектрическую колориметрию, осуществляемую при помощи фотоэлемента.

Если пропустить через слой раствора пучок света с интенсивностью I0, то после прохождения через этот слой интенсивность света уменьшится до It. Уравнение основного закона колориметрии - закона Бугера-Ламберта-Беера - имеет следующий вид:

где It - интенсивность светового потока после прохождения через раствор концентрацией С и толщиной слоя l; I0 - интенсивность падающего светового потока; g - коэффициент, зависящий от длины волны падающего света, природы растворенного вещества и температуры раствора; коэффициент g называют молярным коэффициентом погашения. Отношение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор It к интенсивности падающего светового потока I0 называется пропусканием, или прозрачностью, и обозначается буквой T:

Величина Т, отнесенная к толщине слоя в 1 см, называется коэффициентом пропускания. Логарифм величины, обратной пропусканию, носит название погашения (экстинции) Е, или оптической плотности D:

Следовательно, погашение Е прямо пропорционально концентрации вещества в растворе. Если графически изобразить зависимость погашения от концентрации, откладывая по оси абсцисс концентрацию, а по оси ординат - погашение, то получим прямую линию, идущую от начала координат (рис. 52).

Такой график дает возможность сделать заключение о применимости к исследуемым растворам основного закона колориметрии. Если раствор подчиняется этому закону, то график, выражающий зависимость погашения; от концентрации, будет представлен прямой линией. Если раствор этому закону не подчиняется, то прямолинейность нарушается на каком-то участке кривой или на всей ее длине.

Методы визуальной колориметрии

Визуальная колориметрия осуществляется по одному из следующих методов: 1) метод стандартных серий; 2) метод колориметрического титрования или дублирования; 3) метод уравнивания окраски. Первые два из них не требуют соблюдения основного закона колориметрии; метод уравнивания окрасок требует подчинения растворов основному закону колориметрии.

Метод стандартных серий

Сущность метода. При колориметрировании по методу стандартных серий исследуемый раствор в слое определенной толщины сравнивают с набором стандартных растворов такой же толщины слоя, отличающихся один от другого по интенсивности окраски примерно на 10-15%. Неизвестная концентрация равна концентрации стандартного раствора, окраска которого совпадает с окраской исследуемого раствора или находится между двумя ближайшими более слабо или более сильно окрашенными. Методом стандартных серий можно пользоваться для определения содержания в ректификованном спирте альдегидов, сивушного масла, метилового спирта. Окраску сравнивают в пробирках с притертыми пробками одинакового диаметра из бесцветного стекла одинаковой толщины. Колориметрические пробирки помещают в специальный штатив (рис. 53) и на фоне матового стекла или листа белой бумаги сравнивают окраску исследуемого раствора с окраской типовых растворов. При пользовании пробирками с плоским дном окраски можно сравнивать, рассматривая растворы сверху. Это особенно удобно при работе со слабоокрашенными растзорами.

1) типовые растворы изоамилового спирта с содержанием его 0,0005; 0,001; 0,002 и 0,003% об. в 96%-ном этиловом спирте, не содержащем сивушного масла и альдегидов;

2) 0,05%-ный раствор парадиметиламинобензальдегида в концентрированной х. ч. серной кислоте относительной плотностью 1,835.

Ход анализа. Отмеряют градуированной пипеткой на 1 мл 0,5 мл исследуемого спирта и помещают в чистую сухую плоскодонную колбу с длинным горлышком, куда прибавляют из измерительного цилиндра 10 мл раствора парадиметиламинобензальдегида. Содержимое перемешивают, колбу погружают в кипящую водяную баню и выдерживают при кипении воды ровно 20 мин. В качестве водяной бани применяют стеклянный химический стакан емкостью 300 мл. Горло колбы при кипячении должно быть в наклонном положении. По истечении 20 мин колбу быстро охлаждают в проточной воде. При этом содержимое колбы приобретает светло-желтоваторозовую окраску, переходящую в розовую различной интенсивности в зависимости от содержания сивушного масла.

Содержимое колбы переливают в пробирку с притертой пробкой. Окраску исследуемого спирта сравнивают с окраской типовых растворов, подвергнутых той же обработке, что и исследуемый спирт. По совпадению окрасок определяют содержание сивушного масла в исследуемом спирте.

Метод колориметрического титрования

В методе колориметрического титрования определенный объем исследуемого окрашенного раствора неизвестной концентрации сравнивают с таким же объемом воды, к которой добавляют окрашенный стандартный раствор определенной концентрации. Добавляют раствор из бюретки (титруют) до уравнивания окраски с исследуемым раствором. В технохимическом контроле бродильных производств этот метод применяют для определения цветности пива, которую выражают в миллилитрах 0,1 н. раствора йода, добавленных к 100 мл дистиллированной воды для уравнивания окраски со 100 мл пива. Ход работы. Определение это проводят следующим образом. Два одинаковых химических стакана емкостью 150-200 мл ставят на лист белой бумаги или на белую фарфоровую пластинку. В один наливают 100 мл пива, в другой - 100 мл дистиллированной воды. В стакан с водой приливают из бюретки при помешивании 0,1 н. раствор йода до тех пор, пока цвет жидкостей не станет одинаковым при рассматривании как сверху, так и сбоку (через жидкость).

Метод уравнивания окраски

Представим себе, что имеются два окрашенных раствора, содержащих одно и то же окрашенное вещество, но в разных концентрациях. Погашение каждого из растворов будет соответственно равно

Изменяя толщину слоя этих растворов (l), можно добиться такого состояния, при котором, несмотря на различные концентрации, интенсивность светового потокa, прошедшего через оба раствора, будет одинакова - наступит оптическое равновесие. Это случится тогда, когда оба раствора будут поглощать одну и ту же долю света, т.е. когда погашения растворов будут равны; при этом Е1 = Е2 и eC1l1 = еС2l2. Коэффициент погашения е обоих растворов один и тот же (в растворе содержится одно и то же вещество). Следовательно,

т.е. толщины слоев растворов при одинаковой наблюдаемой окраске обратно пропорциональны концентрациям растворов. Эта зависимость между толщиной слоя и концентрацией лежит в основе метода уравнивания окраски.

Уравнивание окрасок проводят в специальных приборах - колориметрах. Весьма распространенным является колориметр погружения системы Дюбоска. Оптическая схема этого колориметра такова (рис. 54). Световой поток от зеркала 1 проходит через слой исследуемого раствора в кювете 2, погружатель 4, призму 6, линзы 8 и 9 и попадает в окуляр, освещая правую половину оптического поля. Другой световой поток проходит через слой стандартного раствора в кювете 3, погружатель 5, призму 7, линзы 8 и 9 и попадает в окуляр, освещая левую половину оптического поля. Изменяя с помощью кремальер высоты столбов растворов, добиваются оптического равновесия - исчезновения границы раздела. Общий вид колориметра показан на рис. 55.

Цветность ликеро-водочных изделий определяют цветомером, представляющим собой колориметр погружения типа Дюбоска у которого одна из кювет заменена рамкой, на которую помещается соответствующий сухой цветной эталон. Твердые цветные эталоны - это ацетатная пленка, окрашенная стойкими химическими красителями.

Для измерения цветности исследуемого изделия его после фильтрации наливают в кювету 1 цветомера (рис. 56), а на специальную подставку кладут соответствующий эталон 2. Лучи света, пройдя кювету с исследуемым раствором и цветной эталон, поступают через призмы 3 и 4 в камеру 5 с двумя призмами, которые направляют лучи света в зрительную трубу 6. В зрительной трубе наблюдают поле, одна половина которого освещена лучом, проходящим через исследуемое изделие. Равномерной окраски обоих сегментов поля достигают поднятием или опусканием кюветы 1 при помощи кремальеры.

После уравнивания окраски в обоих сегментах поля зрения по шкале прибора отсчитывают высоту столба жидкости в миллиметрах и сравнивают ее с высотой столба, утвержденной для заданного изделия. Так, для апельсинового ликера применяют эталон №7, высота столба по шкале цветомера должна составлять 33 мм, для шоколадного ликера - эталон №14, высота столба 26 мм. Указанные данные для всех ликеро-наливочных изделий приведены в инструкции по технохимическому контролю ликеро-водочного производства. Если полученные цифры равны или разнятся между собой на ±5, то считают, что цвет исследуемого изделия соответствует утвержденному образцу. Если полученная высота больше утвержденной, изделие недокрашено, если меньше, то перекрашено.

В наборе эталонов имеются бесцветные светофильтры-компенсаторы, которые служат для уравнения натуральной яркости цветов некоторых изделий с яркостью окраски цветного светофильтра. Компенсатор накладывают на световое отверстие цветомера под кювету с изделием.

Фотоколориметрический метод

Данный метод описан в главе книги "Технохимический контроль овощесушильного и пищеконцентратного производства".

Колориметрическое определение содержания углеводов в полупродуктах спиртового производства (метод ВНИИСЛа)

Реактивом для определения содержания углеводов колориметрическим методом в полупродуктах спиртового производства является раствор антрона в х. ч. серной кислоте относительной плотностью 1,830 (концентрацией 0,2% мас.). В сильно кислой среде глюкоза разлагается с образованием фурфурольных производных, которые реагируют с антроном, образуя комплексное соединение зеленого цвета. Указанным методом определяют суммарное количество углеводов, и данные получают в единицах глюкозы. Проводить предварительный гидролиз полисахаридов в глюкозу не требуется, так как реакция с антроном протекает в сильно кислой среде; при этом полисахариды гидролизуются до моносахаридов, которые и реагируют с антроном.

Для определения содержания углеводов необходимо построить градуировочную кривую на растворах х. ч. глюкозы концентрацией 5-10 мг/100 мл (рис. 59). Градуировочную кривую строят следующим образом. Готовят растворы х. ч. глюкозы концентрацией от 5 до 10 мг в 100 мл раствора через каждый миллиграмм. Затем в пробирку из тугоплавкого стекла емкостью 20 мл наливают 5 мл реактива и осторожно добавляют туда 2,5 мл приготовленного раствора глюкозы так, чтобы образовалось два слоя. Пробирку закрывают притертой пробкой, содержимое ее быстро перемешивают и помещают пробирку в кипящую водяную баню на 6 мин. По истечении этого времени пробирку вынимают из бани, реакционную смесь охлаждают до 20° С и окрашенный раствор колориметрируют в фотоколориметре с применением светофильтра с длиной световой волны 610 нм и кюветы с длиной грани 5 мм. Измерения начинают с наиболее концентрированного раствора (в данном примере 10 мг глюкозы в 100 мл раствора). Оптическую плотность измеряют с помощью левого барабана. Измерив оптическую плотность всех растворов, строят градуировочную кривую, откладывая по оси абсцисс известные концентрации, а по оси ординат - соответствующие им оптические плотности. Как видно из приведенной кривой (см. рис. 59), оптическая плотность увеличивается пропорционально концентрации глюкозы в растворе. Эта зависимость выражается прямой линией.

Для определения углеводов исследуемый раствор разбавляют до содержания их 5-10 мг в 100 мл раствора и проводят определение таким образом: в пробирку наливают 5 мл реакционной смеси, затем осторожно добавляют 2,5 мл исследуемого раствора так, чтобы образовались два слоя. В дальнейшем поступают, как и при построении градуировочной кривой. Определив оптическую плотность D по градуировочной прямой находят содержание глюкозы в растворе. Содержание глюкозы в растворе можно также подсчитать по уравнению

которое является уравнением градуировочной прямой и составлено по координатам этой прямой.

Обычно оптическую плотность определяют в кювете с длиной грани 5 мм. Если же раствор глюкозы будет очень концентрированным, то после реакции с антроном получится слишком интенсивно окрашенный раствор, оптическая плотность которого будет больше предельной оптической плотности барабана фотоколориметра и нельзя будет определить ее значение; при сильно разбавленном растворе глюкозы значение оптической плотности будет мало и ошибка определения значительна. В обоих случаях следует повторить анализ, изменив соответствующим образом разведение раствора. Можно также, не повторяя анализа, определить оптическую плотность, применив при колориметрировании другую кювету: для сильно окрашенных растворов с длиной грани 3 или 1 мм, для слабоокрашенных - 10 или 20 мм. Получив оптическую плотность в других кюветах, нельнельзя определять содержание глюкозы по градуировочной прямой, составленной применительно к кювете с длиной грани 5 мм. Необходимо предварительно подсчитать величину оптической плотности раствора, которая получается при этой длине грани кюветы по уравнению

где D5 - оптическая плотность раствора, полученная с применением кюветы с длиной грани 5 мм; Dx - оптическая плотность раствора, полученная в кювете с длиной грани а мм.

Указанный метод применим для растворов, содержащих глюкозные остатки, в которых отсутствуют пентозы и пентозаны.

Определение содержания растворимых несброженных углеводов в зерно-картофельной зрелой бражке (метод ВНИИСЛа)

В зерно-картофельной зрелой бражке наряду с углеводами, которые могут быть превращены в спирт (крахмалом, декстринами, мальтозой, глюкозой), содержатся также пентозы и пентозаны, которые в спирт не превращаются. При определении химическим методом находят общее количество углеводов. Между тем очень важно знать содержание в бражке сбраживаемых углеводов, которые могли сбродить, но не сбродили из-за неполного осахаривания и брожения, - так называемых несброженных углеводов. До последнего времени их определяли по разности между общим количеством углеводов и пентоз; определение пентоз (см. стр. 82) сравнительно сложно и длительно. Колориметрический анализ дает возможность провести прямое определение несброженных углеводов в бражке.

Известно, что антрон дает окрашивание со всеми углеводами, в том числе и с пентозами. Однако антроновая реакция примерно в 12 раз менее чувствительна при определении пентоз, чем при анализе гексоз. ВНИИСЛ разработал новую модификацию антронового метода, в которой устранено влияние пентоз и пентозанов на результаты анализа. Эта модификация основана на следующем законе колориметрии: оптическая плотность смеси компонентов равна сумме произведений коэффициентов погашения отдельных компонентов на их концентрацию

где D - оптическая плотность смеси, равная lg0/l. Здесь l0 - интенсивность исходного света; l - интенсивность света, прошедшего через раствор; e1, e2, ..., en - коэффициенты погашения;

Здесь D - оптическая плотность компонента, С - концентрация компонента в растворе, l - длина грани кюветы.

Оптическая плотность раствора зависит от длины волны. При разработке метода были подобраны две волны. При одной из них первый компонент (глюкоза) имеет интенсивную полосу, а второй (арабиноза) поглощает лишь очень слабо. При другой длине волны должна быть обратная картина. На основании проведенных исследований были выбраны для колориметрирования светофильтры с длиной световой волны 610 и 413 нм.

Определение содержания несброженных углеводов в бражке проводят следующим образом. Взвешивают навеску 25 г фильтрата бражки в стаканчике, переносят ее в мерную колбу емкостью 200 мл. Стаканчик ополаскивают водой и промывные воды сливают в ту же колбу. Затем в колбу добавляют для осветления 2 мл 30%-ного раствора сернокислого цинка, перемешивают, выдерживают 2-3 мин и добавляют 2 мл 15%-ного раствора желтой кровяной соли и снова перемешивают. Объем раствора доводят дистиллированной водой до метки.

Раствор фильтруют в сухую колбу. Первые 20-30 мл фильтрата выливают, а последующие порции используют для анализа. Фильтрат вторично разбавляют с таким расчетом, чтобы в 100 мл раствора содержалось углеводов от 5 до 12 мг. Для определения в пробирку емкостью 20 мл с притертой пробкой наливают 10 мл антронового реактива и осторожно добавляют 5 мл исследуемого раствора таким образом, чтобы жидкости не смешивались, а получилось два слоя; пробирку закрывают притертой пробкой. Параллельно готовят холостой раствор, добавляя к 10 мл реактива 5 мл дистиллированной воды. Содержимое пробирок энергично перемешивают в течение 10 сек и погружают в бурно кипящую водяную баню. Кипение должно возобновиться в течение 0,5 мин с момента погружения пробирок в баню. Замечают начало кипения воды в бане и выдерживают 5,5 мин для проведения реакции. После выдерживания пробирки охлаждают в бане с проточной водой до 20° С. Определяют оптическую плотность полученного раствора на левом барабане фотоэлекгроколориметра с применением двух светофильтров: оранжевого с длиной волны Л=610 нм и синефиолетового с Л=413 нм в кювете с длиной грани 5 мм. Кювету ополаскивают 2-3 раза исследуемым раствором, затем заполняют ее так, чтобы жидкость не доходила до краев на 5 мм. Внешние стенки кюветы обмывают струей воды и вытирают сухой фильтровальной бумагой. Таким же образом наливают холостой раствор в две другие кюветы такого же размена и проводят определение оптической плотности.

По значениям оптической плотности находят содержание растворимых несброженных углеводов по уравнениям:

Где D1 - оптическая плотность при светофильтре с длиной волны Л = 610 нм; D2 - оптическая плотность при светофильтре с длиной волны Л = 413 нм; n - коэффициент разведения.

Интенсивность окраски растворов можно измерять различными методами. Различают субъективные (или визуальные) методы колориметрии и объективные (или фото колориметрические).

Визуальными называются такие методы, при которых оценку интенсивности окраски испытуемого раствора делают невооруженным глазом.

При объективных методах колориметрического определения для измерения интенсивности окраски испытуемого раствора вместо непосредственного наблюдения пользуются фотоэлементами. Определение в этом случае проводят в специальных приборах - фотоколориметрах, откуда и метод получил название фотоколориметрического.

Визуальные методы. К визуальным методам относятся:

1) метод стандартных серий;

2) метод дублирования (колориметрическое титрование);

3) метод уравнивания.

Метод стандартных серий. При выполнении анализа методом стандартных серий интенсивность окраски анализируемого окрашенного раствора сравнивают с окрасками серии специально приготовленных стандартных растворов (при одинаковой толщине слоя).

Колориметрическое титрование (метод дублирования). Этот метод основан на сравнении окраски анализируемого раствора с окраской другого раствора - контрольного. Для приготовления контрольного раствора готовят раствор, содержащий все компоненты исследуемого раствора, за исключением определяемого вещества, и все употреблявшиеся при подготовке пробы реактивы, и к нему добавляют из бюретки стандартный раствор определяемого вещества. Когда этого раствора будет добавлено столько, что интенсивности окраски контрольного и анализируемого раствора уравняются, считают, что в анализируемом растворе содержится столько же определяемого вещества, сколько его было введено в контрольный раствор.

Метод уравнивания. Этот метод основан на уравнивании окрасок анализируемого раствора и раствора с известной концентрацией определяемого вещества - стандартного раствора.

Существуют два варианта выполнения колориметрического определения этим методом.

По первому варианту уравнивание окрасок двух растворов с разной концентрацией окрашенного вещества проводят путем изменения толщины слоев этих растворов при одинаковой силе проходящего через растворы светового потока. При этом, несмотря на различие концентраций анализируемого и стандартного растворов, интенсивность светового потока, проходящего через оба слоя этих растворов, будет одинакова.

Соотношение между толщинами слоев и концентрациями окрашенного вещества в растворах в момент уравнивания окрасок будет выражаться уравнением:

где - толщина слоя раствора с концентрацией окрашенного вещества ; - толщина слоя раствора с концентрацией окрашенного вещества .

В момент равенства окрасок отношение толщин слоев двух сравниваемых растворов обратно пропорционально отношению их концентраций.

На основании приведенного уравнения, измерив толщину слоев двух одинаково окрашенных растворов и зная концентрацию одного из этих растворов, легко можно рассчитать неизвестную концентрацию окрашенного вещества в другом растворе.

Для измерения толщины слоя, через который проходит световой поток, можно применять стеклянные цилиндры или пробирки, а при более точных определениях специальные приборы - колориметры.

По второму варианту, для уравнивания окрасок двух растворов с различной концентрацией окрашенного вещества, через слои растворов одинаковой толщины пропускают световые потоки различной интенсивности.

В этом случае оба раствора имеют одинаковую окраску, когда отношение логарифмов интенсивностей падающих световых потоков равно отношению концентраций.

В момент достижения одинаковой окраски двух сравниваемых растворов, при равной толщине их слоев, концентрации растворов прямо пропорциональны логарифмам интенсивностей падающего на них света.

По второму варианту определение может быть выполнено только с помощью колориметра.

Фотоколориметрические методы. Все фотоколориметрические методы определения основаны на одном общем принципе. Световой поток проходит через кювету или пробирку, наполненную испытуемым окрашенным раствором. Прошедший через раствор световой поток воспринимается фотоэлементом, в котором световая энергия превращается в электрическую. Возникающий при этом электрический ток измеряют при помощи чувствительного гальванометра. Как показал А. Г. Столетов, сила электрического тока, возникающего при действии световой энергии на фотоэлементу прямо пропорциональна интенсивности освещения.

Для определения этим методом концентрации исследуемого вещества измеряют оптическую плотность испытуемого раствора и эталонного раствора, концентрация которого известна . Расчет проводят по формуле:

Основными преимуществами фотоколориметрических методов измерения интенсивности окраски являются быстрота и легкость определений при высокой их точности.

Нашей промышленностью выпускаются фотоколориметры марки ФЭК-М, в которых интенсивности световых потоков измеряются с помощью селеновых фотоэлементов. Действие прибора основано на принципе уравнивания интенсивности двух световых потоков при помощи щелевой диафрагмы. Подробное изложение конструкции прибора и порядок работы на нем даются в прилагаемых к прибору паспорте и инструкции.

Построение калибровочной кривой. При массовых фотоколориметрических анализах, определяя концентрацию испытуемого раствора, не сравнивают каждый раз его светопоглощение со светопоглощением эталонного раствора, а предварительно строят так называемую калибровочную кривую. Для этого пользуются серией эталонных растворов различной концентрации. Имея такую кривую, при определении концентрации испытуемого раствора достаточно измерить его светопоглощение и по калибровочной кривой найти величину концентрации, соответствующую найденному светопоглощению.

Для построения калибровочной кривой нужно приготовить серию эталонных растворов, содержащих разные количества определяемого вещества. Сначала приготовляют стандартный раствор, содержащий строго определенное количество исследуемого вещества. С помощью бюретки отбирают в мерные колбы емкостью различные, точно измеренные объемы этого стандартного раствора и соответствующих реактивов, вызывающих окраску анализируемого раствора. Затем содержимое каждой мерной колбы разбавляют дистиллированной водой, доводя объем раствора до метки.

С помощью фотоколориметра измеряют оптические плотности приготовленных эталонных растворов и результаты измерений записывают в виде таблицы.

Пример такой записи приведен ниже:

На основании полученных результатов строят кривую зависимости оптической плотности раствора от его концентрации. Это и есть калибровочная кривая (рис. 91).

Рис. 91. Зависимость оптической плогности раствора от концентрации (калибровочная кривая).

Для ее построения на миллиметровой бумаге откладывают по оси абсцисс значения концентраций эталонных растворов, а по оси ординат - величины их оптических плотностей. Затем из точек, найденных на осях, восстанавливают перпендикуляры, и точки их пересечения соединяют одной линией.

Колориметрия как метод химического анализа применяется для определения концентрации определенного вещества в растворе. Метод позволяет работать с окрашенными растворами или растворами, которые можно сделать окрашенными в результате определенной химической реакции.

Основы колориметрии

Химические методы анализа с помощью колориметрии основаны на законе Бугера-Ламберта-Веера, который гласит, что интенсивность окраски зависит от концентрации окрашенного вещества в растворе и от толщины слоя жидкости.

С помощью различных методик колориметрии можно оценивать количественное содержание определенных веществ в растворе с достаточно высокой точностью - обычно она составляет 0,1-1 %. Эта точность, как правило, не уступает точности, с которой определяют концентрации в результате гораздо более сложных и дорогих химических анализов, и достаточна для многих задач - не только производственных, но и экспертного характера. Колориметрическими методами можно определять концентрации веществ вплоть до 10−8 моль/л.

Колориметрические методы используют визуальное сравнение или сравнение с помощью приборов - фотоколориметров или спектрофотометров. Сравнение производится прямым или компенсационным методами.

Прямой метод

Прямой метод предусматривает сравнение степени окрашиваемости исследуемого раствора при определенной температуре и в определенном слое жидкости с эталонным раствором. Эталон содержит точно известное количество окрашивающего вещества при той же температуре и в том же слое жидкости.

Иногда сравнение производится с дистиллированной водой. Как правило, подобные методы опираются на применение фотоколориметров или спектрофотометров. Эти приборы измеряют силу тока, зависящую от интенсивности излучаемого света, пропущенного через исследуемый раствор.

Точность аппаратного измерения выше, чем визуального. Применяют также визуальный метод сравнения интенсивности окраски раствора с эталонными растворами, концентрация вещества в которых известна.

Компенсационный метод

Компенсационный метод основан на доведении окраски исследуемого образца до эталонной. Растворы, с помощью различных оптических приспособлений - зеркал, стекол и призм помещают в приборе таким образом, чтобы они совмещались в поле зрения исследователя. Глаз способен с высокой точностью фиксировать одинаковость окраски двух образцов. В некоторых приборах задача облегчается тем, что при совпадении интенсивности окраски исчезает визуальная граница, первоначально разделяющая растворы.

Для того чтобы привести изучаемый раствор к эталонному, к нему добавляют прозрачный растворитель или увеличивают высоту слоя жидкости. Потом из значения величины добавленного разбавителя или высоты слоя раствора выводят количественную характеристику концентрации красящих веществ в растворе. Компенсационные методы применяются в визуальных колориметрах и в фотоколориметрах. Они наиболее практичны, так как на них не влияют посторонние факторы - например, температура.

Когда и где применяются колориметрические методы

Колориметрические методы для химического анализа применяются в тех случаях, когда точно известен химический состав раствора; раствор прозрачен; имеется эталонный образец; температуры образца и исследуемого раствора равны. С помощью этих методов удается определять концентрации веществ и в неокрашенных растворах, если есть возможность с помощью добавления определенного реактива сделать раствор окрашенным.

Колориметрия используется:

В аналитической химии;
- в медицине (содержание крови);
- для контроля качества питьевой воды и сточных вод;
- в пищепроме для определения степени очистки вина, пива, сахара;
- в промышленности - для анализа состава смазочных масел, керосина.

Достоинства колориметрических методов:

Простота;
- нет необходимости в дорогом оборудовании;
- оперативность измерений, возможность проведения анализов прямо на производстве;
- возможность определения очень малых концентраций веществ, которые другими методами химического анализа вычислить сложно.

В магазине лабораторной посуды и химического оборудования «ПраймКемикалсГрупп» вы можете по доступным ценам купить и колориметрические пробирки различного объема. Осуществляем доставку по Москве и Московской области.

2 Колориметрический и фотоколориметрический методы.

Фотоколориметрический метод нашел наиболее широкое применение при разработке приборов, предназначенных для определения микроконцентраций токсичных веществ в воздухе.

В приборах, основанных на фотоколориметрическом методе анализа, используется цветная избирательная реакция между индикатором в растворе или на ленте и компонентом газовоздушной смеси, концентрация которого определяется. Причем мерой концентрации определяемого компонента является интенсивность окраски образующихся в результате реакции комплексов.

Преимущества фотоколориметрического метода анализа - высокая чувствительность, избирательность и универсальность. Высокая чувствительность метода обусловлена возможностью накапливать окрашенный продукт химического взаимодействия в растворе или на ленте. Чувствительность метода резко падает при измерении концентраций в несколько объемных процентов и выше.

Избирательность фотоколориметрического метода объясняется тем, что для значительного числа определяемых газов и паров, при известном составе неопределяемых компонентов смеси, могут быть подобраны специфические цветные реакции.

Номенклатура веществ, определяемых этим методом, очень широка, и поэтому фотоколориметрические газоанализаторы принадлежат к наиболее универсальным приборам. Практически при выявлении возможности применения фотоколориметрических газоанализаторов для определения различных веществ решающим является выбор соответствующего реактива, дающего специфическую цветную реакцию с определяемым компонентом и выбор режима работы прибора.

Существует два вида фотоколориметрических газоанализаторов, принципиально отличных по конструктивному исполнению и по принципу действия.

В одних газоанализаторах, называемых фотоколориметрическими жидкостными, реакция протекает в растворе, а концентрация определяемого компонента измеряется по светопоглощению раствора. Достоинством приборов этого типа является более высокая точность измерения (основная приведенная погрешность около 5%) и возможность применения индикаторных растворов, в состав которых входят концентрированные кислоты, что особенно важно для анализа микроконцентраций веществ, химически малоактивных при обычных условиях (углеводороды, терпены и некоторые другие органические продукты).

Основным недостатком жидкостных фотоколориметрических газоанализаторов, затрудняющим их эксплуатацию в производственных условиях, является сложность и громоздкость конструкции, вызванная наличием ряда механических устройств (насосы, дозаторы раствора, двигатели, клапаны, переключатели и т. п.), обеспечивающих движение и взаимодействие участвующих в реакции компонентов (газ - жидкость). Указанный недостаток предопределил ограниченность разработки и применения жидкостных газоанализаторов.

До настоящего времени нет удовлетворительной модели достаточно простого, надежного и недорогого газожидкостного прибора, который бы выпускался серийной отечественной приборостроительной промышленностью. В литературе можно встретить описание всего лишь нескольких конструкций жидкостных фотоколориметров, предназначенных для определения микроконцентраций окислов азота (ФК4501, ФК.4502 и др.), сероводорода (ФК5601) и некоторых других газов. Разработка этих приборов закончилась выпуском опытных образцов, не доведенных до серийного производства, или выпуском малых серий специального назначения. Между тем совершенные конструкции жидкостных фотоколориметрических газоанализаторов необходимы, так как в силу специфических особенностей используемого метода они позволили бы расширить область применения этих приборов на большое число органических веществ, которые не определяются с помощью другого вида приборов.

В газоанализаторах, называемых фотоколориметрическими ленточными, реакция протекает на слое текстильной или бумажной ленты, а концентрация определяемого компонента измеряется по ослаблению светового потока, отраженного от участка индикаторной ленты, изменившей свою окраску в результате химического взаимодействия с определяемым компонентом.

В зависимости от физико-химических свойств индикатора-реактива он может наноситься на ленту - основу либо заранее, в процессе ее специальной обработки (сухая индикаторная лента), либо непосредственно перед ее фотоколориметрированием (мокрая индикаторная лента). Применение индикаторной ленты, особенно сухой, позволяет упростить конструкцию приборов, уменьшить их габариты и вес, устранить хрупкие детали и тем самым повысить эксплуатационную надежность приборов.

Помимо этого, ленточные фотоколориметрические газоанализаторы обладают значительно большей чувствительностью по сравнению с жидкостными приборами. Так, например, порог чувствительности ленточных и жидкостных газоанализаторов составляет соответственно по сероводороду 0,0002 и 0,02 мг/л, по двуокиси азота 0,001 и 0,01 мг/л.

Существенным недостатком ленточных газоанализаторов является значительная погрешность измерения, которая обусловлена в основном неоднородностью материала ленты и ее пропитки, а также погрешностью контрольного химического анализа при калибровке прибора.

Однако если учесть достоинства ленточных фотоколориметрических газоанализаторов и тот факт, что при контроле чистоты воздуха производственных помещений допускается сравнительно большая погрешность измерения, то можно считать вполне целесообразным преимущественную разработку и применение этих приборов для индикации и сигнализации предельно допустимых концентраций токсических газов и паров в воздухе производственных помещений.

За последнее десятилетие ленточные фотоколориметрические газоанализаторы получили значительное развитие.

Первые приборы этого типа были созданы на основе использования индикаторной ленты, смачиваемой из капельницы непосредственно перед фотоколориметрированием (ФЛ6801, ФКГ-3 и др.).

В дальнейшем были усовершенствованы измерительные схемы этих приборов, расширена область применения разработанных модификаций и созданы универсальные ленточные фотоколориметры, предназначенные для измерения малых концентраций самых различных газов и паров в воздухе.

Одной из последних конструкций приборов с мокрой индикаторной лентой является универсальный фотоколориметрический газоанализатор ФЛ5501. Использование в этом приборе двухфотоэлементной измерительной схемы с электрической компенсацией (вместо оптической) позволило упростить конструкцию прибора и сократить операции, связанные с его настройкой.

Дальнейшим развитием ленточных фотоколориметрических газоанализаторов является создание приборов, в которых используется сухая индикаторная лента. Приборы этого типа отличаются прежде всего простотой конструкции, так как в них не нужны устройства, обеспечивающие запас индикаторного раствора, а также его дозировку и подачу на ленту по определенной программе.

На основе этого метода создан ряд приборов, в том числе и базовая конструкция фотоколориметрического газоанализатора с сухой индикаторной лентой (ФГЦ), имеющего несколько модификаций (ФГЦ-1В, ФГЦ-1Е, ФГЦ-2, ФГЦ-3, ФГЦ-4).

Конструкция этих приборов не предусматривает их универсальности - возможности определения одним и тем же прибором концентраций различных газов и паров.

Этот недостаток обусловлен в значительной степени отсутствием методик фотоколориметрического анализа (специфических реакций) многих веществ, содержащихся в воздухе.

Особенности применения методов и выполнения операций

Особенности выполнения анализа органолептическими методами

При анализе визуальным, органолептическим и турбидиметрическим методами (определение запаха, вкуса, цветности, мутности, концентрации сульфат-анионов) выполняющий анализ должен уметь корректно определять вкус, запах, цвет, степень мутности, используя собственные вкусовые ощущения, обоняние и зрение.

Особенности выполнения анализа колориметрическими методами

Колориметрическим (от английского colour – цвет) называется метод анализа, основанный на сравнении качественного и количественного изменения потоков видимого света при их прохождении через исследуемый раствор и раствор сравнения. Определяемый компонент при помощи химико-аналитической реакции переводится в окрашенное соединение, после чего измеряется интенсивность окраски полученного раствора. При измерении интенсивности окраски проб с помощью прибора фотоколориметра метод называется фотоколориметрическим . Соответственно, при измерении интенсивности окраски визуальным способом (например, оценивая интенсивность окраски сравнительно с каким-либо образцом) метод называется визуально-колориметрическим .

Основной закон колориметрии – закон Бугера–Ламберта–Бера (с ним можно познакомиться подробнее в любом справочнике по колориметрическим методам анализа или в элементарном курсе физики) записывается следующим образом:

где: D – оптическая плотность раствора;
I 0 и I – интенсивность светового потока, попадающего на раствор (I 0 ) и прошедшего через раствор (I );
ε – коэффициент светопоглощения (величина, постоянная для данного окрашенного вещества), л х г-моль–1 х см–1;
C – концентрация окрашенного вещества в растворе, г-моль/л;
l – толщина поглощающего свет слоя раствора (длина оптического пути), см.

После обработки и добавления реагентов пробы приобретают окраску. Интенсивность окраски является мерой концентрации анализируемого вещества. При выполнении анализа визуально-колориметрическим методом (pH, железо общее, фторид, нитрат, нитрит, аммоний, сумма металлов) определение проводится в колориметрических пробирках с меткой «5 мл» либо в склянках с меткой «10 мл».

Колориметрические пробирки представляют собой обычные, широко используемые в лабораториях пробирки из бесцветного стекла, имеющие внутренний диаметр (12,8±0,4) мм. Колориметрические пробирки могут иметь несколько меток («5 мл», «10 мл»), показывающих объем (и, следовательно, высоту), до которого следует наполнить пробирку пробой, чтобы обеспечить удобные и близкие условия для визуального колориметрирования. Обычно колориметрические пробирки стараются подобрать одинаковой формы и диаметра, т.к. от последних зависит высота слоя окрашенного раствора. Аналогично подбираются и склянки для колориметрирования (обычно это аптекарские флаконы диаметром до 25 мм).

Наиболее точные результаты при анализе визуально-колориметрическим методом достигаются, если сравнивать окраску пробы с окраской модельных эталонных растворов . Их приготавливают заранее с помощью реактивов-стандартов по методикам, приведенным в приложении 1. Следует иметь в виду, что возникающие в процессе колориметрических реакций окраски обычно малоустойчивы, поэтому при описании приготовления растворов приводят, при необходимости, и сроки их хранения.

«близко _________________________ мг/л».
значение концентрации по шкале

В случаях, когда окраска раствора-пробы в колориметрической пробирке окажется имеющей промежуточную интенсивность между какими-либо образцами на контрольной шкале, результат анализа записывают в виде:

«от _______ до _______ мг/л».

«более__________________________________мг/л».
значение максимальной концентрации по шкале

Рис. 1. Фотоэлектроколориметры:
а) лабораторный, марки МКФМ-02;
б) полевой, марки SMART (LaMotte Co., USA).

Окрашенные пробы, полученные при выполнении анализов, можно колориметрировать также с помощью фотоэлектроколориметров (рис. 1). При таком способе определяют оптическую плотность растворов-проб в стеклянных кюветах с длиной оптического пути 1–2 см из комплекта фотоэлектроколориметра (можно использовать и кюветы с большей длиной оптического пути, однако в этом случае следует проводить анализ с увеличенным в 2–3 раза объемом пробы). Приборное колориметрирование позволяет существенно повысить точность анализа, однако требует большей тщательности и квалификации в работе, предварительного построения градуировочной характеристики (желательно не менее 3 построений). При этом измеряют значения оптической плотности модельных эталонных растворов (см. приложение 1). При анализах полевыми методами в экспедиционных условиях удобно фотометрировать пробы с помощью полевых колориметров. В частности, для таких целей ЗАО «Крисмас+» поставляет колориметры различных типов, имеющие набор съемных светофильтров в широком диапазоне длин волн видимого света. Значения основных параметров в случае приборного колориметрирования приведены в тексте описания выполнения определений.

Особенности выполнения анализа титриметрическим методом

Титриметрический метод анализа основан на количественном определении объема раствора одного или двух веществ, вступающих между собой в реакцию, причем концентрация одного из них должна быть точно известна. Раствор, концентрация вещества в котором точно известна, называется титрантом, или титрованным раствором. При анализе чаще всего стандартный раствор помещают в измерительный сосуд и осторожно, малыми порциями, дозируют его, приливая к исследуемому раствору до тех пор, пока не будет установлено окончание реакции. Эта операция называется титрованием. В момент окончания реакции происходит стехиометрическое взаимодействие титранта с анализируемым веществом и достигается точка эквивалентности. В точке эквивалентности затраченное на титрование количество (моль) титранта точно равно и химически эквивалентно количеству (моль) определяемого компонента. Точку эквивалентности обычно определяют, вводя в раствор подходящий индикатор и наблюдая за изменением окраски.

При выполнении анализа титриметрическим методом (карбонат, гидрокарбонат, хлорид, кальций, общая жесткость) определение проводят в склянках или пробирках вместимостью 15–20 мл, имеющих метку 10 мл. В процессе титрования раствор перемешивают стеклянной палочкой либо встряхиванием.

При анализе маломинерализованных вод целесообразно применять титрованные растворы с пониженной концентраций (0,02–0,03 моль/л), которые могут быть получены соответствующим разбавлением более концентрированных титрованных растворов дистиллированной водой.
Для удобства работы с пробирками их можно устанавливать в отверстия мутномера (рис. 2) либо располагать в штативах.

а) б)

Рис. 2. Мутномер с мутномерными пробирками:
а) общий вид, б) в разрезе
1 – мутномерная пробирка;
2 – ограничительное кольцо;
3 – корпус мутномера;
4 – черная точка;
5 – экран мутномера.

Требуемые объемы растворов при титровании отмеряют с помощью бюреток, мерных пипеток или более простых дозирующих устройств: шприцев, калиброванных капельниц и др. Наиболее удобны для титрования бюретки с краном.

Рис. 3. Средства дозировки растворов:
а – бюретка с краном, б – мерная пипетка,
в – шприц-дозатор, г – пипетка-капельница простая,
д – капельница-флакон.

Для удобства заполнения мерных пипеток растворами и титрования их герметично соединяют с резиновой грушей, используя соединительную резиновую трубку. Запрещается заполнение пипеток растворами путем их всасывания ртом! Еще удобнее работать с мерными пипетками, устанавливая их в штативе вместе с медицинским шприцем, герметично соединенным с пипеткой гибкой трубкой (резиновой, силиконовой и т.п.) (рис. 4).

А б
Рис. 4. Установки для титрования в штативах:
а – мерная пипетка; б – бюретка с краном.

Следует иметь в виду, что измерение объема раствора в бюретках, мерных пробирках, мерных колбах проводится по нижнему краю мениска жидкости (в случае водных растворов он всегда вогнут). При этом глаз наблюдателя должен быть на уровне метки. Нельзя выдувать последнюю каплю раствора из пипетки или бюретки. Необходимо знать также, что вся мерная стеклянная посуда калибруется и градуируется при температуре 20°С, поэтому, для получения точных результатов измерения объемов, температура растворов должна быть близка к комнатной при использовании пипеток, бюреток и капельниц. При использовании мерных колб температура раствора должна быть, по возможности, близка к 20°С, т.к. значительная вместимость мерной колбы приводит к заметной ошибке в измерении объема (за счет теплового расширения или сжатия раствора) при отклонениях температуры от 20°С более чем на 2–3°С.

Колориметрические методы , основанные на определении степени окраски соединений, образующихся в результате различных "цветных реакций":

А) метод Сомоджи (1933), в котором используется способность глюкозы восстанавливать гидрат окиси меди в закись меди, превращающей, в свою очередь, арсено-молибденовую кислоту в молибденовую лазурь. Этот метод неспецифичен, трудоемок и в настоящее время редко применяется в клинико-диагностических лабораториях;

Б) метод Фолина-Ву (1919), состоящий в определении окраски молибдена синего, который образуется в результате восстановления тартрата меди в окись меди. Последняя, взаимодействуя с молибдотустенгоновой кислотой, дает цветную реакцию. Метод относительно прост: отрицательной стороной его является то, что между имеюшейся в крови глюкозой и получаемой окраской не существует строгой пропорциональности;

В) метод Крезелиус - Зейферт (1928, 1942) основан на восстановлении пикриновой кислоты в пикраминовую с последующим ее колориметрированием. Метод быстр, но не очень точен. Ошибка может превышать 10-20%. В связи с этим указанный метод имеет ориентировочное значение;

Г) метод с антроновым реактивом по Моррису (1948) и по Роэ (1955). Антроновый метод заключается в колориметрировании цветного комплекса, образующегося в результате соединения антрона с углеводами. Точные результаты могут быть получены при наличии высокоочищенных химических реактивов и соблюдении постоянной температуры;

Д) орто-толуидиновый метод Гультмана в модификации Хиваринена - Никилла (1962), состоящий в определении интенсивности окрашивания раствора, возникающего при взаимодействии орто-толуидина с глюкозой. Этот метод специфичен и точен, дает возможность определять "истинную" глюкозу и поэтому предлагается в качестве унифицированного. Недостатки заключаются в применении неорганических (уксусная кислота) и органических (ТХУ) кислот и этапа кипячения.

Схема реакций орто-толуидинового метода:

Белки крови + ТХУ ---> денатурация и осаждение
глюкоза (Н+, нагрев) -----> оксиметилфурфурол
оксиметилфурфурол + о-толуидин ------> сине-зеленая окраска