POWRÓT

SEMESTR II

PRACOWNIA CHEMICZNA - ANALIZA KOLORYMETRYCZNA


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Prawo Lamberta-Beera
Aparatura
Techniki spektrofotometryczne

 

Prawo Lamberta-Beera

   

Kolorymetria jest działem spektrofotometrii absorpcyjnej (inaczej absorpcjometrii) i polega na oznaczaniu stężeń substancji barwnych na podstawie absorbcji ich roztworów w zakresie światła widzialnego. Wykorzystuje się tu zależność między stężeniem substancji w roztworze oraz grubością warstwy roztworu badanej substancji a ilością promieniowania zaabsorbowanego przez ten roztwór. Zakres oznaczeń jest szeroki: od 50% do 10-8 %. Metodami kolorymetrycznymi można oznaczać zarówno stężenia substancji mających własną barwę, jak i bezbarwnych, które za pomocą odpowiednich reakcji chemicznych przeprowadza się w związki barwne. W drugim przepadku reakcja barwna musi szybko przebiegać do końca, powstałe zabarwienie musi być trwałe, niewrażliwe na działanie światła, mało zależne od pH, temperatury, nadmiaru odczynnika.
Aparaty stosowane w absorpcjometrii nazywane są spektrofotometrami, spekolami lub kolorymetrami. W spektrofotometrach mierzy się zmianę natężenie światła monochromatycznego przechodzącego przez badany roztwór znajdujący się w kuwecie pomiarowej. Wyniki pomiaru wyrażane są w jednostkach absorbancji (A). Absorbancja (A) (wielkość mierzona w spektrofotometrze) równa się logarytmowi stosunku promieniowania I0 do promieniowania I.

A = logI0/I

gdzie I0 jest natężeniem światła padającego a I natężeniem światła przechodzącego przez próbkę.
Okazuje się, że absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i drogi optycznej l, czyli grubości warstwy roztworu, przez którą przechodzi światło, co zapisujemy równaniem.

A = k*l*c

wtedy

A = logI0/I = k*l*c

gdzie: k - współczynnik absorpcji, który charakteryzuje intensywność absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez daną substancję przy określonej długości fali. Współczynnik k jest wielkością stałą, zależną od długości fali światła padającego, natury substancji rozpuszczonej i od temperatury.

Równanie to wyraża podstawowe prawo spektrofotometrii absorpcyjnej zwane prawem Bourguera-Lamberta-Beera. Zgodnie z równaniem, absorpcja promieniowania zależy od całkowitej liczby cząsteczek absorbujących, czyli od iloczynu stężenia roztworu i grubości warstwy. Jeśli układ barwny spełnia prawa Beera, to na wykresie A= F(c) otrzymuje się linię prostą przechodząca przez początek układu. W praktyce wystarczy, aby roztwór spełniał prawa Beera dla stężeń odpowiadających wartościom absorbancji nie większym niż 1.
Prawa absorpcji w odniesieniu do roztworów zachowywane są tylko wtedy, gdy w roztworach nie zachodzą żadne reakcje pomiędzy substancją oznaczaną a rozpuszczalnikiem oraz cząsteczkami substancji absorbującej. Odstępstwa od prawa Beera są spowodowane:

  • niedoskonałością przyrządów pomiarowych np:
    • brakiem monochromatyczności promieniowania
    • brakiem liniowej odpowiedzi detektora
  • reakcjami chemicznymi zachodzącymi podczas pomiaru (polimeryzacja, hydroliza, kondensacja)
  • mętnością roztworu.

Metodą spektrofotmetryczną najłatwiej więc oznaczać substancje charakteryzujące się dużymi współczynnikami absorpcji. Jeżeli stężenie absorbującej substancji c jest wyrażone w mol/dm3 wówczas współczynnik absorpcji k nazywamy molowym współczynnikiem absorpcji (albo absorpcyjnością molową) i oznaczamy literą e. Jeżeli drogę optyczną l wyrazimy w cm, wówczas jednostką e jest dm3mol-1cm-1.
Znajomość współczynnika absorpcji k i drogi optycznej l pozwala na bezpośrednie obliczenie z równania Lamberta-Beera stężenia analizowanej substancji. Ze względu na to, że nie zawsze znamy wartość współczynnika k, jak również występujace odchylenia od prawa Lamberta-Beera, bezpieczniej jest jednak zastosować metodę krzywej wzorcowej (kalibracyjnej). W celu wykonania krzywej wzorcowej przygotowuje się zwykle kilka (4-6) roztworów wzorcowych o wzrastającym stężeniu analizowanego pierwiastka i mierzy ich absorbancję przy założonej długości długości fali, stosując wodę destylowaną jako roztwór odniesienia.
Stężenia roztworów wzorcowych powinny być tak dobrane, aby absorbancja nie była większa od 1,5.

Do góry


 

Aparatura

   

Aparaty stosowane w absorpcjometrii nazywane są spektrofotometrami, spekolami lub kolorymetrami. W spektrofotometrach mierzy się zmianę natężenie światła monochromatycznego przechodzącego przez badany roztwór znajdujący się w kuwecie pomiarowej. Wyniki pomiaru wyrażane są w jednostkach absorbancji. Głowne elementy spektrofotometru to; źródło promieniowania, monochromator/filtr, kuweta pomiarowa, detektor i układ pomiarowy.

Źródłami promieniowania są:

  • lampy wolframowe (420-750 nm) lub rtęciowe (365-750 nm).
  • lampy deuterowe emitująca widmo wodoru cząsteczkowego w zakresie 200-350 nm.
  • Lampy ksenonowe w całym zakresie Uv-Vis

Monochromatory służą do uzyskania wiązki promieniowania o długości fali odpowiadającej maksimum absorpcji danej substancji. Wyróżniamy dwa typy monochromatorów: pryzmatyczne i siatkowe. Monochromatory pryzmatyczne zbudowane są z kryształów kwarcu. Ich działanie opiera się na wykorzystaniu zależności między wielkością kąta załamania światła na granicy dwóch ośrodków a długością fali światła padającego. Monochromatory siatkowe działają na zasadzie siatki dyfrakcyjnej. Najprostszą siatkę stanowi szereg szczelin umieszczonych w równych odległościach na nieprzezroczystym ekranie. Równoległa wiązka światła przepuszczona przez szczeliny takiego ekranu ulega rozdzieleniu we wszystkich kierunkach. Zjawisko to nazywa się dyfrakcją, czyli ugięciem prostoliniowego biegu promieni. Promienie te mogą się na siebie nakładać, czyli interferowa i w efekcie część ich ulega wygaszeniu, a część wzmocnieniu.
Detektor promieniowania zamienia promieniowania świetlne na prąd elektryczny o niewielkim natężeniu. Jako detektory najczęściej stosuje się fotoogniwo lub fotokomórkę

Do góry


 

Techniki spektrofotometryczne

   

Najczęściej stosowaną techniką wykonywania oznaczeń spektrofotometrycznych jest technika krzywej wzorcowej. Metoda ta jest typową metodą pośrednią. Przed wykonaniem właściwej analizy przygotowuje się roztwory wzorcowe (cztery do sześciu). Roztwory wzorcowe zawierają wszystkie składniki stosowane w danym oznaczeniu i w tych samych ilościach, a także oznaczany pierwiastek w różnych, ale dokładnie znanych stężeniach. Po dokonaniu pomiaru absorbancji sporządzonych wzorców wykreśla się zależność A = f(c)

Jeżeli absorbancję mierzy się wobec ślepej próby, to krzywa wzorcowa powinna przechodzić przez początek układu współrzędnych. Otrzymany wykres służy następnie do odczytywania nieznanych stężeń, odpowiadających zmierzonym wartościom absorbancji badanych próbek.
Warunkiem mozliwości korzystania z krzywej wzorcowej jest przygotowanie wzorców i badanej w identyczny sposób.

Do góry


   

 

 (C) 2010 - 2013 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved