Спектрофотометрический анализ

Спектрофотометрический  анализ проводят с применением монохроматического излучения как в видимом, так и в примыкающем к нему ультрафиолетовом и инфракрасном участках спектра, что дает возможность работать с широким диапазоном волн. Спектрофотометрия, как и колориметрия, основана на законе светопоглощения -- законе Бугера--Ламберта--Бера. Приборы, применяемые в спектрофотометрии, более сложны, чем приборы, используемые в фотоколориметрии. Наиболее простым, точным и удобным в работе является спектрофотометр СФ-4. Прибор снабжен кварцевой оптикой и позволяет измерять оптическую плотность или пропускание в области 210--1100 нм, т. е. охватывает ближнюю ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасные области спектра.

 Излучение от источника  света 5 (водородная лампа накаливания)  собирается зеркальным конденсатором  6 и направляется на плоское  зеркало 7, а затем на входную  щель 3, которая защищена кварцевой  пластинкой 4. Далее излучение попадает  на зеркальный сферический объектив 7, который направляет его на  кварцевую призму 2, одна из граней  которой посеребрена. Призма разлагает  излучение в спектр. В зависимости  от положения призмы то или  иное монохроматическое излучение,  точнее, пучок излучения, лежащий  в узком интервале длин волн, отражаясь от зеркальной грани  призмы, снова возвращается на  сферический объектив 1, который  фокусирует пучок излучения на  выходную щель 3, совмещенную с  входной щелью 3 и расположенную  под ней. После прохождения  выходной щели монохроматическое  излучение собирается кварцевой  линзой 13. Далее на пути излучения  устанавливается кювета 77 с растворителем  или с исследуемым раствором.  Если шторка 8 перед фотоэлементом  открыта, то излучение, пройдя  защитную кварцевую пластинку  10, достигает светочувствительного  слоя фотоэлемента 9. Для поглощения  рассеянного света при работе  в области 320--380 и 590--700 нм устанавливают специальные стеклянные фильтры 12.

В спектрофотометре применяют  два фотоэлемента с внешним фотоэффектом: сурьмяно-цезиевый и кислородно-цезиевый. Первый используют для измерений  в области 210--600 нм, второй-- в области 600--1100 нм. В аттестате прибора указана длина волны, при которой следует переходить от одного фотоэлемента к другому.

Монохроматическое излучение, попадая на катод фотоэлемента, вызывает эмиссию электронов, которые притягиваются  анодом. Возникающий таким образом  фототок создает на высокоомном сопротивлении (2000 МОм) падение напряжения. Поскольку фототок пропорционален интенсивности излучения, падение напряжения будет пропорционально этой величине. Чтобы измерить падение напряжения на высокоомном сопротивлении, фототок усиливают с помощью усилителя постоянного тока на двух радиолампах 2К2М и измеряют на выходе усилителя компенсационным методом. Последний заключается в том, что с отсчетного потенциометра подается потенциал, равный, но противоположный по знаку потенциалу на выходе усилителя. Прямая зависимость между компенсирующим напряжением и фототоком позволяет градуировать шкалу отсчетного потенциометра в шкале оптической плотности и пропускания. В качестве нуль-инструмента применяют миллиамперметр.

Источниками света в спектрофотометре СФ-4 служат лампы накаливания, водородная и ртутная, которые помещены в  съемных держателях. Для питания  ламп накаливания служит кислотный  аккумулятор. Питание водородной и  ртутной ламп осуществляется через  выпрямитель-стабилизатор, поддерживающий разрядный ток с точностью +0,1 мА при колебании напряжения в  цепи в пределах от +10%. Для контроля силы разрядного тока служит миллиамперметр на 300 мА, а для тока накала--амперметр переменного тока на 5 А.

Для определения оптической плотности на спектрофотометре СФ-4 устанавливают последовательно  стрелки миллиамперметра спектрофотометра на условный нуль (средний штрих  на шкале *миллиамперметра). Сначала  условный нуль устанавливается в  самом фотоэлементе и в схеме  усилителя и отсчетного устройства. Для этого при закрытой шторке-переключателе, когда фотоэлемент не освещен, при  помощи рукоятки потенциометра темнового тока стрелку миллиамперметра устанавливают на нуль.

Если на пути излучения  установить кювету с растворителем  и открыть шторку-переключатель, то падение напряжения на высокоомном сопротивлении (2000 МОм), вызванное происхождением фототока и подаваемое на сетку первой лампы 2К2М усилителя, изменит анодный ток как первой, так и второй лампы усилителя, и стрелка миллиамперметра отклонится. В том случае, когда излучение происходит через кювету с растворителем, стрелка миллиамперметра возвращается на нуль вследствие изменения ширины щели и с помощью потенциометра чувствительности. Последний следует устанавливать в среднем положении (4--4,5 поворота рукоятки от одного из крайних положений). При вращении потенциометра вправо повышается чувствительность прибора, так как на отсчетный потенциометр подается большее напряжение, и, следовательно, повышается точность отсчета. Но одновременно приходится увеличивать ширину щели, что приводит к большей погрешности. В соответствии с тем, что в спектрофотометре определяется относительное изменение интенсивности излучения, на приборе измеряется не абсолютная величина фототока, а только его уменьшение при переходе от растворителя к раствору. Поэтому отсчетный потенциометр должен быть установлен на нуль оптической плотности (100% пропускания). Как только вместо кюветы с растворителем будет помещена кювета с раствором, фототок уменьшится вследствие понижения интенсивности излучения. Это вызовет отклонение стрелки миллиамперметра вправо. Стрелка возвращается к нулю с помощью отсчетного потенциометра (поворотом рукоятки). Значение оптической плотности снимается по шкале отсчетного потенциометра (см. инструкцию к прибору).

В зависимости от используемой области спектра устанавливают  либо сурьмяно-цезиевый элемент, либо кислородно-цезиевый. а также тот  или иной осветитель. Настройку прибора  проводят по инструкции.

Необходимо обращать особое внимание на предосторожности в работе с прибором. Следует аккуратно  обращаться с кварцевыми точно на аналитических весах, переносят  в мерную колбу вместимостью 1000 мл, растворяют в дистиллированной воде, подкисляют 25 мл концентрированной  азотной кислоты и разбавляют водой до метки. Из этого раствора готовят серию растворов в 10 колбах по 100 мл. Для этого в мерные колбы  вместимостью 100 мл вносят от 1 мл до 10 мл исходного раствора. Получающиеся стандартные  растворы содержат от 0,001 до 0,01 мг Fe³⁺ в 1 мл. Добавляют по 5 мл 20%-ного раствора тиоцианата аммония. Растворы разбавляют водой до метки и измеряют оптическую плотность всех растворов на фотоэлектроколориметре.

Строят градуировочный график, откладывая на оси ординат известные концентрации железа, а на оси абсцисс--соответствующие им оптические плотности растворов. Содержание железа можно откладывать на графике в миллимолях стандартного раствора, миллиграммах или процентах. При построении градуировочного графика желательно готовить не всю серию растворов сразу, а по одному раствору и сразу его колориметрировать.

Определение содержания железа в растворе. Для определения железа в исследуемом растворе берут  для анализа немного раствора с таким расчетом, чтобы при  разбавлении концентрация не превышала 0,01 мг на 1 мл, и переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл. Раствор  подкисляют 2 н. раствором азотной  кислоты (15--20 мл) и добавляют 5 мл 20%-ного раствора тиоцианата аммония. Разбавляют до метки водой, тщательно перемешивают и колориметрируют при зеленом светофильтре. Зная оптическую плотность, находят по градуировочному графику концентрацию. Затем умножают ее на объем всего анализируемого раствора (100 мл) и вычисляют общее содержание железа