КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ КОЛОРИМЕТРИЯ

Концентрационная колориметрия – это фотометрический метод определения концентрации вещества в окрашенных растворах, который связан с изменением интенсивности света.

Интенсивностью света называется отношение энергии W, переносимой светом через поверхность, перпендикулярную световому лучу, ко времени переноса t и к площади s этой поверхности:

(28)

Прохождение света через вещество ведет к возбуждению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля световой волны. Этот процесс сопровождается потерей энергии света, которая превращается в различные формы внутренней энергии вещества или в энергию вторичного излучения, и называется поглощением света. Поглощение света, например, может приводить к нагреванию вещества, ионизации или возбуждению атомов и молекул, фотохимическим процессам и т. п.

Поглощение света веществом обычно носит избирательный (селективный) характер: свет разных длин волн поглощается по-разному. Поэтому большинство окружающих нас тел имеет «собственный» цвет. Из потока белого света тело поглощает лучи только определенных длин волн, остальные отражаются, пропускаются или рассеиваются. Так, например, листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме 520 нм < λ < 600 нм (зеленая часть) и λ > 700 нм (темно-красная часть).

Избирательным поглощением стекла или полиамидной пленки обусловлен парниковый эффект: значительная часть инфракрасного излучения, испускаемого нагретой землей, поглощается стеклом (или пленкой) и, таким образом, задерживается внутри парника. Слой озона в верхних слоях атмосферы интенсивно поглощает ультрафиолет и тем самым защищает живую природу на Земле от губительного действия коротковолнового излучения. Биологические ткани, клеточные структуры, отдельные органические молекулы также сильно поглощают ультрафиолетовое излучение.

Закон поглощения света однородной средой выводится на основании экспериментальных наблюдений Бугера и Ламберта: уменьшение интенсивности при поглощении света на малом пути пропорционально длине этого пути и самой интенсивности. Если выбрать небольшой слой вещества толщиной dx (рис.8а), то ослабление интенсивности dI опишется (на основе опытных данных) следующей формулой:

, (29)

где k – коэффициент поглощения зависит от рода вещества и длины волны света. Знак «-» означает, что интенсивность I света уменьшается за счет его поглощения.

Рис. 8

Чтобы определить полное изменение интенсивности света после его прохождения сквозь слой толщиной l, проинтегрируем уравнение (29), предварительно разделив переменные:

После потенцирования:

(30)

Соотношение (30) называется законом Бугера – Ламберта. При распространении света в веществе его интенсивность убывает по экспоненте (рис. 8б). В слое толщиной l = интенсивность света падает в e = 2,72 раза.

Для удобства практической оценки ослабления света при его прохождении сквозь образец пользуются понятиями:

коэффициента пропускания (31)

и оптической плотности (32)

Очевидно, что или (33)

Коэффициент поглощения определяется по формуле:

(34)

Большое практическое значение имеет поглощение света растворами. Опытным путем установлено, что для веществ, растворенных в прозрачных растворителях, коэффициент поглощения (k) пропорционален их концентрации (С) в растворе (закон Бера):

k = A · C (35)

где А – коэффициент пропорциональности, постоянный в случае слабых растворов и зависящий от рода молекул растворенного вещества (при больших С этот коэффициент начинает зависеть от С и пропорциональная зависимость k(С) нарушается).

Поглощение света растворами описывается законом Бугера – Ламберта – Бера:

(36)

Отсюда или (37)

где – 0,43А = ε (молярный коэффициент поглощения, характеризует поглощение света молярным раствором исследуемого вещества в слое единичной толщины) является важной физической характеристикой растворов.

Из соотношений (37) и (32) оптическая плотность раствора определяется следующей формулой:

D = εCl (38)

Закон Бугера – Ламберта – Бера (формулы 36 и 38) лежит в основе концентрационной колориметрии и дает возможность: 1) определить концентрацию (С) вещества в растворе (при известных D и ε); 2) идентифицировать вещества(т. е. определить ε по известным D и С при облучении монохроматическим светом).

Для определения оптической плотности D растворов используют специальные приборы – колориметры. При этом фотометрирование проводят визуально или с помощью чувствительных фотоэлементов.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА