Фотоэлектроколориметрия

Фотоэлектроколориметрия — определение концентрации вещества в растворе по изменению силы тока в фотоэлементе при падении на него луча света, прошедшего через исследуемый раствор.

При прохождении светового потока через окрашенную прозрачную жидкость часть света поглощается. Степень поглощения света, или коэффициент экстинкции («тушения»), во многих случаях прямо пропорциональна интенсивности окраски раствора. Окраска раствора зависит от концентрации в нем растворенного вещества: чем выше концентрация, тем интенсивнее окраска и тем больше света поглощает раствор. Степень светопоглощения определяют в приборе фотоэлектроколориметре (ФЭК) путем уравнивания интенсивности света, прошедшего через исследуемый окрашенный раствор, и света, прошедшего через контрольную жидкость – бесцветный растворитель исследуемого вещества. По степени светопоглощения определяют содержание вещества в растворе.

Для получения точных объективных данных об интенсивности света в прибор вводят фотоэлемент. Фотоэлемент преобразует световое излучение в электрический ток. При попадании света на некоторые светочувствительные вещества (селен или цезий) энергия световых квантов передается электронам этого вещества, которые начинают двигаться в одном направлении. Если пластинки фотоэлемента соединить. проводником, то в нем возникает поток электронов, т. е. электрический ток, силу которого можно измерить микроамперметром.

Сила тока пропорциональна световому потоку, падающему на фотоэлемент. Когда на пути светового потока ставят кювету с раствором, поглощающим или рассеивающим свет, на фотоэлемент падает меньше лучей. Сила тока в цепи уменьшается, на что указывает отклонение стрелки амперметра. По изменению силы тока можно судить о концентрации исследуемого вещества.

На измерении светопоглощения основано определение концентрации прозрачных окрашенных растворов – фотоэлектроколориметрия. Описываемый прибор позволяет делать и нефелометрические определения, т. е. определять концентрацию вещества во взвесях и эмульсиях по степени рассеяния ими света.

Частички взвеси, помещенной на пути узкого бокового пучка света, отражают световые волны – рассеивают свет. Чем мутнее взвесь, т. е. чем больше ее концентрация, тем больше света отражается и тем меньше его проникает через взвесь и падает на фотоэлемент, и тем меньшей силы ток возникает в фотоэлементе. Между концентрацией вещества во взвеси и силой фототока существует обратно пропорциональная зависимость.

Оптическая схема прибора ФЭК-56 М

От источника света — лампы накаливания (рис. 63) световой поток направляется на призму , которая делит его на два пучка и направляет на плоские зеркала (4). Зеркала отражают свет двумя параллельными пучками: правый световой пучок является измерительным, левый — компенсаторным.

Рис. 63. Оптическая схема прибора ФЭК-56М. 1 – лампа накаливания; 2 – светофильтр; 3 – призма; 4 – плоские зеркала; 5, 6 – цветные светофильтры; 7 – кювета с контрольным раствором; 8 – кювета с исследуемым раствором; 9, 10 – раздввжные диафрагмы; 11, 12 – линзы; 13, 14 – зеркала; 15, 16 – матовые стекла; 17, 18  – фотоэлементы; 19, 20  – отсчетные барабаны.

Параллельные пучки света проходят через светофильтры (5 и 6) и попадают в кюветы с контрольным (7) и исследуемым (5) растворами. Здесь часть света поглощается или рассеивается. Вышедшие из кювет пучки света проходят через раздвижные диафрагмы (9 и 10) и падают на линзы (11 и 12), в фокусе которых помещены зеркала (13 и 14), отражающие свет на матовые стекла 15 и 16), за которыми находятся фотоэлементы (17 и 18).

Раздвижные диафрагмы при вращении связанных с ними отсчетных барабанов (19 и 20) меняют площадь отверстий и тем самым изменяют интенсивность светового потока, падающего на фотоэлементы (17 и 18).
В фотоэлементах возникает ток, сила которого пропорциональна световому потоку. Оба фотоэлемента соединены с микроамперметром таким образом, что при возникновении в них тока одинаковой силы стрелка микроамперметра стоит на нуле.

Устройство прибора ФЭК-56М

В корпусе прибора имеются осветитель, оптическая система, кюветодержатели, фотоэлементы, электрическая сеть с микроамперметром (рис. 64).

Рис. 64. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М. а – вид спереди; б – вид сзади. 1 – микроамперметр; 2  – корпус осветителя; 3 – рукоятка для закрывания шторки; 4 – переключатель кювет; 5 – отсчетные барабаны; 6 – шкала отсчетного барабана; 7 – рукоятка для установления нуля; 8 — регулировка чувствительности; 9 – переключатель светофильтров.

Корпус осветителя (2) крепится к задней стенке прибора. В нем может быть установлена лампа накаливания или ртутно-кварцевая лампа. К осветительной части прибора относятся также призма, разделяющая световой поток на два луча, конденсоры и зеркала, отражающие свет двумя параллельными пучками.

Световые пучки перекрываются шторкой, преграждающей путь света в направлении фотоэлемента. Открывается и закрывается шторка рукояткой.

В оптическую часть прибора входят светофильтры, линзы, раздвижные диафрагмы. Девять стеклянных светофильтров попарно вмонтированы в диск, укрепленный на задней стенке корпуса прибора. Светофильтры обозначены номерами в соответствии с длинами волн, максимально пропускаемых данным фильтром.

Для включения светофильтра в световой пучок поворачивают диск рукояткой (9). Цифры на шкале показывают, какие светофильтры включены. Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется.
Раздвижные диафрагмы состоят из нескольких металлических пластин, образующих прямоугольник, боковые грани которого могут передвигаться навстречу друг другу, уменьшая ширину щели от максимального откры-тия до нуля. Этим регулируется световой поток, падающий на фотоэлементы. Боковые грани диафрагм приводятся в движение поворотом отсчетных барабанов (5). На каждом барабане нанесено 2 шкалы (6). Черная шкала – шкала светопропускания показывает интенсивность светового потока, проходящего через диафрагму. Эта интенсивность пропорциональна ширине щели. Красная шкала показывает оптическую плотность вещества, или степень поглощения им света, между величиной которой и концентрацией вещества в окрашенном растворе существует прямо пропорциональная зависимость.

Шкала светопропускания нанесена так, что 100% светопропускания соответствует максимальному раскрытию раздвижной диафрагмы, а ноль – полному ее закрытию. Нулевая точка красной шкалы находится на уровне отметки 100% черной шкалы. Красная шкала неравномерна.

В приборе имеются два кюветодержателя, вставленные в каретки. В правом кюветодержателе устанавливают две кюветы. Перемещение кювет в правом световом пучке производится поворотом рукоятки (4). Левый кюветодержатель имеет гнездо только для одной кюветы.

К прибору прилагаются 4 набора кювет. Каждый из них содержит 7 пар кювет с различными расстояниями между рабочими гранями, позволяющими исследовать жидкости в слоях различной толщины.

Заключенные в корпусе прибора два фотоэлемента связаны с микроамперметром (1), укрепленным на передней его стенке. Установка микроамперметра производится рукояткой чувствительности (S).

Прибор включают в сеть через стабилизатор, обеспечивающий постоянство напряжения тока, питающего источник света. В корпусе стабилизатора смонтирован выпрямитель тока, понижающий трансформатор. Тумблер для переключения ламп (лампа накаливания или ртутнокварцевая лампа) выведен из корпуса справа. На передней стенке корпуса находится выключатель сетевого напряжения.

Техника работы с прибором ФЭК-56М

Подготовка прибора к работе

1. Включить прибор за 25-30 мин до начала работы. Система должна прогреться, так как первое время после включения показания прибора недостаточно точны и постоянны. Включение производить рукояткой, находящейся на стабилизаторе.
2. Шторка должна быть закрыта.
3. Оба отсчетных барабана (5) установить на 0 по красной шкале (100% по шкале светопропускания, диафрагмы полностью раскрыты).
4. Установить «электрический нуль» прибора – рукояткой (8) привести стрелку микроамперметра к нулю (при закрытой шторке).
5. Поставить нужный для данного определения светофильтр.
6. Взять 3 кюветы одинаковой рабочей длины. Выбор кювет зависит от интенсивности окраски раствора. Более темные растворы исследуют в слое толщиной 1, 3, 5 мм, более светлые – в слое 10, 20, 30, 50 мм. Для получения сравнимых результатов при выполнении определенной методики необходимо всегда пользоваться кюветами одной и той же рабочей длины.
7. Две кюветы заполнить контрольным раствором, которым служит обычно растворитель исследуемого вещества, и одну – исследуемым раствором или взвесью.
8. В левый кюветодержатель поставить кювету с контролем; в правый: в одно гнездо – кювету с исследуемым раствором, в другое – кювету с контролем.
9. В момент начала исследования справа на пути света должна находиться кювета с исследуемым веществом.

Определение оптической плотности исследуемого вещества

1. Открыть шторку, стрелка микроамперметра отклонится от нуля.
2. Вращая левый отсчетный барабан от себя, возвратить стрелку микроамперметра к нулю.
3. Шторку закрыть.
4. Рукояткой кюветодержателя (4) переместить кюветы в правом кюветодержателе так, чтобы в лучах света справа оказалась кювета с контролем.
5. Открыть шторку, стрелка микроамперметра вновь отклонится от нулевого положения.
6. Вращая правый отсчетный барабан от себя, возвратить стрелку микроамперметра к нулю.
7. Шторку закрыть.
8. Снять показания прибора по красной шкале (экстинкции) правого отсчетного барабана.
9. Перевести показания прибора в количество исследуемого вещества по таблице, по градуировочной кривой или с помощью переводного коэффициента.

Техника нефелометрических определений не отличается от техники колориметрических определений.

Указания к пользованию прибором

Все оптические детали прибора, а также лампочки следует оберегать от запыления. С таких оптических деталей, как светофильтры, линзы, зеркала, следует снимать пыль мягкой, не оставляющей ворсинок тряпочкой. Оседание пыли приводит к понижению чувствительности прибора.

К потере чувствительности прибора ведет и неаккуратная работа с дымящимися жидкостями, так как на оптических деталях появляется налет, удалить который можно лишь разобрав прибор. Во избежание этого следует закрывать кюветы крышками. Закрывать кюветы рекомендуется всегда, чтобы предотвратить случайное проливание жидкости внутрь прибора.

Построение калибровочного графика

Для определения концентрации вещества в растворе или во взвеси необходимо составить калибровочную кривую. Калибровочный график строят, откладывая на горизонтальной оси координат различные концентрации растворов исследуемого вещества, а на вертикальной – показания красной шкалы фотометра – экстинкцию (рис. 65). Готовят несколько растворов данного вещества различной концентрации и определяют их экстинкцию. Из точек на горизонтальной оси, соответствующих приготовленным концентрациям, восстанавливают перпендикуляры. Из точек на вертикальной оси, соответствующих полученным показателям экстинкции, проводят горизонтали до пересечения их с перпендикулярами. В местах пересечения этих линий получают ряд точек и соединяют их. Если растворы были приготовлены точно, построенная линия близка к прямой.

В дальнейшем, получая показатель экстинкции, находят соответствующую ему точку на вертикальной оси и проводят горизонталь до пересечения с линией графика. Из этой точки опускают перпендикуляр на горизонтальную ось, по которой и определяют концентрацию вещества, соответствующую данной экстинкции. Например, по приведенному графику показатель экстинкции 0,20 соответствует концентрации вещества 1,8 г/л (см. рис. 65).

Рис. 65. Калибровочный график

Для каждого вещества нужно строить свой график. При этом всегда надо пользоваться кюветой одной и той же рабочей длины и определение проводить с одним и тем же светофильтром.

Калибровочную кривую нужно периодически проверять, так как чувствительность фотоэлемента со временем несколько снижается.

С помощью расчетного коэффициента можно также составить таблицу, где указать, какое количество вещества соответствует экстинкции.