Нефелометрия и турбидиметрия. Эмиссионный спектральный анализ. Люминесцентный метод

Нефелометрия и турбидиметрия. Эмиссионный спектральный анализ. Люминесцентный метод.

План

1. Нефелометрия и турбидиметрия.

1.1 Теоретические основы метода.

2. Эмиссионный спектральный анализ.

3. Люминесцентный метод.

Теоретические основы метода

При прохождении пучка света через взвесь мельчайших твердых частиц в растворителе (дисперсная система) происходит боковое рассеяние света (визуально наблюдается мутность). Если длина волны меньше линейных размеров частиц, то рассеяние обусловле­но "преломлением на границе раздела частица — растворитель и отражением его частицами. Если длина волны больше линейных размеров частиц, то происходит дифракция световой волны, возни­кает эффект Тиндаля. Интенсивность рассеяния возрастает с уве­личением числа рассеивающих частиц. На этом основаны два род­ственных аналитических метода определения концентрации веще­ства: нефелометрия и турбидиметрия. При турбидиметрических определениях измеряют мощность света W, выходящего из кюветы в направлении падающего светового пучка.

При нефелометрических определениях измеряют мощность рас­сеяния света (Wр) в направлении, перпендикулярном направлению первичного пучка, (рис.1).

Рис.1 Схема измерения световых потоков в нефелометрии и турбидиметрии.

Нефелометрической (турбидиметрической) взвесью называют суспензии малорастворимых веществ при их содержании 100 мг на 1 л и менее. Частицы отражают постоян­ную долю света в течение промежутка времени, достаточного для измерения. Мощность светового потока,- рассеиваемого мельчайши­ми частицами взвеси, описывается уравнением Релея:

(1)

где k1— коэффициент;

V — средний объем частицы взвеси;

С —концентрация частиц;

d— плотность вещества частицы;

λ— длина волны падающего света;

n1 — показатель преломления частиц взвеси;

п2 — показатель преломления растворителя.

Значения V, d, п зависят для данной взвеси от условий ее полу­чения и измерения: скорости смешивания реагентов, скорости пере­мешивания, температуры, кислотности среды, присутствия посто­ронних ионов, длины волны падающего света. При постоянстве ус­ловий величины п1 ,п2, λ, d, V постоянны; объединяя все постоян­ные величины в уравнении (2.1) в одну константу, можем записать:

Wp=kC, (2)

т. е. мощность рассеянного светового потока прямо пропорциональ­на концентрации частиц суспензии. Для двух мутных сред с части­цами одинаковой формы и размеров отношение мощностей рассеян­ного света пропорционально отношению концентраций частиц:

откуда

(3)

Уравнение (3) используют при нефелометрических определениях. При турбидиметрических измерениях связь между мощностью прошедшего через суспензию света и размером частиц взвеси опи­сывается приближенным уравнением:

(4),

где А-рассеивающая способность (кажущаяся оптическая плотность, аналогичная оптической плотности);

Wo — мощность падаю­щего на суспензию светового пото­ка;

W — мощность прошедшего че­рез суспензию светового потока;

L — толщина поглощающего слоя;

r — средний диаметр частиц;

λ— дли­на волны падающего света;

k1 — коэффициент пропорциональности, за­висящий, от природы суспензии и метода измерения;

а — константа, зависящая только от метода измерения.

Уравнение (4) справед­ливо только для сильно разбавленных суспензий.

При турбидиметрическом определении пользуются одним и тем же прибором, суспензии готовят строго по определенной прописи, т. е. все измерения проводят при определенных значениях k1, r, а и λ

Объединяя в уравнении (4) все постоянные величины в одну, получим более простое уравнение:

A = kLC. (5)

Это отношение аналогично уравнению Бугера — Ламберта — Бера для поглощения света окрашенными растворами. Как сле­дует из уравнений (1) и (4), интенсивность рассеянного и погло­щенного света зависит от размера частиц взвеси.

Для предотвращения коагуляции частиц в суспензии часто вво­дят стабилизирующие-коллоиды (желатина, крахмала и др.).

Нефелометрические и турбидиметрические определения облада­ют чувствительностью, соизмеримой с фотометрическими опреде­лениями. Эти методы в практике, производственных лабораторий применяют ограниченно, так как трудно получить одинаковые по размерам частицы взвеси. Нефелометрические и турбидиметриче­ские определения заменяют, когда это, возможно, другими методами (фотометрическими, электрометрическими).

Методы расчета концентрации

По градуировочному графику находят неизвестную концентрацию вещества. Для этого измерения производят в условиях, в которых был полу­чен градуировочный график.

Для турбидиметрических измерений могут быть использованы фотоэлектроколориметры и спектрофотометры. Порядок измерений совпадает с порядком фотометрических измерений. Градуировоч­ный график строят по серии стандартных взвесей различных кон­центраций.

Рис. 2. Фототурбидиметриче­ское титрование молибдата аммония раствором ацетата свинца

Атомно-эмиссионная спектроскопия (спектрометрия), АЭС или атомно-эмиссионный спектральный анализ — совокупность методов элементного анализа, основанных на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе (см. группу методов оптической спектроскопии). Обычно эмиссионные спектры регистрируют в наиболее удобной оптической области длин волн от ~200 до ~1000 нм. (Для регистрации спектров в области <200 нм требуется применение вакуумной спектроскопии, чтобы избавиться от поглощения коротковолнового излучения воздухом. Для регистрации спектров в области >1000 нм требуются специальные инфракрасные или микроволновые детекторы.)

АЭС — способ определения элементного состава вещества по оптическим линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в источниках света. В качестве источников света для атомно-эмиссионного анализа используют пламя горелки или различные виды плазмы, включая плазму электрической искры или дуги, плазму лазерной искры, индуктивно-связанную плазму, тлеющий разряд и др.

АЭС — самый распространённый экспрессный высокочувствительный метод идентификации и количественного определения элементов примесей в газообразных, жидких и твердых веществах, в том числе и в высокочистых. Он широко применяется в различных областях науки и техники для контроля промышленного производства, поисках и переработке полезных ископаемых, в биологических, медицинских и экологических исследованиях и т. д. Важным достоинством АЭС по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими химическими и физико-химическими методами анализа, являются возможности бесконтактного, экспрессного, одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы.

Процесс атомно-эмиссионного определения состоит из следующих стадий:

Пробоподготовка (подготовка образца) Испарение анализируемой пробы (если она не газообразная); Диссоциация — атомизация её молекул; Возбуждение излучения атомов и ионов элементов пробы; Разложение возбужденного излучения в спектр; Регистрация спектра; Идентификация спектральных линий — с целью установления элементного состава пробы (качественный анализ); Измерение интенсивности аналитических линий элементов пробы, подлежащих количественному определению; Нахождение количественного содержания элементов с помощью установленных предварительно градуировочных зависимостей.

3. Люминесцентный метод.

Люминесценцией называют свойство веществ излучать свет под воздействием различных возбуждающих факторов.

По определению люминесценцией называют избыточное свечение тела над тепловым (температурным) излучением того же тела в данной спектральной области при данной температуре и при условии, что это избыточное свечение обладает длительностью 10-10 с и больше, т. е. превышает период световых колебаний.

Если в основу классификации положен метод возбуждения молекул или атомов ультрафиолетовым излучением (или коротковолновой видимой частью спектра), то свечение называют фотолюминесценцией или флуоресценцией, если возбуждение происходит под действием катодных лучей — катодолюминесценцией, под действием рентгеновских лучей — рентгенолюминесцснцией, за счет энергии, возникающей при механических деформациях вещества - триболюминесценцией, за счет энергии нагревания вещества — кандолюминесценцией, за счет энергии химической реакции — хемилюминесценцией, известны и другие виды люминесценции.