Kol

ory

met

ria

Wprowadzenie

Kolorymetria należy do grupy metod spektroskopowych

Metody spektroskopowe

metody

absorpcyjne

metody

emisyjne

inne metody

spektroskopowe

- spektrofotometria w nadfiolecie

- spektrofotometria w świetle widzialnym
(kolorymetria)

- spektrofotometria w podczerwieni

podstawa metody -
zależność intensywności zabarwienia roztworu od ilości
(stężenia) pochłaniającej promieniowanie substancji

Metody kolorymetryczne

Kolorymetryczne metody analizy opierają się na tworzeniu
barwnych połączeń przez oznaczany składnik

Należą one do metod bardzo czułych
zakres detekcji 10

-4

- 10

-6

mol/dm

3

dobra precyzja i dokładność pomiarów

duża selektywność zarówno samych substancji oznaczanych,
jak i selektywność odczynników wywołujących zmianę barwy

Oznaczenie metodą kolorymetryczną

Metody kolorymetryczne

przeprowadzenie oznaczanego

składnika w związek barwny

pomiar natężenia

barwy

Wiarygodność ilościowych oznaczeń metodą spektroskopową
zależy od spełnienia szeregu warunków takich jak:

• a) dobór odpowiedniego przyrządu, kontrola jego sprawności i
kalibracja zgodnie z instrukcją obsługi,

• b) przygotowanie próbek do pomiaru - roztwór analizowany musi być
jednorodny, substancje koloidalne i nie rozpuszczone należy rozpuścić
albo usunąć z analizowanej próbki, dobrać odpowiedni rozpuszczalnik,
który nie absorbuje promieniowania w badanym zakresie, ustalić
odpowiednie pH,

• c) dobór analitycznej długości fali, czyli długości fali przy której mierzy
się absorbancję substancji badanej.

Metody kolorymetryczne

1) w analizie ilościowej kationów metali

Zastosowanie spektrofotometrii UV/VIS :

2) w analizie ilościowej anionów nieorganicznych

3) w analizie ilościowej związków organicznych

4) do badania równowag reakcji n.p.: wyznaczania stałych
dysocjacji kwasów i zasad, ustalania składu i stałych
trwałości związków kompleksowych

5) w analizie jakościowej

λ

ν

c

h

h

E

⋅

=

⋅

=

gdzie: h - stała Plancka (6,62*10

-34

J· s),

ν - częstotliwość drgań [Hz , 1 Hz = 1 cykl/s],
c - prędkość światła (3*10

5

km/s),

λ - długość fali [nm , µm]

Zmiany energii ∆E w procesie absorpcji lub emisji są wprost
proporcjonalne do częstotliwości drgań (a odwrotnie do
długości fali) promieniowania elektromagnetycznego:

Podstawy teoretyczne

Podstawy teoretyczne

hν

absorpcja promieniowania

Metody spektrofotometrii w świetle widzialnym i nadfiolecie polegają
na pomiarze absorpcji promieniowania elektromagnetycznego.

n

*

stan wzbudzony

n

stan podstawowy

hν

emisja promieniowania

n

*

stan wzbudzony

n

stan podstawowy

Przechodzenie przez roztwór promieniowania ultrafioletowego
(UV) czy widzialnego (VIS) może wywołać w cząsteczkach
absorbujących przejścia

elektronów

pomiędzy poziomami

zewnętrznych (

walencyjnych

) powłok elektronowych

warunek konieczny

odpowiednia porcja energii

Podstawy teoretyczne

Prawa absorpcji i zakres ich stosowalności

Wszystkie rozważania dotyczące pomiarów spektrofotometrycznych
dotyczą wiązki równoległej promieniowania monochromatycznego
(o tej samej częstotliwości), o natężeniu promieniowania I

0

.

Jeżeli ośrodkiem pochłaniającym są: ciecz lub gaz, odległość b - to
odległość między wewnętrznymi, płaskimi i równoległymi ścianami
naczynia (kuwety), w którym znajduje się badana ciecz lub gaz.

Absorpcja promieniowania zależy od grubości warstwy - parametr b

Jeżeli ośrodkiem pochłaniającym jest ciało stałe, to odległość
b jest odległością pomiędzy dwiema płaskimi, równoległymi
powierzchniami tego ciała.

Prawa

absorpcji

ś

wiatła

dotyczą

zależności

natężenia

ś

wiatła

przechodzącego I

t

od natężenia światła padającego I

0

oraz od grubości

warstwy pochłaniającej i (dla roztworów ) od stężenia. Zależności te w
odniesieniu do grubości warstwy pochłaniającej podali Bouger i Lambert,
a w odniesieniu do stężenia Beer.

Jeżeli wiązka promieniowania o natężeniu początkowym I

0

pada na

ośrodek pochłaniający, to część promieniowania zostaje rozproszona (I

r

),

część pochłonięta (I

a

), a część przejdzie przez ośrodek (I

t

). Można więc

zapisać bilans:

I

0

= I

r

+ I

a

+ I

t

I

r

< 4 %, ponadto pomiaru dokonuje się

w taki sam sposób (I

r

=const.)

Prawa absorpcji i zakres ich stosowalności

I

0

= I

a

+ I

t

Połączone prawo Bougera -Lamberta -Beera

abc

t

I

I

−

⋅

=

10

0

Natężenie

promieniowania

monochromatycznego

przechodzącego przez ośrodek absorbujący jest wprost
proporcjonalne do natężenia światła padającego i maleje
wykładniczo przy liniowym wzroście grubości warstwy i
stężenia .

T

I

I

t

=

0

transmitancja

(przepuszczalność)

jaka część promieniowania
padającego została przepuszczona
przez ośrodek pochłaniający

Transmitancję można wyrazić w procentach lub przy pomocy
ułamka dziesiętnego. Skala transmitancji jest więc skalą liniową od
0 % do 100 %.

abc

T

I

I

t

=

=

1

lg

lg

0

Absorbancja roztworu zmienia się logarytmicznie od 0 do ∝,
przy czym transmitancji 100 % odpowiada absorbancja równa 0.

Prawo Bougera-Lamberta-Beera

A

c

b

I

I

A

t

⋅

⋅

=

=

ε

0

lg

molowy współczynnik

absorpcji

grubość warstwy

absorbującej (w cm)

stężenie roztworu

najczęściej w mol/dm

3

absorbancja
(ekstynkcja)

Jeżeli w roztworze o grubości warstwy b znajdują się
dwie

pochłaniające

substancje,

dla

których

współczynniki

absorpcji

i

stężenia

wynoszą

odpowiednio ε

1

i c

1

oraz ε

2

i c

2

, to absorbancja takiego

roztworu jest równa sumie absorbancji obu składników i
wynosi:

Prawo addytywności absorpcji

A= b⋅(ε

1

⋅c

1

+ ε

2

⋅c

2

)

Większość pomiarów spektrofotometrycznych wykonuje
się w roztworach.

Najlepsze rozpuszczalniki stosowane do pomiarów w UV/VIS
- etery
- alkohole
- nasycone węglowodory

W zakresie widzialnym można stosować dowolne,
czyste i bezbarwne rozpuszczalniki pod warunkiem,
ż

e nie reagują one z rozpuszczoną substancją badaną.

H

2

O

nie absorbuje ona w zakresie UV/VIS

powszechnie stosowany rozpuszczalnik

Warunki pomiarów

Przy

ocenie

i

wyborze

metody

oznaczenia

spektrofotometrycznego powinno brać się pod uwagę cały
szereg czynników, które wpływają na czułość, dokładność i
przebieg spektrofotometrycznych oznaczeń pośrednich:

Wybór metody

1) o czułości metody decyduje wielkość molowego
współczynnika absorbancji

2) niezmienność absorbancji w czasie,

3) należy wybierać metody, w których absorbancja w
najmniejszym stopniu zależy od pH roztworu.

Pomiary względne można realizować przez
porównanie z wzorcami różnymi metodami:

a) metodą krzywej kalibracyjnej ( metodą kalibracji )

b) metodą dodawania wzorca

c) metodą wzorca wewnętrznego

Wybór metody

gdzie:

Y - oznacza wielkość mierzoną,
c - stężenie analitu,
m - współczynnik,
b - wartość stała, będącą często wartością
eksperymentalną ślepej próby.

Y = m⋅c + b

Metoda krzywej kalibracyjnej (wzorcowej)

Równanie przedstawiające liniową zależność wielkości
mierzonej jako funkcję stężenia analitu Y = m⋅c, można
przedstawić w postaci bardziej uogólnionej:

Wartość ślepej próby jest to wartość mierzona zgodnie z
procedurą dla próbki, w której znajdują się wszystkie
składniki z wyjątkiem analitu.

Y

0

α

α

α

α

M

N

L

α

tg

_____

=

=

LM

MN

m

b

c

Współczynnik proporcjonalności
m jest nachyleniem krzywej
kalibracyjnej

Przygotowuje się roztwory wzorcowe o stężeniu analitu:
0 (ślepa próba), 1, 2, 3, 4, 5 i dla każdego roztworu mierzy się
wartość Y. Następnie wykreśla się krzywą kalibracyjną

Metoda krzywej kalibracyjnej (wzorcowej)

UWAGA !!! Wzorce i analit powinny być przygotowywane w

takim samym środowisku

)

krzywa kalibracyjna

Y

c

1

2

3

4

5

6

7

c

x

Y

x

Dla próbki badanej x
mierzy się wartość Y

x

z krzywej kalibracyjnej
odczytuje stężenie c

x

Aby pomiary przy użyciu krzywej kalibracyjnej dawały
prawidłowe wyniki, należy zdawać sobie sprawę z tego, że:

b) na wartość wielkości mierzonej może mieć duży wpływ
matryca, tzn. wszystkie te substancje, które znajdują się w
analizowanej próbce obok analitu.

0-a

- występuje

liniowa zależność Y
od c,
a-b

- w miarę wzrostu

stężenia analitu
obserwujemy wzrost
krzywizny dla
zależności Y od c.

Y

c

a

b

0

a) krzywa kalibracyjna ma ograniczony zakres prostoliniowości,
tak jak na rysunku

Metodę kalibracji można zastosować w postaci skróconej
gdy w równaniu:

Y = m⋅c + b

b=0

w

w

c

c

Y

Y

=

w

w

Y

c

Y

c

⋅

=

Wykonujemy wówczas tylko dwa pomiary:
1) dla próby badanej Y

Y = m· c

2) dla wzorca Y

w

Y

w

= m· c

w

Metoda krzywej kalibracyjnej (wzorcowej)

wersja uproszczona

Uwaga!!!
Na podobnej zasadzie oparta jest metoda dodatku wzorca