Сорбционно-фотометрическое определение молибдена в бобовых культурах

27



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» им. И.С. Тургенева

Факультет естественных наук

Кафедра химии











СОРБЦИОННО-ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ  ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛИБДЕНА В БОБОВЫХ КУЛЬТУРАХ







Научный руководитель:

к.х.н., доц.

Карпушина Г.И.                                            ____________ (подпись)



Рецензент:

к.х.н., доц.

Чепелев С.В                                                   ____________ (подпись)

 

Работа рассмотрена кафедрой и допущена к защите 

Заведующий кафедрой:

д.х.н., проф. 

Оскотская Э.Р.                                               ____________ (подпись)





Оценка ГАК ________________________













Орел – 2016


 ОГЛАВЛЕНИЕ 

	Введение	3

	Глава 1.Теоретическая часть	4

	1.1 Общая характеристика элемента	4

	1.1.1. Физические свойства молибдена	4

	1.1.2. Химические свойства молибдена	5

	1.1.3. Биологическое значение молибдена	7

		1.2 Способы и методы определения содержания металлов и химических элементов	8

	1.2.1Спектроскопические (оптические)методы анализа	11

	1.2.1.1 Спектрофотометрия.Теория вопроса,значение и принцип метода	12

	1.2.1.2.Аппаратура	13

	1.2.1.3 Принципиальные схемы приборов	16

	1.2.1.4 Порядок работы на приборе колориметр.Фотоэлектрический концетрационнный КФК-2	18

	1.2.1.4.1 Проведение измерений	18

	1.2.1.4.2 Использование результатов анализа	19

	1.3 Концентрирование веществ	19

	1.4 Сорбционные процессы в аналитической химии	22

	1. Применение хелатообразующих сорбентов в неорганическом анализе	26

	1.5.1 Сорбенты с комплексообразующими группами,привитыми к полимерной органической матрице (хелатообразующие сорбенты)	26

	Выводы к главе 1:	33

	Глава 2. Экспериментальная часть	34

	2.1  Химико-аналитическая характеристика молибдена	34

	2.1.1 Неорганические реагенты	36

	2.1.2 Роданиды	36

	2.2  Анализ растительных объектов,взятых для исследования	41

	2.2.1  Общие сведения о бобовых культурах и их применение в медицине	41

	2.3 Фотометрические методы определения молибдена в форме роданидных соединений.	50

	2.3.1 Определение молибдена экстрационно-фотометрическим методом	52

	2.4  Определение содержания молибдена в бобовых культурах фотометрическим роданидным методом	53

	2.4.1  Подготовка растительных проб для анализа	53

	2.4.1.1 Способ сухой минеразации	53

	2.4.1.1.1  Аппаратура,реактивы,материалы	53

	2.4.1.1.2 Ход анализа	54

	2.4.1.2 Способ мокрой минерализации	55

	2.4.1.2.1 Аппаратура, реактивы и материалы	55

	2.4.1.2. Ход анализа	55

	2.4.2 Приготовление растворов для анализа	56

	2.4.3 Анализ растительной пробы на предмет содержания молибдена фотометрическим роданидным методом	56

	2.4.3.1 Аппаратура и материалы	56

	2.4.3.2 Реактивы	57

	2.4.3.3 Сущность метода	58

	2.4.3.4 Ход анализа	58

	2.4.3.5  Обработка результатов анализа	59

	2.5. Определение содержания молибдена в бобовых культурах фотометрическим роданидным методом с предварительным концентрированием полимерными хелатообразующими сорбентами	59

	2.5.1 Подготовка растительной пробы для анализа	59

	2.5.2  Сорбционное концентрирование молибдена с использованием полимерных хелатообразующих сорбентов-полистирол-(азо-1)-2-окси-3-карбокси-5-роданобензолом	60

	2.5.2.1 Используемые реактивы и растворы	60

	2.5.2.2 Измерительная аппаратура	60

	2.5.2.3 Методика изучения процессов сорбции	60

	2.5.2.3.1 Кислотность сорбции	60

	2.5.2.3.2 Влияние времени и температуры	61

	2.5.2.3.3 Степень извлечения	62

	2.5.2.3.4 Результаты исследований	63

	2.5.3 Приготовление растворов для анализа	65

	2.5.4 Анализ растительной пробы на предмет содержания молибдена фотометрическим роданидным методом	65

	2.5.4.1 Аппаратура и материалы	65

	2.5.4.2 Реактивы	66

	2.5.4.3 Сущность метода	67

	2.5.4.4 Ход анализа	67

	2.5.4.5 Обработка результатов анализа	68

	2.5.4.6 Результаты анализа	68

	Выводы к главе 2:	69

	Выводы	70

	Список использованной литературы	71

	2. Зеликман, А.Н. Молибден. М.: Металлургия, 1970. – 145с.	71







Введение

Всем без исключения растениям для построения ферментных систем - биокатализаторов - необходимы микроэлементы, среди которых наибольшее значение имеют железо, марганец, цинк, бор, молибден, кобальт и др. Ряд ученых называют их "элементами жизни", как бы подчеркивая, что при отсутствии указанных элементов жизнь растений и животных становится невозможной. Недостаток микроэлементов в почве не приводит к гибели растений, но является причиной снижения скорости и согласованности протекания процессов, ответственных за развитие организма. В конечном итоге растения не реализуют своих возможностей и дают низкий и не всегда качественный урожай.

В настоящее время молибден по своему практическому значению выдвинут на одно из первых мест среди других микроэлементов, так как этот элемент оказался весьма важным фактором в решении двух кардинальных проблем современного сельского хозяйства - обеспечения растений азотом, а сельскохозяйственных животных белком.

Цель исследования – определение содержания молибдена в бобовых культурах с использованием модернизированной методики с предварительным концентрированием полимерными хелатообразующими сорбентами.

Задачи исследования:

1. Обобщить и систематизировать литературные данные об элементе - молибдене.

2. Обобщить и систематизировать литературные данные о методах определения молибдена в бобовых культурах. 

3. Определить оптимальные условия сорбции молибдена полистирол-(азо-1)-2-окси-3-карбокси-5-роданобензолом.

          4. Осуществить анализ растительных объектов семейства бобовые на предмет содержания молибдена с помощью спектрофотометрического метода анализа с предварительным концентрированием полимерными хелатообразующими сорбентами.

Глава 1.Теоретическая часть

1.1 Общая характеристика элемента

Молибден (лат. Molybdaenum), Mo, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 42, атомная масса 95,94; светло-серый тугоплавкий металл.

Открыт в 1778 шведским химиком К. Шееле, который прокаливая молибденовую кислоту, получил оксид МоО3. Восстановив его углем, он получил молибден. Этот металл был загрязнен углем и карбидом молибдена. Хотя во времена Шееле и не знали, что «земли» представляют собой оксиды металлов, уникальная химическая интуиция подсказывала ему, что металл можно получить прокаливанием молибденовой кислоты с углем. Экспериментальные трудности (у него не было подходящей печи) не позволили Шееле самостоятельно решить эту задачу и лишь в 1782 шведскому химику Петеру Якобу Гьельму (Peter Jacob Hjelm), которому Шееле прислал образец молибденовой кислоты, удалось восстановить ее углем и получить королек металла (сильно загрязненного карбидами). Чистый молибден в 1817 получил Й. Берцелиус [1]. 



1.1.1. Физические свойства молибдена

Известен 31 изотоп молибдена с 83Мо по 113Мо. Из них стабильные: 92Мо, 94Мо – 98Мо. 

Шесть этих изотопов и 100Мо (Т1/2 = 1,00·1019 лет) встречаются в природе: 92Мо(14,84%), 94Мо(9,25%), 95Мо(15,92%), 96Мо(16,68%), 97Мо(9,55%), 98Мо(24,13%),100Мо(9,63%). Самые нестабильные изотопы элемента № 42 имеют периоды полураспада менее 150 нс. Наиболее устойчивая степень окисления +6.

Молибден кристаллизуется в кубической объемноцентрированной решетке с периодом а = 3,14?. Атомный радиус 1,4А, ионные радиусы Мо4+ 0,68А, Мо6+ 0,62А. Плотность 10,2 г/см3 (20 °С); tпл 2620 °С; tкип около 4800 °С. Удельная теплоемкость при 20-100°С 0,272 кДж/(кг·К), то есть 0,065 кал/(г·град). Теплопроводность при 20°С 146,65 вт/(м·К), то есть 0,35 кал/(см·сек·град). Термический коэффициент линейного расширения (5,8-6,2)·10-6 при 25-700 °С. Удельное электрическое сопротивление 5,2·10-8 ом·м, то есть 5,2·10-6 ом·см; работа выхода электронов 4,37 эв. Молибден парамагнитен; атомная магнитная восприимчивость -90·10-6 (20 °С). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,916 К.

Механические свойства Молибдена зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической его обработки. Так, твердость по Бринеллю 1500-1600 Мн/м2, то есть 150-160 кгс/мм2(для спеченного штабика), 2000-2300 Мн/м2 (для кованого прутка) и 1400-1850 Мн/м2 (для отожженной проволоки); предел прочности для отожженной проволоки при растяжении 800-1200 Мн/м2. Модуль упругости Молибден 285-300 Гн/м2. Молибден более пластичен, чем вольфрам. Рекристаллизующий отжиг не приводит к хрупкости металла. Модуль упругости для молибдена 285-300 ГПа.

В совершенно чистом состоянии компактный молибден пластичен, ковок, тягуч, довольно легко подвергается штамповке и прокатке. При высоких температурах (но не в окислительной атмосфере) прочность молибдена превосходит прочность большинства остальных металлов. При загрязнении углеродом, азотом или серой молибден, подобно хрому, становится хрупким, твердым, ломким, что существенно затрудняет его обработку. Водород очень мало растворим в молибдене, поэтому не может заметно влиять на его свойства. Молибден – хороший проводник электричества, он в этом отношении уступает серебру всего в 3 раза. Электропроводность молибдена больше, чем у платины, никеля, ртути, железа и многих других металлов [2].



1.1.2. Химические свойства молибдена

На воздухе при обычной температуре Молибден устойчив. Начало окисления (цвета побежалости) наблюдается при 400 °С. Начиная с 600 °С металл быстро окисляется с образованием МоО3. Пары воды при температурах выше 700 °С интенсивно окисляют Молибден до МоО2. С водородом Молибден химически не реагирует вплоть до плавления. Фтор действует на Молибден при обычной температуре, хлор при 250 °С, образуя MoF6 и МоСl6. При действии паров серы и сероводорода соответственно выше 440 и 800 °С образуется дисульфид MoS2.

Энергичное взаимодействие молибдена с водяным паром начинается при 700° С, а с кислородом – при 500° С:

Mo + 2H2O = MoO2 + 2H2

2Mo + 3O2 = 2MoO3.

Разбавленные и концентрированные минеральные кислоты при нагревании растворяют молибден, но концентрированная HNO3пассивирует его. При повышенных температурах с молибденом взаимодействуют сера, селен, мышьяк, азот, углерод и многие другие неметаллы [3].

Основным промышленным способом получения металлического молибдена является реакция MoO3 с водородом:

MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O.

Особая группа соединений молибдена — молибденовые сини. При действии сернистого газа, цинковой пыли, алюминия или других восстановителей на слабокислые (рН 4) суспензии оксида молибдена образуются ярко-синие вещества переменного состава: Мо2О5·Н2О, Мо4О11·Н2О и Мо8О23·8Н2О.

Mo образует молибдаты, соли не выделенных в свободном состоянии слабых молибденовых кислот, хН2О· уМоО3 (парамолибдат аммония 3(NH4)2O·7MoO3· zH2O; СаМоО4, Fe2(МоО4)3 — встречаются в природе). Молибдаты металлов I и III групп содержат тетраэдрические группировки [МоО4].

При подкислении водных растворов нормальных молибдатов образуются ионы MoO3OH–, затем ионы полимолибдатов: гепта-, (пара-) Мо7О266-, тетра-(мета-) Мо4О132-, окта- Мо8О264- и другие. Безводные полимолибдаты синтезируют спеканием МоО3 с оксидами металлов.

Существуют двойные молибдаты, в состав которых входят сразу два катиона, например, М+1М+3(МоО4)2, М+15М+3(МоО4)4. Оксидные соединения, содержащие молибден в низших степенях окисления — молибденовые бронзы, например, красная K0,26MoO3 и синяя К0,28МоО3. Эти соединения обладают металлической проводимостью и полупроводниковыми свойствами [4].



1.1.3. Биологическое значение молибдена

В настоящее время молибден по своему практическому значению выдвинут на одно из первых мест среди других микроэлементов, так как этот элемент оказался весьма важным фактором в решении двух кардинальных проблем современного сельского хозяйства - обеспечения растений азотом, а сельскохозяйственных животных белком.

Установлена необходимость молибдена для роста растений вообще. При недостатке молибдена в тканях растений накапливается большое количество нитратов и нарушается нормальный азотный обмен.

Молибден участвует в углеводородном обмене, в обмене фосфорных удобрений, в синтезе витаминов и хлорофилла, влияет на интенсивность окислительно-восстановительных реакций. После обработки семян молибденом в листьях повышается содержание хлорофилла, каротина, фосфора и азота.

Установлено, что молибден входит в состав фермента нитратредуктазы, осуществляющей восстановление нитратов в растениях. Активность этого фермента зависит от уровня обеспеченности растений молибденом, а так же от форм азота, применяемых для их питания. При недостатке молибдена в питательной среде резко снижается активность нитратредуктазы.

Нитратредуктаза при участии молибдена катализирует восстановление нитратов и нитритов, а нитритредуктаза также при участии молибдена восстанавливает нитраты до аммиака. Этим объясняется положительное действие молибдена на повышение содержания белков в растениях.

Под влиянием молибдена в растениях увеличивается также содержание углеводов, каротина и аскорбиновой кислоты, повышается содержание белковых веществ. Воздействием молибдена в растениях увеличивается содержание хлорофилла и повышается интенсивность фотосинтеза [5].

Недостаток молибдена приводит к глубокому нарушению обмена веществ у растений. Симптомам молибденовой недостаточности предшествует в первую очередь изменение в азотном обмене у растений. При недостатке молибдена тормозится процесс биологической редукции нитратов, замедляется синтез амидов, аминокислот и белков. Все это приводит не только к снижению урожая, но и к резкому ухудшению его качества. Недостаток молибдена в растениях проявляется в светло-зеленой окраске листьев, при этом сами листья становятся узкими, края их закручиваются внутрь и постепенно отмирают, появляется крапчатость, жилки листа остаются светло-зелеными, стебли и черешки растений становятся красновато-бурыми.

Значение молибдена в жизни растений довольно разнообразно. Он активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями, способствует синтезу и обмену белковых веществ в растениях. Наиболее чувствительны к недостатку молибдена такие культуры как соя, зерновые бобовые культуры, клевер, многолетние травы. Потребность растений в молибденовых удобрениях обычно возрастает на кислых почвах, имеющих рН ниже 5,2 [6].



Способы и методы определения содержания металлов и химических элементов



Содержание металлов (химических элементов) в различных средах может определяться рядом методов химического и физико-химического анализа – весовым, спектральными, электрохимическими и другими. В зависимости от количества анализируемого вещества содержание металлов может определяться методами макро-, полумикро- и микроанализа. 

Содержание металлов весовым методом определяется путем перевода пробы в раствор – за счет химического растворения в подходящем растворителе (воде, водных растворах кислот, реже щелочей) или сплавления с подходящим флюсом из числа щелочей, оксидов, солей с последующим выщелачиванием водой. После этого соединение искомого металла переводится в осадок добавлением раствора соответствующего реагента – соли или щелочи, осадок отделяется, высушивается или прокаливается до постоянного веса, и содержание металлов (металла) определяется взвешиванием на аналитических весах и пересчетом на исходное содержание в пробе. При квалифицированном применении метод дает наиболее точные значения содержания металлов, но требует больших затрат времени [7].

Для определения содержания металлов электрохимическими методами пробу также необходимо перевести в водный раствор. После этого содержание металлов определяется различными электрохимическими методами – полярографическим (вольтамперометрическим), потенциометрическим, кулонометрическим, кондуктометрическим и другими, а также сочетанием некоторых из перечисленных методов с титрованием. В основу определения содержания металлов указанными методами положен анализ вольтамперных характеристик, потенциалов ион-селективных электродов, интегрального заряда, необходимого для осаждения искомого металла на электроде электрохимической ячейки (катоде), электропроводности раствора и др., а также электрохимический контроль реакций нейтрализации и др. в растворах.

Эта группа методов позволяет определять содержание различных металлов в широком диапазоне концентраций с удовлетворительной точностью, но трудоемкость указанных методов также довольно высока [8].

Достаточно разнообразна группа спектральных методов определения содержания металлов. В нее входят, в частности, различные методы определения содержания металлов из анализа характеристических спектров электромагнитного излучения атомов – атомный эмиссионный анализ, атомный абсорбционный анализ, спектрофотометрия, масс-спектрометрия, рентгеноспектральный анализ. 

Содержание металлов в очень малых (примесных) концентрациях – чаще радиоактивных изотопов соответствующих элементов, но и не радиоактивных тоже – определяется рядом методов ядерной спектрометрии (бета-, гамма-спектрометрии, а также нейтронно-активационного анализа).

В некоторых случаях содержание металлов определяется комплексными методами, сочетающими спектральные и электрохимические – например, спектрополяриметрией.

К преимуществам спектральных методов относится их высокая чувствительность и, как следствие, небольшие количества пробы, необходимые для анализа содержания металлов в пробе. Вместе с тем, для осуществления ряда из них (атомный абсорбционный анализ, спектрофотометрия, спектрополяриметрия) пробу необходимо перевести в раствор, что обуславливает довольно высокую трудоемкость таких анализов на содержание металлов. Методы ядерной спектрометрии, как уже сказано, довольно специфичны [9].

Из числа спектральных методов определения содержания металлов наиболее привлекательным представляется один из вариантов рентгеноспектрального анализа – рентгенофлуоресцентный анализ. Этот метод универсален и позволяет определять содержание металлов в широком диапазоне атомных номеров элементов. 

Рентгенофлуоресцентный анализ обладает рядом несомненных достоинств: 

он является неразрушающим методом контроля, не разрушает и не деформирует пробу;

предъявляет минимальные требования к пробоподготовке, чаще всего – не требует никакой;

делает ненужной измерение количества пробы – взвешивание, измерение объема и т.п.

Использующие этот метод приборы – позволяют проводить количественный анализ содержания металлов и других элементов без использования стандартных образцов и калибровки. Кроме того, использование упрощенной пробоподачи – делает эти приборы высокопроизводительными современными аналитическими инструментами для определения содержания металлов и других химических элементов в различных средах [9].

Наиболее часто встречающиеся аналитические задачи определения содержания металлов в различных средах – анализ природных минеральных и питьевых, промышленных и коммунальных сточных вод на содержание тяжелых металлов; определение содержания тяжелых металлов в почвах, промышленных выбросах, воздухе рабочей зоны; анализ различных растворов на содержание металлов; определение содержания металлов в нефти, попутных водах (рассолах) и нефтепродуктах; анализ различных сплавов на содержание цветных металлов; анализ углеродистых сталей на содержание легирующих добавок; анализ ювелирных изделий на содержание драгметаллов (драгоценных металлов); анализ моторных масел на содержание металлов с целью определения износа двигателей; анализ катализаторов на содержание металлов (чаще – драгоценных металлов из групп палладия и платины) [10].



1.2.1Спектроскопические (оптические)методы анализа

         Спектроскопические методы анализа основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.

По значению используемых длин волн принято различать следующие разновидности методов оптической спектроскопии:

	ультрафиолетовая (180 - 400 нм);

	спектроскопия в видимой области (400 - 700 нм);

	спектроскопия в ближней (обертонной) инфракрасной области (740 -2500 нм или 4000 - 10000 см-1);

	инфракрасная спектроскопия в основной области (2500 - 20000 нм или 200-4000 см-1).

Взаимодействие вещества с электромагнитным излучением сопровождается различными явлениями, наиболее важными из которых для современного аналитического применения являются испускание, поглощение, отражение, рассеяние, преломление, вращение плоскости поляризации излучения.

В зависимости от использования того или иного явления оптические методы анализа можно разделить на следующие группы:

	методы, основанные: на поглощении (абсорбции) веществом электромагнитного излучения (спектрофотометрия, фотометрия, атомно-абсорбционный метод);

	 эмиссионные методы, в основе которых лежит способность вещества испускать электромагнитные волны под действием дополнительной энергии (источника возбуждения). В зависимости от формы возбуждения атомов эмиссионные методы делятся на фотометрию пламени, эмиссионный спектральный анализ, атомно-флуоресцентный, люминесцентный, атомно-эмиссионный с индуктивно связанной аргоновой плазмой (ИСП) и др.;

	3) рефрактометрический метод анализа, основанный на изменении
величины показателя преломления света при переходе из одной
прозрачной среды в другую, и поляриметрический метод, в котором
используют способность оптически активных веществ вращать плоскость
поляризации поляризованного луча света [11].

	

1.2.1.1 Спектрофотометрия.Теория вопроса,значение и принцип метода

                 Спектроскопию в видимой и УФ-областях традиционно называют спектрофотометрией.

Спектрофотометрия основана главным образом на измерении поглощения веществом монохроматических излучений (включая случаи использования приборов, имеющих упрощенный способ монохроматизации с помощью светофильтров).

Сложная кривая зависимости светопоглощения от длины волны называется спектром поглощения вещества.

В практике спектрофотометрии используют различные химические реакции, приводящие к образованию соединений, обладающих сравнительно большими поглощающими свойствами. Чаще всего используют реакции комплексообразования.

Количественные закономерности поглощения веществом электромагнитного излучения подчиняются закону Бугера-Ламберта:

	                I= I010 -kl	

где I0 - интенсивность падающего потока излучения, I- интенсивность потока излучения, прошедшего через вещество; k - коэффициент поглощения (соответствует величине, обратной толщине поглощающего слоя, необходимой для ослабления интенсивности падающего излучения в 10 раз); l - толщина поглощающего слоя.

	Логарифм отношения Io /I принято называть оптической плотностью и
обозначать символом  D:	

	D = lg (Io /I).

	Отношение I/I0 называется коэффициентом пропускания (Т) и выражается обычно в %:	

	Т= 100 Io /I

Коэффициент поглощения k, фигурирующий в формуле (1), связан с концентрацией поглощающего компонента С соотношением (закон Бера):

k = ас,

где с - молярная концентрация компонента, а - молярный коэффициент погашения (численно равен оптической плотности раствора с концентрацией 1 моль/л при толщине поглощающего слоя в 1 см). Объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера выражается уравнением:

D = есl.

Оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе и толщине поглощающего слоя. Графически эта зависимость выражается прямой линией, называемой градуировочным графиком.

Поведение светопоглощающих систем подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера лишь при монохроматичности излучения и отсутствии химических изменений в поглощающей системе.



1.2.1.2.Аппаратура

Прибор для измерения светопоглощения должен выполнять две основные задачи: 

1) разложение полихроматического света и выделение нужного интервала длин волн

2) измерение поглощения света веществом.

Каждый абсорбционный прибор включает: источник излучения, устройство для выделения нужного интервала длин волн, кюветное отделение, детектор, индикатор сигнала.

Источники. В спектрофотометрии в качестве источника в основном используют лампы накаливания, испускающие непрерывное излучение. В ближней УФ, видимой и ближней ИК-областях - это вольфрамовые лампы, в УФ-области - водородные, дейтериевые, ксеноновые лампы. Для калибровки спектрофотометров используют ртутную лампу.

Светофильтры и монохроматоры служат для выделения из потока излучения достаточно узкого спектрального интервала. Каждый светофильтр характеризуется величиной  ? (в максимуме пропускания Тmaх) и полушириной пропускания ?2 – ?1 при 1/2 Тmах (рис. 1). Чем меньше абсолютная величина полуширины пропускания, тем более узкий участок спектра можно выделить светофильтром. Цвет светофильтра обычно совпадает с участком выделяемого спектра.



Рис. 1. Оптическая схема характеристики светофильтра (по Полуэктову)

          Светофильтр для работы выбирают таким образом, чтобы выделить область спектра, которую наиболее полно поглощает анализируемое вещество. Для этого готовят два раствора исследуемого вещества с таким расчетом, чтобы концентрации их немного различались. Оба раствора фотометрируют с различными светофильтрами. Тот светофильтр, при котором разность в показаниях оптической плотности будет наибольшая, выбирают для дальнейшей работы.

Светофильтры не обеспечивают высокой монохроматизации излучения, что при измерении растворов с высокой концентрацией анализируемого вещества приводит к отклонению от линейной зависимости между величинами D и С (закона Бугера-Ламберта-Бера).

Использование прибора с монохроматором в большинстве случаев делает возможным количественное определение тех же растворов.

Монохроматоры позволяют разложить непрерывное излучение на монохроматические составляющие при помощи призм или дифракционных решеток. Ширина выделяемого спектрального интервала зависит от конструкции прибора.

Кюветы. В спектрофотометрии измеряют не абсолютное значение оптической плотности, а разность оптических плотностей исследуемого раствора и раствора сравнения. Кювету с исследуемым раствором называют рабочей, а с раствором сравнения - кюветой сравнения. Кюветы бывают различной формы и с различной шириной поглощающего слоя (от 0,2 до 100 мм). Точная ширина поглощающего слоя обозначена на рабочей грани кюветы. В приборе кювету располагают таким образом, чтобы ее рабочая грань была перпендикулярна направлению потока излучения.

Для работы кювету выбирают следующим образом: в одну из кювет набора наливают раствор средней концентрации (из серии приготовленных анализируемых растворов) и измеряют его оптическую плотность с предварительно выбранным светофильтром. Кювету оставляют для работы, если измеренная оптическая плотность находится в пределе 0,3 - 0,5.

Для фотометрирования растворов в видимой области спектра используют кюветы из шлифованного оптического стекла, для работы в ультрафиолетовой области - из шлифованного кварца.

Детекторы. Для детектирования излучения применяют устройства, основанные на явлении фотоэффекта, - фотоэлементы. Для приема сигнала в видимой и УФ-областях обычно используют сурьмяно-цезиевый (180 - 650 нм) и кислородно-цезиевый (600 - 1100 нм) фотоэлементы, а также фотоумножители. Если интенсивность падающего потока невелика, фиксировать импульсы от отдельных фотонов можно с помощью специальных электронных устройств - счетчиков фотонов.

В качестве индикаторов сигнала используют гальванометры или миллиамперметры.



1.2.1.3 Принципиальные схемы приборов

           В зависимости от способа измерения различают одно- и двухлучевые  приборы,  от  способа  монохроматизации  -  фотоэлектроколориметры и спектрофотометры.

Фотоэлектроколориметры имеют простую конструкцию, их чаще используют для выполнения серийных анализов.

Двухлучевые приборы. В этих приборах излучение от источника разделяется на два потока. Один проходит через анализируемый раствор, другой - через раствор сравнения. В приборе с двумя детекторами сигнал регистрируется компенсационным методом (световые потоки уравниваются путем изменения ширины щели (диафрагмы). Обычно изменяющаяся диафрагма связана с барабаном, на который нанесены соответствующие шкалы в единицах пропускания или оптической плотности. Примером таких приборов служат фотоэлектроколориметры ФЭК-М, ФЭК-56.

В приборах с одним детектором используют попеременную (при помощи модулятора) подачу сигнала световых потоков, прошедших через рабочую кювету и кювету сравнения. Оба потока складываются, на один фотоэлемент попадает суммарный поток излучений. Сигнал регистрируется компенсационным методом. Подобную оптическую схему имеет фотоэлектроколориметр ФЭК-60 (рисунок 2).



















Рис. 2. Фотоколориметр ФЭК-60

	1 - нулевой гальванометр,

	2 - барабан измерительной диафрагмы,

	3 - барабан компенсационной диафрагмы,

	4 - рукоятка потенциометра,

	5 - рукоятка переключения светофильтров,

6 - отделение для светофильтров,

	7 - кнопка для включения высокой чувствительности.

Двухлучевые спектрофотометры устроены по тому же принципу, что и фотоэлектроколориметры, но схемы их более сложные. Детектирование всегда осуществляется одиночным детектором. Примером таких спектрофотометров служат СФ-10, СФ-14.

Однолучевые приборы. В этом типе приборов излучение от источника проходит только через рабочую кювету или кювету сравнения поочередно. При прохождении светового потока через кювету сравнения возникший фототок (отклонение стрелки гальванометра) компенсируют изменением ширины щели. После этого на пути светового потока помещают рабочую кювету и вызванное изменение фототока компенсируют потенциометром, на шкале которого нанесены единицы пропускания или оптической плотности. По принципу однолучевой схемы работают колориметр фотоэлектрический однолучевой (КФО), колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2 (рис. 3), спектроколориметр «Спекол» (рис. 4) и др. 



1.2.1.4 Порядок работы на приборе колориметр.Фотоэлектрический концетрационнный КФК-2 

Общий вид прибора показан на рисунке 3. 



1.2.1.4.1 Проведение измерений

1. Рукояткой 3 устанавливают нужный светофильтр.

2. Применяя светофильтры с маркировкой 540 нм и менее, ручку 5 «Чувствительность» устанавливают в одно из положений, отмеченных черным цветом («1», «2», «3»). При использовании светофильтров с маркировкой 590 нм и более ручку 5 «Чувствительность» устанавливают в одно из положений, отмеченных красным цветом.

3. В световой поток помещают кювету сравнения, закрывают крышку кюветного отделения и ручками 6 («100 грубо» и «Точно») устанавливают отсчет 100 по шкале 1. Затем поворотом ручки 4 кювету сравнения заменяют рабочей кюветой.

4. Снимают отсчет, соответствующий коэффициенту пропускания анализируемого раствора. По стандартным растворам строят градуировочный график.



Рис. 3. Фотоколориметр КФК-2

1 - микроамперметр,

2 - источник освещения.

3 - ручка переключения длин волн

4 - ручка смены кювет

5 – «чувствительность» (переключатель фотоприемников)

6 – установка «100»

7 – тумблер включения приборов 

8 – кюветная камера



1.2.1.4.2 Использование результатов анализа

Абсорбционная спектрофотометрия наиболее широко применяется в агрохимической практике. Данный метод позволяет количественно определить в почвах, растениях, природных водах основные макросы, Р, С, Fe, Al, Са, Mg, Si и микро- или биомикроэлементы - Сu, Mn, Со, Zn, В, Мо, тяжелые металлы с выраженным токсическим действием (РЬ, Cd, Сг, Hg, As и др.), некоторые показатели биохимического и физиологического состояния растений. Полученная информация необходима при оценке обеспеченности агроэкосистем элементами питания, а также при контроле за получением экологически безопасной сельскохозяйственной продукции [12].



1.3 Концентрирование веществ

Научно-технический прогресс поставил перед аналитической химией важную проблему анализа малых количеств веществ-примесей в полупроводниковых, ядерных, люминофорных материалах, требующих особо высокой чистоты. Эта задача решается специальными методами, которые требуют повышения чувствительности аналитических определений, для чего проводят концентрирование - повышение концентрации веществ. Для концентрирования применяют испарение, озоление, осаждение, экстракцию, избирательную адсорбцию, кристаллизацию, электрохимическое концентрирование и ряд других методов [13]. 

Количественную оценку концентрирования осуществляют с помощью коэффициента (фактора) концентрирования F:

F = Q1?Q20/ Q2?Q10       

где Q10, Q20- количества концентрируемого вещества и основного компонента (основы) до концентрирования; Q1, Q2 - количества концентрируемого вещества и основы после концентрирования.

Например, если в 1т раствора содержалось 2г золота, то при упаривании раствора до 10 дм3 фактор концентрирования равен:

F = 2 ? 1000/ 10 ? 2 = 100, что означает 100-кратное концентрирование золота [14].

Из методов испарения для концентрирования применяют выпаривание, сублимацию (возгонку) основы, в которой заключен концентрируемый элемент. Пределы применения методов испарения обусловливаются устойчивостью определяемого вещества к температурным воздействиям, его летучестью, окисляемостью. Путем испарения часто концентрируют водные и другие растворы, предварительно в случае необходимости переводя вещество в нелетучую форму. Если вещество неустойчиво при повышенных температурах, упаривание проводят в вакууме, что позволяет снизить температуру. Иногда применяют испарение определяемого вещества, если оно более летуче, чем основа. Таким методом можно сконцентрировать иод (сублимация), эфирное масло из растительного сырья (перегонка), металлы (при высоких температурах).

Озоление как метод концентрирования применяют в тех случаях, когда неорганические вещества находятся в большой массе органической и сгораемой неорганической основы. Например, микроэлементы в растительном и животном сырье часто концентрируют путем сжигания на воздухе высушенной массы сырья. Образующаяся при этом в небольшом количестве зола содержит определяемые микроэлементы.

Кристаллизация широко применяется для концентрирования примесных материалов. Здесь, например, используют зонную плавку, позволяющую существенно увеличить концентрацию микропримесей, при этом удается очистить основу и выделить микрокомпоненты в сконцентрированном виде. Зонную плавку проводят, расплавляя пробу, находящуюся в длинной трубке, в одной зоне, затем зону расплава перемещают специальными приемами (кольцевая печь) вдоль трубки, при этом микропримеси вследствие отличий своих свойств концентрируются в расплаве и передвигаются вместе с ним.

Употребительным методом концентрирования является экстракция из растворов и твердых тел. При экстракции из водных растворов используют реактивы (обычно комплексообразователи), с помощью которых концентрируемое вещество переводят в форму, растворимую в экстрагенте, не смешивающимся с водой. При .......................