Нефелометрия и турбидиметрия

1.

Нефелометрия и
турбидиметрия

2.

• Нефелометрия и турбидиметрия основаны на использовании
явления рассеяния или поглощения света твёрдыми или
коллоидными частицами, находящимися в жидкой фазе во
взвешенном состоянии.
• Эти методы применяют для анализа суспензий, эмульсий,
различных взвесей. Чувствительность методов достаточно высока,
однако по точности они уступают фотокалориметрии. Поэтому их
применяют для анализа только неокрашенных сред, например
сульфатов и хлоридов в природных водах.
• Термин «рассеяние» применительно к взаимодействию
излучательной энергии с веществом, описывает разнообразные
явления. При этом всегда имеется в виду случайное изменение
направления излучения.
• Рассеяние зависит от следующих факторов:
а) от длины волны излучения,
б) размера и формы рассеивающих частиц:
в) и иногда – от расположения их в пространстве.

3.

• При прохождении светового потока через взвеси мельчайших
частиц в растворителе, т.е. через дисперсную систему, наблюдается
боковое рассеяние света, благодаря чему свет, проходящий через
среду, имеет вид мутной полосы. Мутность её объясняется
рассеянием светового луча и зависит от различных причин. Если
линейные размеры частиц больше длины падающей световой
волны, то рассеяние света обусловлено преломлением света на
границе раздела «частица – растворитель» и отражением света
частицами. Если же линейные размеры частицы меньше длины
волны падающего света, то наблюдается дифракция световой
волны, огибание ею частицы.
• Интенсивность рассеянного света с увеличением числа
рассеивающих частиц возрастает; на этой закономерности
основаны два родственных аналитических метода определения
концентрации вещества: нефелометрия и турбидиметрия. Метод, в
котором используют линейное измерение, называют
тypбидиметpией, а метод с измерением под yrлом 90° (или
каким-либо друrим) – нефелометpией.

4.

• При нефелометрических определениях измеряют мощность
рассеяния света (Wр) в направлении, перпендикулярном
направлению первичного пучка, (рис. 2.1).
Рис.1 Схема измерения световых потоков в
нефелометрии и турбидиметрии.

5.

• 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;
n2 — показатель преломления растворителя.

6.

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 (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.

7.

• Турбидиметрия основана на измерении интенсивности потока,
прошедшего через раствор, содержащий взвешенные частицы. При
этом интенсивность проходящего света Iпр. уменьшается вследствие
поглощения и рассеяния светового потока. 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.

8.

• 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.).

9.

• 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, электрохимическими).

10.

• При турбидиметрических измерениях законы фотометрии
соблюдаются для очень разбавленных дисперсных систем.
Для получения суспензий с одинаковыми оптическими
свойствами необходимо строго соблюдать постоянство температуры, порядок и скорости смешивания растворов;
• большое значение имеет относительное пересыщение
растворов, присутствие посторонних веществ и др.
Указанные трудности практически отпадают, когда конечную
точку находят методом фотоэлектротурбидиметрического
титрования.

11.

• Требования к методикам в нефеолометрии и турбидиметрии
• 1. Вследствие того, что при работе этими методами обычно
применяют сильноразбавленные растворы, полученные взвеси
должны иметь ничтожную растворимость.
• 2. Получение правильных результатов при анализе суспензий
зависит от методики получения суспензий и от воспроизводимости
их оптических свойств. На это влияют следующие факторы:
• 1) концентрация ионов, образующих осадок;
• 2) отношение между концентрациями смешиваемых растворов;
• 3) скорость смешивания;
• 4) порядок смешивания;
• 5) время, требуемое для получения максимальной мутности;
• 6) стабильность дисперсности;
• 7) присутствие посторонних веществ;
• 8) температура; 8
• 9) наличие защитных коллоидов.
• 3. Взвеси должны быть устойчивы во времени. Для увеличения
стойкости взвеси часто применяют защитные коллоиды.

12.

• Таким образом, стандартизация условий подготовки
растворов к нефелометрическому и турбидиметрическому
определению необходима для получения правильных
результатов.
• Все указанные ограничения приводят к тому, что
рассматриваемые методы оказываются менее точными, чем
фотометрические.
• По точности турбидиметрия и нефелометрия уступают
фотометрическим методам, что связано с недостаточной
воспроизводимостью химико-аналитических свойств
суспензий. Преимущество нефелометрического и
турбидиметрического методов состоит в том, что с их
помощью можно определять элементы, которые не дают
устойчивых окрашенных соединений, а также, если
анализируемая проба уже является пригодной для
нефелометрии или турбидиметрии виде устойчивых
суспензий, т.е. они дополняют фотометрические методы.

13.

• Приёмы нахождения неизвестной концентрации в
нефелометрии и турбидиметрии
• В нефелометрии и турбидиметрии чаще всего используют два
из четырёх известных приёмов нахождения концентрации по
величине аналитического сигнала:
• Метод градуировочного графика.
• Нефелометрическое и турбидиметрическое титрование.
Основано на измерении Iрас или Акаж в ходе титрования.
Кривые тирования всегда имеют вид, показанный на рис.57.
Рис. 57. Кривые нефелометрического и турбидиметрического
титрования

14.

• Возрастание сигнала до т. э. связано с тем, что на этом этапе
титрования образуются всё новые и новые порции осадка,
поэтому мутность раствора возрастает. После т. э. осадок
перестаёт образовываться, и мутность остаётся практически
постоянной или незначительно понижается за счёт
разбавления раствора при титровании.
• Метод стандартов и метод добавок используются редко, что
обусловлено низкой точностью нефелометрического и
турбидиметрического методов анализа.

15.

• Приборы для нефелометрических и турбидиметрических измерений
• Для нефелометрических измерений используют нефелометры. Они
аналогичны фотоколориметрам. Отличие заключается в том, что
наблюдают не проходящий, а рассеянный свет, располагая фотоэлемент
сбоку кюветы (обычно перпендикулярно падающему свету).
• Для турбидиметрических измерений можно использовать приборы
абсорбционной спектроскопии – фотоколориметры, абсорбциометры,
спектрофотометры, а также специальные приборы –
фототурбидиметры. Они отличаются от фотоколориметров наличием
мешалки, благодаря чему частицы суспензии не оседают.
• Принципиальная схема приборов показана на рис. 58.
Рис. 58. Принципиальная схема приборов для нефелометрических и
турбидиметрических измерений

16.

• Основные узлы приборов для нефелометрических и
турбидиметрических измерений:
• источник излучения – лампа накаливания, т. к. измерения
проводятся только в видимой части спектра;
• монохроматизатор – светофильтр или дифракционная
решётка;
• кювета с образцом – стеклянная;
• детектор (приёмник излучения) – фотоэлемент;
• индикатор (измерительное устройство) – микроамперметр.

17.

• Контрольные вопросы
• 1. Что такое «нефелометрия» и «турбидиметрия»? Что общего и чем отличаются
эти методы анализа?
• 2. Поясните влияние на интенсивность рассеянного света различных факторов
(температура, концентрация определяемого вещества, размеры частиц, длина
волны падающего света, свойства жидкой фазы)?
• 3. В какой фазе гетерогенной системы находится определяемое вещество: а)
частицах взвеси, б) в жидкости?
• 4. Запишите уравнение Рэлея и поясните физический смысл входящих в него
величин.
• 5. Свет с какой длиной волны следует использовать в нефело-метрическом
методе анализа?
• 6. Что общего и чем отличаются турбидиметрический и фотометрический
методы анализа?
• 7. Назовите условия, которые необходимо выполнять при проведении
нефелометрического и турбидиметрического методов анализа.
• 8. Как влияют на правильность результатов анализа концентрация ионов,
образующих осадок, и отношение между концентрациями смешиваемых
растворов?
• 9. Как влияют на правильность результатов анализа скорость и порядок
смешивания растворов?