Фотометрические методы анализа

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство «Наука»
2012

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Учебное пособие

Н.Н. Федоровский, Л.М. Якубович, А.И. Марахова

Рекомендовано ГОУ ВПО Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова в качестве учебного пособия 
для студентов учреждений высшего профессионального образования, 
обучающихся по специальности 060301.65 «Фармация», по дисциплине 
«Органическая химия»; специальности 060105.65 «Медико-профилактическое дело», по дисциплине «Биоорганическая химия»; по специальности 
060101.65 «Лечебное дело», по дисциплине «Химия»; по специальности 
260800 «Технология продукции и организация общественного питания», 
по дисциплине «Химия».
Регистрационный № рецензии 159 от «26» мая 2011 г. ФГУ «ФИРО».

УДК  543(075.8)
ББК  24.4я73
          Ф33

Ф33

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73

ISBN 978-5-9765-1323-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-02-037728-8 (Наука)

© Федоровский Н.Н., Якубович Л.М., 
Марахова А.И., 2012
©  Издательство «ФЛИНТА», 2012

Федоровский Н.Н.
Фотометрические методы анализа : учеб. пособие / 
Н.Н. Федоровский, Л.М. Якубович, А.И. Марахова. – М. : 
ФЛИНТА : Наука, 2012. – 72 с.

ISBN 978-5-9765-1323-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-02-037728-8 (Наука)

Первая часть пособия содержит краткие теоретические сведения, позволяющие понять существо взаимодействия электромагнитного излучения 
с веществом, ознакомиться с принципом фотометрии, его особенностями, а 
также некоторыми вариациями его использования. Вторая – практическая – 
часть пособия включает лабораторные работы и вопросы для самопроверки.
Для студентов медицинских, фармацевтических и технологических 
вузов.

Р е ц е н з е н т ы:
д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой органической 
химии Первого Московского гос. мед. университета 
им. И.М. Сеченова В.Л. Белобородов;
д-р фарм. наук, ст. науч. сотр. лаборатории разработки и внедрения 
новых лекарственных средств Научно-исследовательского 
института фармации Первого Московского гос. мед. университета 
им. И.М. Сеченова Т.М. Соколова

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................................................... 4
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................................... 5
Принцип фотометрического метода анализа ......................................................... 9
Определение концентрации поглощающего вещества ....................................... 14
Применение фотометрического метода для изучения равновесий ................... 18
Смеси поглощающих частиц ................................................................................ 18
Фотометрическое титрование ............................................................................... 23
Метрология спектрофотометрического метода .................................................. 26
Правильность спектрофотометрических данных ......................................... 26
Сходимость спектрофотометрических данных ............................................. 27
Воспроизводимость спектрофотометрических данных ............................... 28
Предел обнаружения и минимально определяемая концентрация ............. 29

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общие правила проведения спектрофотометрического анализа ...................... 30
Лабораторная работа 1. Определение суммы флавоноидов в пересчете
на рутин в листьях шалфея ............................................................................. 30
Лабораторная работа 2. Определение общей жесткости воды методом
спектрофотометрического титрования .......................................................... 34
Лабораторная работа 3. Определение констант равновесия реакции
2Fe3+ + 2I– 2Fe2+ + I2 фотометрическим методом ...................................... 44
Лабораторная работа 4. Определение концентрации хлорид-ионов
в растворе .......................................................................................................... 46
Лабораторная работа 5. Определение рН раствора колориметрическим
методом ............................................................................................................. 48
Лабораторная работа 6. Спектрофотометрическое определение ионов
железа (II) .......................................................................................................... 51
Лабораторная работа 7. Определение пикриновой кислоты
спектрофотометрическим методом ................................................................ 54
Лабораторная работа 8. Определение нитратного азота в воде
спектрофотометрическим методом ................................................................ 56
Лабораторная работа 9. Экстракционно-спектрофотометрическое
определение свинца в листьях ........................................................................ 59
Лабораторная работа 10. Спектрофотометрическое определение
неорганического фосфора в сыворотке крови ............................................... 61

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ............................................................. 65
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ .................................................................................. 65
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 69

ВВЕДЕНИЕ

Исследовательская и практическая работа в области естественных наук часто требует количественного и качественного анализа 
различных веществ, кинетики их превращения, изучения возможных равновесий и других физико-химических характеристик. В настоящее время существует и используется большое количество самых разнообразных методов анализа.
Наиболее простым и по этой причине широко используемым 
методом является спектрофотометрия в видимой и ультрафиолетовой областях. Этот метод получил всеобщее признание в химии, 
медицине, фармации – в количественном анализе веществ, контроле качества воды, лекарственных средств и т.д.
Настоящее учебное пособие предлагает краткие теоретические 
сведения, позволяющие понять существо взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, ознакомиться с принципом фотометрии, особенностями этого метода, а также некоторыми вариациями его использования.
Кроме того, пособие поможет студентам подготовиться к выполнению ряда лабораторных работ и ответить на вопросы по теме. 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

Физический метод, основанный на поглощении (абсорбции) света (электромагнитного излучения) определенной 
длины волны (частоты) веществом, называется фотометрическим методом. Школьные опыты показывают, что призма 
разлагает белый цвет на ряд составляющих, то есть белый 
цвет является сложным и состоит из цветов различных длин 
волн (частот). Энергия электромагнитного излучения, в свою 
очередь, связанная с частотой знаменитой формулой Планка 

E = hϑ = h c
λ , пропорциональна частоте световой волны. Таким образом, ряд, составляющий белый цвет, можно определить по частотам (ϑ), длинам волн (λ) и энергиям (E):

Человеческий глаз воспринимает лучи с длиной волны от 
400 до 750 нм (1 нм = 10-9 м). Такой спектр называется видимым, хотя весь набор электромагнитных колебаний простирается довольно широко (рис.1).

Рис. 1. Фрагмент шкалы электромагнитного излучения

красный  оранжевый  желтый  зеленый  синий  фиолетовый

Увеличение
длины волны

Увеличение частоты

Рост энергии

620–750     590–620    570–590  495–570  450–495    380–450   λ, нм

Ультрафиолетовая
область
Видимая область
Инфракрасное
излучение

400 нм                             750 нм

Не вдаваясь в более детальную классификацию, можно 
определить, что электромагнитные колебания с длиной волны 
больше 750 нм – инфракрасное излучение, 750–400 нм – видимая область, колебания, имеющие длины волн короче 400 нм – 
ультрафиолетовое излучение. Цвет вещества является результатом избирательного поглощения определенных участков 
электромагнитного излучения в непрерывном спектре падающего белого света. Например, если тело поглощает красные 
лучи, то оно кажется окрашенным в зеленый цвет; если же 
тело поглощает синевато-зеленоватые лучи, оно кажется нашему глазу красным. Из сказанного следует, что при смешении рассеянных лучей с поглощенными, при их совместном 
действии должно получаться впечатление белого света. Следовательно, рассеянные и поглощенные лучи дополняют друг 
друга в белом свете, поэтому они называются взаимно дополнительными или просто дополнительными лучами.

 Таблица 1

Цвет соединений, имеющих одну полосу поглощения в видимой части 
спектра (при облучении дневным светом)

Длина волны 
полосы 
поглощения, нм

Энергия, 
кДж/моль
Цвет поглощенного 
света
Цвет вещества
(дополнительный до 
белого)

400–435
299–274
Фиолетовый
Желто-зеленый

435–480
274–249
Голубой
Желтый

480–490
249–244
Зеленоватоголубой
Оранжевый

490–500
244–238
Голубоватозеленый
Красный

500–560
238–214
Зеленый
Пурпурный

560–580
214–206
Желто-зеленый
Фиолетовый

580–595
206–200
Желтый
Голубой

595–605
200–198
Оранжевый
Зеленовато-голубой

605–750
198–149
Красный
Голубовато-зеленый

Подобное явление происходит и в том случае, когда бесцветный луч падает на какой-либо раствор. Если часть падающих лучей поглощается раствором (абсорбируется), то раствор получает в проходящем свете дополнительную окраску 
(предполагается, что при этом отсутствуют такие явления, как 
флуоресценция).
Какова же природа возникновения цвета вещества?
Как известно, электроны атомов и молекул не могут принимать произвольные значения энергии и менять ее на сколь 
угодно малую величину. Квантовая механика определяет конкретные уровни энергий, на которых может находиться электрон в зависимости от природы вещества и его электронной 
структуры. Таким образом, энергия электрона может изменяться в соответствии с квантовыми числами только дискретно. На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма произвольной молекулы вещества.

Рис. 2. Диаграмма молекулярных уровней и возможный переход 
электрона с занятого уровня S0 на свободный S1

Электроны располагаются на орбиталях. В молекуле есть 
также незаселенные в нормальном состоянии орбитали, называемые разрыхляющими. Они соответствуют энергетическим уровням возбужденных состояний и обозначаются как 
σ* и π* в зависимости от способа перекрывания электронного облака. 
Поглощение излучения приводит к переходу электрона 
на разрыхляющую орбиталь. Чаще всего происходят переходы электронов с π и валентных (n) орбиталей на π*-орбитали. 
Предположим, валентные электроны расположены на уровне 
S0 c энергией E0. Очевидно, что увеличить свою энергию электрон может только перейдя на уровень S1, то есть поглотив 
квант с энергией ΔE = E1 – E0 = hϑ. Таким образом, природа 
вещества и прежде всего его электронная структура предопределяют, какие кванты (hϑ), а следовательно, какой цвет она 
может абсорбировать из общего потока фотонов. Поскольку цвет, характеризующийся частотой hϑ, абсорбируется из 
общего электромагнитного потока, то и вещество в проходящем свете приобретает соответствующую окраску. На рис. 3 
представлен спектр поглощения иона Ti(H O)
2
6
3+. Максимум 
поглощения отвечает длине волны 493 нм, что соответствует 
желто-зеленому цвету. Вследствие этого ион имеет фиолетово-красную окраску (цвет дополнительный до белого). Примеры между цветом поглощенного света и цветом веществ 
представлены в табл. 1. Из сказанного следует два очевидных вывода: 
1. Если белый свет, падая на какое-либо тело, полностью 
рассеивается им, то такое тело кажется нашему глазу бесцветным или белым. Наоборот, если все падающие на тело лучи 
белого цвета им поглощаются, то получается впечатление черного цвета. Наконец, тела, поглощающие одни из падающих 
простых лучей и рассеивающие другие, кажутся нашему глазу 
окрашенными.
2. Окрашенные вещества поглощают электромагнитное 
излучение в видимой части спектра.

Рис. 3. Спектр поглощения Ti(H O)
2
6
3+ в видимой области

Принцип фотометрического метода анализа

В фотометрии измерения светопоглощения, как правило, 
проводятся в видимой области. Однако возможен анализ и в 
ультрафиолетовой области. Метод находит применение для 
определения концентрации, рН, в аналитической химии для 
определения конечной точки титрования, в химической кинетике, при изучении различных равновесий, а следовательно, для определения изменения значений термодинамических 
функций процесса.

Рис. 4. Схема спектрофотометра (основной принцип): 1 – источник 
излучения, 2 – монохроматор, 3 – кюветный отсек, 4 – приемник 
излучения, 5 – усилитель, 6 – регистрирующее устройство

Основные приборы, используемые в фотометрии, называются фотоэлектроколориметром и спектрофотометром. 
В фотоэлектроколориметре длины волн меняются с помощью 
набора светофильтров. В настоящее время чаще используют спектрофотометры, длина волны в которых изменяется не 
дискретно, а либо автоматически, либо вручную через любые 
интервалы длин волн. Чем меньше интервал длин волн, тем 
точнее определение. 

Рис. 5 . Виды кювет, наиболее часто применяемые
в ультрафиолетовой и видимой спектрофотометрии

Общий принцип работы спектрофотометра основан на 
том, что свет от источника 1 (рис. 4) попадает в монохроматор (2), где разделяется по длинам волн (становится монохроматичным). Далее световой поток поступает в кюветный отсек 
(3). В кюветном отсеке устанавливаются кюветы с анализируемым раствором и раствором сравнения. Кюветы, наиболее часто применяемые при анализе в ультрафиолетовой и видимой 
области, представлены на рис. 5.
 После этого световой поток попадает в приемник излучения (4) на фотоэлементы, где энергия светового потока преобразуется в электрический сигнал, который пропорционален 
энергии светового потока. В блоке усилителя (5) электрический сигнал усиливается и далее регистрируется в блоке (6). 

Регистрирующийся сигнал может быть представлен либо спектральной кривой, либо показанием оптической плотности. 
В кюветодержатель помещаются две одинаковые кюветы (рис. 6) – сравнения (1), содержащая такие же вещества и в 
том же количестве, кроме исследуемого, и рабочая кювета (2), 
в которой находится еще и поглощающее (исследуемое) вещество. Через обе кюветы пропускается одинаковое количество 
светового потока (интенсивность I0) с постоянной длиной волны (λ=Соnst). 

Рис. 6 . Иллюстрация поглощения электромагнитного излучения 
веществом

Интенсивности выходящих световых потоков (I1 и I2) будут меньше, чем I0:
I1 = I0 – Ip – Ik,
где Ip – часть светового потока, поглощенная растворителем; Ik – часть светового потока, отраженная от поверхности 
кюветы.
I2 = I0 – Iр – Iк – Iпогл., где Iпогл. – часть светового потока, поглощенная исследуемым веществом.
Вычитая из уравнения (1) уравнение (2), получим: 
Iпогл. = I1 – I2;
Таким образом, количество поглощенного исследуемым 
веществом светового потока определяется как разность интен