Методы определения концентрации растворённого кислорода в воде (стр. 8 из 9)
Фотометрический метод
Фотометрические методы определения концентрации молекулярного кислорода в видимой области спектра основаны на реакциях окисления органических и неорганических веществ. Из органических веществ, которые взаимодействуют с кислородом и применяются для его фотометрического определения, используют следующие окислительно-восстановительные индикаторы: индигокармин в лейкоформе, антрахинон-α-сульфокислоту, сафранин Т, метиленовый голубой.
Концентрацию кислорода определяют с помощью индигокармина, представляющего собой мелкокристаллический порошок, раствор которого в воде окрашен в интенсивный синий цвет. При восстановлении индигокармина образуется бледно-желтое лейкооснование, которое при взаимодействии с кислородом окисляется до индигокармина, и раствор окрашивается снова в синий цвет. Отбирают измеренный объем восстановленного индигокармина, смешивают с пробой и помещают в кювету спектрофотометра. Измеряют оптическую плотность (при длинах волн 410, 555 и 620 нм) и по градировочному графику находят концентрацию молекулярного кислорода в пробе.
Основные недостатки окислительно-восстановительных индикаторов – небольшая чувствительность (0,1 мг/л), неустойчивость аналитических форм и не всегда достаточная избирательность.
Пирогаллол, пирокатехин, 2,4 – диаминофенол и другие ароматические окси- и диоксисоединения взаимодействуют с кислородом с образованием окрашенных продуктов реакции. Определение концентрации молекулярного кислорода с раствором пирогаллола основано на способности кислорода окрашивать щелочной раствор пирогаллола. Окраску раствора сравнивают с раствором йода определенной концентрации. Минимальная концентрация кислорода, которую определяют с помощью пирогаллола, составляет 0,01 мг/л.
Большинство фотометрических методов определения концентрации молекулярного кислорода основано на реакциях окисления неорганических соединений, которые затем взаимодействуют с органическими и неорганическими веществами с образованием окрашенных соединений. В качестве восстановителей кислорода в щелочной среде часто применяют соли марганца (II), железа (II), хрома(II) и (III). После поглощения кислорода определяют окисленные формы этих веществ и пересчитывают на концентрацию кислорода. Широко применяется фотоколориметрическое определение концентрации молекулярного кислорода, основанное на окислении бесцветного медно-аммиачного раствора полухлористой одновалентной меди [Cu(NH3)2Cl] в двухвалентную медь кислородом, который содержится в пробе. При этом бесцветный раствор одновалентной меди окрашивается двухвалентной медью в синий цвет. Полученную окраску сравнивают с окраской заранее приготовленного стандартного раствора и по изменению интенсивности окраски вычисляют концентрацию молекулярного кислорода в пробе.
Фотометрический метод, основанный на окислении иона одновалентной меди в ион двухвалентной меди кислородом, содержащимся в пробе, рекомендован для определения концентрации молекулярного кислорода при аттестации поверочных растворов. Ион двух-валентной меди образует с аммиаком комплексное соединение, окрашенное в синий цвет. Интенсивность полученной окраски сравнивают с окраской стандартных растворов, содержащих аммиак и различные известные концентрации иона двухвалентной меди. Относительная погрешность определения концентрации молекулярного кислорода не превышает ±5–10%.
Фотометрические методы определения концентрации молекулярного кислорода смесях имеют следующие преимущества: высокую чувствительность и избирательность; возможность создания универсальных конструкций анализаторов с несколькими индикаторными растворами для одновременного определения ряда микропримесей.
Недостатки фотометрического метода определения концентрации молекулярного кислорода – громоздкость аппаратурного оформления и невысокая надежность.
Определение кислорода с применением лейкосафранина:
Реактивы: Сафранин Т. Навеску сафранина Т 1 г растворяют в спирте и переносят в колбу емкостью 1 л. В колбу вводят аммиак, спирт и воду с таким расчетом, чтобы получить 50%~иый раствор спирта и 3%-ный растпор аммиака. Полученный раствор перед определением пропускают через редуктор с амальгамированным пинком до получения бесцветного раствора, который используют для определения.
Ход анализа. В мерную колбу емкостью 50 мл, заполненную азотом, наливают 1,5 мл восстановленного реактива и доводят анализируемой водой до метки. Колбу закрывают хорошо притертой пробкой и содержимое перемешивают в течение 3 мин. Наполняют растеором кювету, закрывают крышкой и быстро измеряют оптическую плотность.
По значению оптической плотности находят содержание кислорода по калибровочному графику.
Люминесцентный метод
Сущность люминесцентного метода заключается в следующем. Энергия, приобретаемая веществом, когда оно поглощает электромагнитное излучение, обычно превращается в тепло, но в некоторых случаях большая часть энергии может обратно излучаться в виде флуоресценции или фосфоресценции. Флуоресценция часто угасает (т.е. ее интенсивность ослабевает) в присутствии кислорода. Степень угасания зависит от возможности столкновения молекул кислорода с флуоресцирующими молекулами в их возбужденном состоянии, и та энергия, которая бы излучалась в виде флуоресценции, передается молекуле кислорода.
Затухание, как флуоресценции, так и фосфоресценции в первом приближении подчиняется экспоненциальному закону:
где I0 и I– интенсивность свечения в начальный момент и через некоторое время t соответственно; τ – среднее время жизни излучающей молекулы.
Концентрацию кислорода определяют при смешивании пробы, с раствором флуоресцирующего вещества, подверженного возбуждающему излучению, а также измерением интенсивности флуоресценции. Однако помимо практических трудностей такой способ отличается большой инерционностью.
Чувствительность определения концентрации молекулярного кислорода увеличивается при сочетании кинетического метода анализа (метод анализа состава, в котором используется зависимость между скоростью реакции и концентрацией реагирующих веществ) и люминесцентного. Такое сочетание методов анализа получило название люминесцентно-кинетического. Согласно этому методу концентрацию молекулярного кислорода определяют по интенсивности люминесценции. Большой квантовый выход люминесценции и высокая чувствительность современной светорегистрирующей аппаратуры позволяют наблюдать за процессом достаточно долго.
Способность фосфоресцировать обнаружена у большинства органических соединений. Взаимодействие возбужденных молекул кислорода с такими веществами уменьшает концентрацию возбужденных молекул кислорода и приводит к тушению наблюдаемой фосфоресценции, т.е. интенсивность фосфоресценции является функцией концентрации возбужденных молекул кислорода. Минимальная концентрация кислорода, которую определяют при тушении кислородом фосфоресценции адсорбатов трипафлавина на силикагеле, составляет ≈1,2·10-3 мкг/л.
Для определения концентрации молекулярного кислорода люминесцентным методом перспективно использование радиолюминесценции – свечения некоторых веществ под действием ядерного излучения. Эффект тушения радиолюминесценции в 102–103 раз больше эффекта тушения флуоресценции.
В основе радиолюминесцентного метода лежит явление тушения радиолюминесценции вводимыми в жидкий люминофор веществами. Кислород при растворении в люминофоре понижает выход радиолюминесценции на 20–35%, а при удалении его вакуумированием или пропусканием аргона радиолюминесценция полностью восстанавливается. Люминофоры, содержащие нафталин, обладают повышенной чувствительностью к молекулярному кислороду. Значения коэффициента тушения радиолюминесценции кислородом в зависимости от состава люминофора приведены в таблице. Пробу смешивают с люминофором и помещают в кювету до установления постоянных показаний интенсивности радиолюминесценции, затем пропускают аргон до полного вытеснениякислорода. Коэффициент тушения К находят как отношение K = N0/N1 (N1 – отсчет пробы, aN0 – отсчет после пропускания аргона).
| Люминофор | Коэффициент тушения | |
| Без нафтолина | 10% нафтолина | |
| 0,4% n-терфенил | 1,7 | 94 |
| 0,4% дефинилоксазол | 2,1 | 1,6 |
| 0,4% антрацен | 1,3 | 1,3 |
| 0,4% дефинилоксазол + 0,01% дефинилоксазолилбензол | 1,9 | 1,7 |
| 0,4% n-терфенил +0,01% дефинилоксазолилбензол | 1,5 | 66 |
В работе М.А. Константиновой-Шлезингер описан метод определения малых концентраций кислорода в воде. В качестве реагента использован адреналин. Этот реагент в щелочном растворе не флуоресцирует.
Малейшие следы кислорода вызывают разгорание яркой желто-зеленой флуоресценции. В отсутствие кислорода наблюдается едва заметная флуоресценция молочно-синего цвета.
Раствор щелочи для проведения этой реакции рекомендуется брать 24–25%-ным. При меньшей концентрации щелочи реакция не останавливается на первой стадии окисления адреналина и вновь может образовываться нефлуоресцирующий продукт, что ухудшает воспроизводимость метода. Метод позволяет определять кислород в воде в количестве около 2 мкг в 1 мл.
Для обнаружения следов кислорода использовали гашение флуоресценции некоторых красителей, сорбированных силикагелем. Из числа испытанных красителей лучшие результаты были получены при применении трипафлавина в количестве 0,025 – 0,005 ммоль на 10 г.предварительно очищенного силикагеля. Указывается, что несколько видоизмененный метод Г. Каутского и А. Хирша позволяет обнаруживать 0,00007 мкг кислорода.