Колориметър — как работи, законът на Беер и приложения

Колориметърът е устройство, използвано за измерване на цветовете или колориметрия. Той измерва абсорбцията на светлина с различна дължина на вълната в разтвор. Той може да се използва за измерване на концентрацията на известно разтворено вещество.

Различните химични вещества поглъщат светлина с различна дължина на вълната. Когато концентрацията на разтвореното вещество е по-висока, то поглъща повече светлина с определена дължина на вълната. Това е известно като закон на Беер-Ламберт.

Как работи колориметърът

Основните компоненти на един колориметър са:

• Източник на светлина — обикновено лампа (например ултра-виолетова, видима или бяла) или LED, която излъчва светлина към пробата.
• Филтър или монохроматор — селектира желаната дължина на вълната (цвета), при която ще се измерва поглъщането.
• Кювета с пробата — съд с прозрачен прозорец (обикновено пълен с 1 cm път на светлината), в който се поставя анализираният разтвор.
• Детектор — улавя светлината, преминала през пробата (интензитет I) и я превръща в електричен сигнал.
• Електроника и дисплей — изчислява и показва резултата като предимно трансмитанс (процент преминала светлина) или абсорбция (A).

Често се използват два основни вида измервания:

• Трансмитанс (T) — отношение на интензитета на светлината след пробата (I) към първоначалния интензитет (I0): T = I / I0.
• Абсорбция (A) — логаритмично преобразувание на трансмитанса: A = −log10(T). Абсорбцията е пропорционална на концентрацията според закона на Беер-Ламберт.

Закон на Беер-Ламберт

Законът описва връзката между абсорбцията и концентрацията при определена дължина на вълната:

A = ε · l · c

• където A е абсорбцията,
• ε (епсилон) е моларният коефициент на поглъщане (моларна екстинкционна коэфициент, L·mol⁻¹·cm⁻¹),
• l е оптичният път (обикновено в cm, често 1 cm),
• c е концентрацията на анализираното вещество (mol·L⁻¹).

Оттук, ако ε и l са известни, концентрацията може да се изчисли като c = A / (ε·l). На практика често се използва калибрационна крива (абсорбция срещу известна концентрация), за да се определи концентрацията на неизвестна проба.

Практическа процедура и калибриране

• Подгответе чиста кювета и проба; избегнете пръстови отпечатъци и въздушни мехурчета.
• Измерете нулата (бланка) с разтворител или референтен разтвор, който не съдържа аналит.
• Изберете подходяща дължина на вълната — тази, при която веществото има максимално поглъщане (λmax).
• Направете серия от стандартни разтвори с известни концентрации и измерете тяхната абсорбция.
• Постройте калибрационна крива (A спрямо c). При линейна зависимост използвайте правата за определяне на концентрацията на неизвестни проби.

Приложения

• Анализ на водни проби — измерване на нитрати, фосфати, замърсители и др.
• Клинична химия — изследване на компоненти в кръв или урина (напр. холестерол, глюкоза при някои методи).
• Хранителна индустрия — контрол на оцветители, качество и стабилност на продуктите.
• Химическа и фармацевтична промишленост — оценка на концентрации и чистота.
• Образование — лесен и наочен лабораторен инструмент за демонстрации на оптични закони и аналитични методи.

Разлики спрямо спектрофотометъра

Колориметрите обикновено използват фиксиран филтър или малък набор от филтри за избрани дължини на вълните и са по-евтини и по-прости. Спектрофотометърът използва монохроматор и може да измерва през широк диапазон и да даде пълен спектър, което го прави по-гъвкав и прецизен при определяне на λmax и при по-сложни анализи.

Ограничения и източници на грешки

• Законът на Беер-Ламберт е валиден в ограничен интервал на концентрациите; при много високи концентрации се наблюдават отклонения.
• Разсейване на светлината (частици, мътност) и странични реакции могат да доведат до грешни резултати.
• Строга чистота на кюветите и правилна подготовка на бланката са критични.
• Странна светлина, неправилно подбран филтър или спектрална ширина на филтъра могат да повлияят измерването.

Практически съвети

• Работете в линейния диапазон на уреда — при нужда разредете пробите.
• Проверявайте калибрацията редовно и използвайте контролни разтвори.
• Записвайте температурата, тъй като някои реакции и абсорбционни характеристики зависят от нея.

Колориметрията и измерванията по законa на Беер-Ламберт са основен инструмент в аналитичната химия — проста, бърза и често достатъчно прецизна техника за количествено определяне на вещества в различни среди.