Определение концентрации коллоидного раствора гидроксида железа (III) методом спектроскопии поглощения

Оптические методы часто применяются для определения концентрации и размера частиц дисперсной среды в коллоидных растворах и суспензиях [1]. Одним из таких методов является метод турбидиметрии, основанный на измерениях коэффициента поглощения или оптической плотности [2]. Данный метод традиционно считается грубым для целей измерения концентрации коллоидных растворов и применяется только тогда, когда нет других более чувствительных методов. В то же время достоинством данного метода является его простота, поэтому если бы чувствительность данного метода для каких-нибудь веществ или диапазонов длин волн была существенно выше обычной, то это бы явилось значительным его преимуществом.

Соответственно целью работы является исследование спектра поглощения коллоидного раствора гидроксида железа (III) в диапазоне длин волн 190 нм – 1100 нм. Выбор наиболее чувствительного диапазона и оценка точности разрешения изменения концентрации коллоидного раствора в данном диапазоне.

Коллоидный раствор гидроксида железа (III) был получен гидролизом хлорида железа (III) в кипящей воде согласно уравнению реакции [3].

t

FeCl3 + 3H2O^Fe(OH)3l+3HCl. (1)

Приготовленный раствор, далее, разбавлялся дистиллированной водой в различных соотношениях. Спектры поглощения растворов снимались с помощью спектрофотометра DR 5000. На рисунке 1 показаны спектры поглощения коллоидных растворов гидроксида железа (III) в области длин волн оптического излучения 190 нм – 1100 нм.

100% 33% 75% 83.3% 80% 66.7% 60% 40% 25%

16.7% 20%

90.9% 4.8%

200        400        600        800        1000       1200

λ , нм

Рис. 1. Спектры поглощения коллоидных растворов гидроксида железа (III). На врезке указаны объёмные проценты растворов. 100% означает неразбавленный раствор.

Как следует из графиков, раствор является прозрачным в инфракрасной области для всех степеней разбавления, в области длин волн 700 нм – 450 нм коэффициент поглощения резко возрастает, при этом в ультрафиолетовой области растворы с малой степенью разбавления являются не прозрачными, однако с увеличением степени разбавления происходит резкое увеличение степени пропускания. Таким об- разом, для определения концентрации коллоидного раствора гидроксида железа (III) для всех степеней разбавления необходимо использовать диапазон длин волн 455 нм – 620 нм.

На рис.2. показана зависимость оптической плотности Abs коллоидных растворов гидроксида железа (III) от объёмной доли раствора для длины волны 500 нм.

Рис.3. Зависимости оптической плотности коллоидных растворов от объёмного содержания гидроксида железа (III), для длин волн 250 нм, 350 нм.

%V

Рис.2. Зависимость оптической плотности коллоидных растворов от объёмного содержания гидроксида железа (III), на длине волны 500 нм.

Зависимость хорошо аппроксимируется линейной зависимостью вида

Abs = a + b%V,       (2)

где, b = 0,0086. При этом изменение Abs на 0,1 соответствует изменению концентрации на 11,63 %, что является достаточно грубым для целей определения концентрации раствора данным методом.

С другой стороны, как следует из рисунка 1 в ультрафиолетовой области для разбавленных коллоидных растворов их оптическая плотность меняется более существенно с изменением их концентрации. Действительно, на рисунке 3 показана зависимости оптической плотности коллоидных растворов от объёмного содержания гидроксида железа, на длинах волн 250 и 350 нм.

Зависимость оптической плотности для длины волны 350 нм является нелинейной функцией от объёмной доли коллоидных частиц гидроксида железа (III) в растворе. В то же время, оптическая плотность коллоидных растворов на длине волны 250 нм является практически линейной и возрастает с ростом концентрации раствора гораздо сильнее. Однако, растворы с объёмным содержанием гидроксида железа (III) более 20% являются непрозрачными на этой длине волны. Коэффициент b в соотношении (2) для данной длины волны равен 0,188, что в 20 раз больше коэффициента для длины волны 500 нм. Изменение Abs для длины волны 250 нм на 0,1 соответствует изменению Δ%V на 0,5 %.

Как следует из расчетов на основе уравнения реакции (1), образования коллоидного раствора гидроксида железа (III), данное изменение объёмной доли соответствует изменению объёмной концентрации гидроксида железа (III) в молекулярном состоянии Δc = 60 мкмоль/л. Фактическое изменение объёмной концентрации коллоидных частиц будет еще меньше, так как коллоидные частицы состоят, как правило, из десятков и даже сотен молекул. Кроме того, спектрофотометр DR 5000 определяет оптическую плотность растворов Abs с точностью до 0,01 [4]. Поэтому величина разрешения изменения концентрации раствора Δc = 60 мкмоль/л является сильно завышенной.

Таким образом, метод спектроскопии поглощения оптического излучения в ультрафиолетовой области разбавленных коллоидных растворов гидроксида железа (III) является весьма чувствительным методом определения концентрации. Например, в явлении термодиффузии создание градиента температуры в растворе приводит к образованию градиента концентрации растворенного вещества, что в стационарном состоянии описывается с помощью выражения [5]

^grad(m) = s grad(T').

Мерой разделения температурным градиентом компонентов раствора является коэффициент Соре s. Для растворов ионных электролитов коэффициент Соре по абсолютной величине составляет 10-3 К-1. Известно, что в коллоидных растворах величина данного коэффициента в сто и даже тысячу раз больше, чем в ионных электролитах. Например, если коэффициент Соре s = 0,1 К-1, что в сто раз больше значения для типичных ионных электролитов, а перепад температуры ΔT составляет 10 К, то изменение объёмной концентрации Δc между горячей и холодной областями будет равна 310 мкмоль/л. Данное изменение концентрации может быть зафиксировано рассмотренным выше методом на длине волны 250 нм с высокой точностью. Также указанный метод можно использовать для определения распределения концентрации коллоидных частиц в термо-электрокинетическом эффекте [6].