Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотометрические методы анализа

Содержание

1. Спектроскопические методы анализа

1.1 Общие положения

1.1.1 Характеристики электромагнитного излучения

1.1.2 Электромагнитный спектр

1.1.3 Классификация методов спектроскопии

1.2 Законы поглощения электромагнитного излучения

1.2.1 Закон Бугера - Ламберта - Бера

1.2.2 Ограничения и условия применимости закона Бугера - Ламберта - Бера

1.2.3 Закон аддитивности

1.3 Молекулярные спектры поглощения

1.3.1 Происхождение молекулярных спектров

1.3.2 Электронные спектры

1.3.3 Представление спектров поглощения

1.4 Аппаратура в абсорбционной спектроскопии

1.5 Применение спектрофотометрии в анализе

1.5.1 Качественный анализ по спектрам поглощения

1.5.2 Количественный анализ методами фотометрии

1.5.3 Основные этапы анализа в фотометрии

1.5.4 Метрологические характеристики метода

1.5.5 Анализ однокомпонентных систем фотометрическим методом

1.5.6 Определение смеси светопоглощающих веществ

1.6 Другие области применения молекулярной абсорбционной спектроскопии

Литература

1. Спектроскопические методы анализа

электромагнитный излучение спектроскопия абсорбционный

1.1 Общие положения

Спектроскопические методы анализа основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие сопровождается явлениями, из которых наиболее важны испускание, поглощение и рассеяние излучения. Возникающие при этом сигналы несут качественную и количественную информацию о веществе. Частота сигнала отражает специфические свойства вещества, его природу, а интенсивность сигнала связана с количеством анализируемого соединения.

1.1.1 Характеристики электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу. В одних проявлениях ведет себя как физическое поле с непрерывными свойствами (преломление, интерференция, дифракция, отражение, рассеяние), которые описываются на основе волновой природы излучения. В других случаях электромагнитное излучение проявляет себя как поток дискретных частиц (квантов), и такие явления, как испускание и поглощение атомами и молекулами, описываются на основе корпускулярной природы излучения.

К волновым характеристикам излучения относятся частота колебаний, длина волны и волновое число, к квантовым - энергия квантов.

Связь между корпускулярной и волновой природой излучения определяется соотношением Планка:

(1.1)

где E - изменение энергии элементарной системы при излучении или поглощении кванта с энергией h, h - постоянная Планка, равная 6,62 · 10-³⁴ Дж с, с - скорость излучения в вакууме (см/с). В системе СИ энергию измеряют в джоулях, в спектроскопии обычно используют внесистемную единицу - электрон-вольт (1 эВ = 1,60 10-¹⁹ Дж). - длина волны излучения, в системе СИ измеряется в метрах (м) и его долях. Длина волны электромагнитного излучения связана с его частотой , которая измеряется в герцах (1 Гц = 1с -1). В спектроскопии вместо частоты используют волновое число , также называемое частотой (тильда над обычно опускается). Волновое число принято измерять в обратных сантиметрах, см -1.

1.1.2 Электромагнитный спектр

Совокупность всех частот (длин волн) электромагнитного излучения называют электромагнитным спектром. В зависимости от длины волны в электромагнитном спектре выделяют ряд областей. Спектральные диапазоны не имеют четко очерченных границ, т.е. деление спектра на диапазоны достаточно условно. Особо четкие границы можно установить для оптического диапазона. Его обычно подразделяют на ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области. В свою очередь УФ-область делится на дальнюю или вакуумную и ближнюю, а ИК-область - на ближнюю, среднюю и дальнюю. В табл.1.1 указаны границы этих областей.

В каждой области оптического диапазона используют свои, наиболее удобные для измерения единицы. В ИК-области пользуются волновыми числами, часто называя их частотами, имеющими размерность см -¹ , в УФ и видимой областях используют единицы длин волн, практически всегда измеряя их в нанометрах.

Поток фотонов с одинаковой частотой называют монохроматическим, с разными частотами - полихроматическим. Обычный наблюдаемый поток излучения от раскаленных тел, в частности, солнечный свет, является полихроматическим.

1.1.3 Классификация методов спектроскопии

Электромагнитное излучение при взаимодействии с веществом может вызывать в нем процессы разнообразной физической природы, использующиеся в методах химического анализа. Общий характер этих процессов зависит от энергии фотонов. Следовательно, для классификации методов анализа весь диапазон энергий электромагнитных квантов целесообразно разделить на области, соответствующие тому или иному физическому процессу. В таблице 1.1 указаны основные области электромагнитного излучения, используемые в химическом анализе, диапазоны длин волн, характеризующие область излучения и характер соответствующих процессов.

Для аналитических целей наибольшее значение имеют спектроскопические методы, использующие электромагнитное излучение оптического диапазона. Эти методы делят на оптическую атомную и оптическую молекулярную спектроскопию. В данном разделе речь пойдет о методе анализа, основанном на измерении поглощения света - молекулярной абсорбционной спектроскопии.

Метод молекулярной абсорбционной спектроскопии в УФ- и видимой областях спектра обычно называют спектрофотометрией. В зависимости от типа абсорбционных спектральных приборов различают фотометрический и спектрофотометрический методы. Их сравнительная характеристика приведена в табл. 1.2.

Таблица 1.1. Области энергий электромагнитного излучения, соответствующие им методы анализа и процессы, лежащие в их основе

Область (метод)	Длина волны	Процесс
Гамма-излучение (ядерно-физические)	10-4-10-1 нм	Ядерные реакции
Рентгеновская	10-1-101 нм	Изменение состояний внутренних электронов
Оптическая УФ	200-400 нм	Изменение состояний валентных электронов
видимая	400-750 нм
инфракрасная (ИК, КР)	103-106 нм	Изменение колебательных состояний
Микроволновая	10-3-10-1 м	Изменение вращательных состояний
Радиочастотная (ЯМР, ЭПР)	10-1-101 м	Изменение спинов ядер и электронов

Таблица 1.2. Фотометрические методы анализа

Метод,	Тип прибора	Рабочая область спектра, нм	Способ монохроматизации	Регистрируемые сигналы
Фотометрия	Фотометр (фотоколориметр)	Видимая 400-750	Светофильтр	Оптическая плотность (А) и пропускание (Т) в диапазоне длин волн, отвечающем полосе пропускания светофильтра
Спектрофотометрия	Спектрофотометр	УФ и видимая 100-750	Монохроматор или полихроматор	Оптическая плотность (А) и пропускание (Т) при фиксированной длине волны; электронные спектры поглощения в виде кривых А = f(), A = f(), T = f(), T = f()

Оба метода объединяют в одну группу фотометрических методов анализа. Когда определение проводят в видимой части спектра, часто используют термин фотоколориметрия (от лат. color - цвет), поскольку имеют дело с окрашенными растворами.

1.2 Законы поглощения электромагнитного излучения

Основные положения и законы абсорбции излучения справедливы для всех областей спектра - от рентгеновского до радиоизлучения. Количественно поглощение излучения системой описывается законами Бугера - Ламберта - Бера и аддитивности.

1.2.1 Закон Бугера - Ламберта - Бера

При прохождении излучения через раствор светопоглощающего вещества поток излучения ослабляется. Понижение интенсивности зависит от концентрации поглощающего вещества и длины пути, проходимого потоком. Эта зависимость выражается законом Бугера - Ламберта - Бера. Чтобы учесть потери света, прошедшего через раствор, на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивности света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель. При одинаковой толщине слоя в кюветах из одного материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы у обоих пучков света, и уменьшение интенсивности будет зависеть от концентрации вещества.

Обозначим интенсивность падающего потока света как I_o, I - интенсивность потока света, прошедшего через раствор. Величину I/I_o называют пропусканием и обозначают Т (0 Т 1).

Взятый с обратным знаком логарифм Т называют оптической плотностью А:

(1.2)

Для абсолютно прозрачного раствора А = 0, для абсолютно непрозрачного - А .

Уменьшение интенсивности излучения при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера - Ламберта - Бера:

или (1.3)

где - молярный коэффициент поглощения, l - толщина поглощающего слоя, см; С - концентрация раствора, моль/л.

Физический смысл молярного коэффициента поглощения становится ясен, если принять l = 1 см, С = 1 моль/л, тогда А = . Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора с толщиной слоя 1см. Молярный коэффициент поглощения - индивидуальная характеристика вещества, он зависит от природы вещества и длины волны и не зависит от концентрации и длины кюветы. Поскольку размерность величины однозначно задана л/моль.см, то ее обычно не указывают, а приводят численное значение. Значение отражает способность вещества поглощать свет; максимально возможное значение составляет 10⁵.

Концентрацию растворов веществ с неизвестными молярными массами обычно выражают в массовых долях (%). В этом случае коэффициент поглощения называют удельным коэффициентом поглощения и обозначают символом. Последний численно равен оптической плотности 1%-ного раствора при l = 1 см. При другом способе выражения концентрации раствора (например, г/мл или др.) коэффициент поглощения обозначают символами a или k и указывают размерность.

1.2.2 Ограничения и условия применимости закона Бугера - Ламберта - Бера

С отклонениями от линейной зависимости между оптической плотностью и концентрацией приходится сталкиваться довольно часто. Основные причины этого явления состоят в следующем.

1.Закон Бера справедлив для разбавленных растворов. При высоких концентрациях ( 0,01 М) среднее расстояние между частицами поглощающего вещества уменьшается до такой степени, что каждая частица влияет на распределение заряда соседних частиц, что, в свою очередь, может изменить способность частиц поглощать излучение данной длины волны.

Коэффициент в уравнении (1.3) зависит от показателя преломления среды. Увеличение концентрации раствора приводит к значительному изменению показателя преломления n и отклонению от закона Бера (показатели преломления разбавленных растворов и растворителя отличаются несущественно).

2.Закон справедлив для монохроматического излучения. Строго говоря, уравнение (1.3) следует записывать в виде:

(1.4)

Индекс указывает, что величины А и относятся к монохроматическому свету с длиной волны . Немонохроматичность светового потока связана с несовершенством оптических приборов. Отклонение от закона Бера менее заметно, если длина волны не приходится на часть спектра с резким изменением оптической плотности. На практике измерение А стремятся проводить в максимуме светопоглощения.

3.Температура при измерениях должна оставаться постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов.

4.Пучок света должен быть параллельным.

5.Уравнение (1.3) соблюдается для систем, в которых поглощает только один тип частиц вещества, т.е. отсутствует химическое взаимодействие. Если при изменении концентрации будет меняться природа этих частиц, вследствие, например, кислотно-основного взаимодействия, полимеризации, диссоциации и т. д., то зависимость А = f (C) не будет линейной, так как молярный коэффициент поглощения вновь образующихся и исходных частиц не будет одинаковым.

Ограничения 1 и 2 являются истинными, остальные называют кажущимися; ограничения (3-5) зависят от условий проведения эксперимента, их связывают с инструментальными причинами. Последнее из ограничений вызвано химическими причинами.

При выполнении закона Бера график зависимости оптической плотности от концентрации представляет собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 1.1.а), а функция А = f() имеет один и тот же вид независимо от толщины слоя и концентрации раствора, и положение максимума поглощения сохраняется (рис. 1.1.б).

Рис. 1.1. а) зависимость оптической плотности вещества от концентрации при соблюдении основного закона светопоглощения). б) кривая светопоглощения одного и того же вещества при соблюдении закона Бугера - Ламберта - Бера. С₁ С₂ С₃ С₄.

1.2.3 Закон аддитивности

Оптическая плотность - экстенсивное свойство вещества. Поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ, и оптическая плотность смеси веществ равна сумме оптических плотностей каждого из них. Это справедливо при условии подчинения каждого вещества закону Бугера - Ламберта - Бера и в отсутствие химического взаимодействия между ними. Итак, для смеси m веществ при одной и той же длине волны имеем:

(1.5)

или:

(1.6)

Принцип аддитивности (суммирования) оптических плотностей широко используют в аналитической химии.

1.3 Молекулярные спектры поглощения

1.3.1 Происхождение молекулярных спектров

При прохождении излучения через прозрачный слой жидкости (твердого тела или газа) происходит селективное поглощение излучения с определенными частотами. Электромагнитная энергия в этом случае передается атомам или молекулам вещества и переводит поглощающие частицы из нормального состояния, или основного, в возбужденное. Совокупность всех поглощенных частот составляет спектр поглощения молекулы (молекулярный абсорбционный спектр). Поглощение электромагнитного излучения веществом М можно представить как двухступенчатый процесс, первая ступень которого выражается следующим образом:

М + h M*,

где М* - атом или молекула в возбужденном состоянии. Время пребывания в возбужденном состоянии невелико (10-⁹-10-⁸с), затем частицы возвращаются в исходное состояние. В абсорбционных методах энергия возбуждения превращается в тепло (вторая ступень процесса):

М* М + тепло

Важно иметь в виду, что время жизни частиц М* обычно столь мало, что концентрация их в любой момент времени при нормальных условиях ничтожна. Более того, количество выделяющегося тепла неощутимо. Вследствие этого облучение системы при ее изучении сопровождается минимальным разрушением, что является преимуществом абсорбционных методов.

Спектры атомов в УФ, видимой и ближней ИК-областях возникают при переходах валентных электронов из одних энергетических состояний в другие, каждому переходу отвечает спектральная линия определенной частоты. Спектры атомов состоят из большого числа дискретных спектральных линий.

Спектры молекул значительно сложнее, поскольку обусловлены не только движением электронов, но и колебаниями атомных ядер и вращением молекулы как целого. Поэтому в любом стационарном состоянии энергия молекулы складывается из электронной, колебательной и вращательной энергий:

(1.7)

Наибольший вклад в полную энергию вносит энергия электронных переходов, наименьший - энергия вращения молекул:

Е_вр / Е_кол / Е_эл = 1 / 10² / 10³

Так же, как и атом, молекула может существовать только в определенных энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями (орбиталями). Каждому электронному состоянию соответствуют колебательные уровни, а каждому колебательному уровню - вращательные. При получении энергии извне молекула переходит с одного энергетического уровня на другой.

При изменении энергии электронов (60-150 кДж/моль) у молекулы одновременно меняются колебательная и вращательная энергии, и вместо электронных наблюдаются электронно-колебательно-вращательные переходы. Поскольку их число весьма велико, то электронно-колебательно-вращательный спектр, обычно называемый электронным, принимает вид широких перекрывающихся полос в УФ, видимой и ближней ИК-областях.

В зависимости от состава молекул и условий измерения спектров (газовая или конденсированная фаза, тип растворителя, температура) полосы в электронных спектрах могут быть гладкими или характеризоваться лучше или хуже выраженной колебательной и вращательной структурами (рис. 1.2.). В случаях, когда проявляется тонкая структура, говорят о разрешенных спектрах.

Рис.1.2. Электронные спектры веществ: а) гладкий контур, колебательная структура не проявляется; б) на контуре полосы видны следы колебательной структуры; в) спектр поглощения паров антрацена с четкой колебательной структурой.

1.3.2 Электронные спектры

Действие видимого и ультрафиолетового излучения приводит к возбуждению валентных электронов и появлению в спектре полос, соответствующих электронным переходам между различными энергетическими уровнями в молекуле. Дискретные энергетические состояния молекулы можно описать при помощи метода молекулярных орбиталей или валентных связей.

Электроны в молекуле могут занимать различные орбитали. Различают следующие молекулярные орбитали (МО):

-связывающая, *-разрыхляющая, n-несвязывающая, -связывающая, *-разрыхляющая.

-связи встречаются преимущественно в молекулах с одинарными связями, -связи - в молекулах с двойными и тройными связями; примерами типичных веществ с n-орбиталями являются спирты, органические сульфиды и другие, т. е. органические соединения с гетероатомами - N, O, S, галогенами.

Схема относительного расположения энергетических уровней, соответствующих разным МО, показана на рис.1.3.

Рис.1.3. Схема электронных уровней и энергия возможных электронных переходов.

Различные электронные переходы требуют неодинаковой энергии, поэтому полосы поглощения располагаются при разных длинах волн.

Наибольшей энергии требует -*-переход, связанный с возбуждением внутренних электронов. Он соответствует поглощению в далекой ультрафиолетовой области ( 200 нм, Е 600 кДж/моль). Такие переходы характерны, например, для насыщенных углеводородов. Получить спектр в этой области непросто, поскольку здесь поглощают компоненты атмосферы; по этой причине поглощение одинарной связью не имеет большого значения в аналитической практике.

Переход n-* связан уже с меньшими затратами энергии; полосы, связанные с этим переходом, расположены в обычном ультрафиолете ( ~ 200 - 300 нм). Еще меньшая энергия требуется для перехода на разрыхляющие *-орбитали. Переходы n-* и -* встречаются в молекулах соединений с сопряженными связями и молекулах ароматических соединений. Такие функциональные группы, как С=О, С=С, -N=N-, -N=O, С=S, -CN, -CC- и многие другие, всегда являются причиной поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях. Их называют хромофорными группами (дословно - группами «несущими окраску»). Заместители, вызывающие усиление интенсивности окраски молекулы, называются ауксохромами. В качестве примера можно назвать следующие группы: -OH, -OR, -NH₂, -HR, -NR₂, -SH, -CH₃, -Cl, -Br, фенил и др.

Хромофорные свойства проявляет большинство переходных металлов, имеющих незаполненный электронный d-уровень. Для этих металлов характерна их особенность находиться в различных валентных состояниях. Рассматриваемая группа металлов может давать цветные реакции с бесцветными реагентами, не содержащими хромофорных групп.

Этим же переходом n-* можно объяснить, например, интенсивную окраску ионов MnO₄- и CrO₄^2- (переход с несвязывающей орбитали кислорода). Поскольку каждое вещество характеризуется своей системой энергетических уровней, то и спектры веществ различаются как по числу полос, так и по их положению на шкале длин волн.

1.3.3 Представление спектров поглощения

Электромагнитное излучение поглощается веществами избирательно: при некоторых длинах волн светопоглощение происходит интенсивно, а при некоторых свет не поглощается. Интенсивно поглощаются кванты света, энергия которых (h) равна энергии возбуждения частицы.

Графическое изображение распределения поглощаемой энергии по длинам волн называется спектром поглощения. Способы представления спектра различны в зависимости от величин, откладываемых по осям координат (рис.1.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.4. Способы представления спектров поглощения одних и тех же растворов. (С₁ : С₂ : C₃ = 1 : 2 : 3).

Количество поглощенной световой энергии выражают величинами Т, А, . Выбор той или иной величины определяется областью спектра, величиной поглощения, задачами исследования и т.п. В видимой и УФ-областях спектра обычно используют координаты A = f() или = f(),

lg = f(),

Основные характеристики спектра. Участок спектра, на котором наблюдается интенсивное поглощение излучения, называют полосой поглощения. Наибольший интерес для анализа представляют следующие характеристики спектра: число максимумов (полос поглощения), их положение по шкале длин волн, интенсивность полосы поглощения, ширина и форма полосы (рис.1.5).

Рис.1.5. Полоса поглощения.

Ширину полосы поглощения принято характеризовать величиной , где - полуширина полосы поглощения; ее измеряют при = 1/2 _max. Для характеристики интенсивности полос в аналитической практике используют значение молярного коэффициента в максимуме поглощения - _max.

Строгая индивидуальность и постоянство для каждого вещества при данной длине волны позволяет проводить качественные и количественные определения спектрофотометрическим методом.

Очевидно, чем выше _max и меньше ширина полосы, тем выше чувствительность определения данного вещества.

1.4 Аппаратура в абсорбционной спектроскопии

Блок-схема приборов

При всем многообразии схем и конструктивных особенностей приборов абсорбционной спектроскопии в каждом из них имеется несколько основных узлов (рис.1.6).



Рис.1.6. Блок-схема приборов для измерения поглощения излучения. 1 - источник излучения; 2 - монохроматор; 3 - кюветы с исследуемым раствором и растворителем; 4 - приемник излучения; 5 - измерительное или регистрирующее устройство.

Монохроматическое излучение, выделенное из полихроматического, проходит через пробу. Соотношение интенсивностей падающего и прошедшего через кювету потоков излучения измеряется приемником излучения. Прибор может быть выполнен в двухлучевом варианте, когда поток излучения одновременно проходит через кюветы с исследуемым раствором и растворителем (или специально подобранным раствором сравнения); часто приборы выполняют по однолучевой схеме, когда поток излучения проходит поочередно через кюветы с раствором сравнения и исследуемым раствором.

Источники излучения

Используемые в спектрофотометрии источники излучения являются излучателями непрерывного спектра: это вольфрамовые лампы накаливания, газонаполненные лампы (водородная, ртутная).

В лампе накаливания светящаяся вольфрамовая спираль дает свет в широком спектральном интервале, однако, стекло пропускает свет с длинами волн 350-1000 нм, т. е. ближний ультрафиолет, видимый свет и излучение ближней ИК-области. В водородной (дейтериевой, ксеноновой) лампах происходит свечение газа при разряде; возникает сплошное излучение в области 200-350 нм.

Монохроматизация излучения

Работа с узкой полосой излучения обладает следующими преимуществами: 1) возрастает вероятность подчинения поглощающей системы закону Бера (см. раздел 1.2), 2) увеличиваются селективность и чувствительность определения.

Устройства для выделения части излучения основаны на использовании различных оптических явлений: интерференции, дифракции, поглощении света, дисперсии. Выделить абсолютно монохроматическое излучение невозможно, на практике получают более или менее узкий интервал длин волн; этого достигают бездисперсионными (светофильтры) и дисперсионными (монохроматоры) способами.

В видимой части спектра обычно используются светофильтры, они бывают нескольких типов. Абсорбционные светофильтры представляют собой цветные стекла или стеклянные пластинки, между которыми помещен краситель, суспендированный в желатине. Первые обычно более термически устойчивы. Абсорбционные светофильтры пропускают излучение ограниченного интервала длин волн (30 нм и более) и поглощают излучение всех остальных. Характеристики интерференционных светофильтров значительно лучше, эффективная ширина пропускания обычно не превышает 5-10 нм. Для еще большего сужения полос пропускания пользуются системой двух последовательных интерференционных светофильтров. При маркировке светофильтров указывают длину волны в максимуме пропускания и ширину полосы пропускания.

Монохроматор - это устройство, разлагающее излучение на составляющие его волны разной длины. Все монохроматоры состоят из диспергирующего устройства и связанной с ним системы линз, зеркал, входных и выходных щелей. Диспергирующими элементами служат призмы и дифракционные решетки. Ширина полосы пропускания монохроматоров достигает 1,5 нм.

Кюветы

Исследуемые образцы помещают в прозрачные сосуды с плоскими параллельными стенками - кюветы.

Приемники излучения

В качестве приемников излучения в абсорбционных приборах используют в основном фотоэлементы. Для приема сигнала в видимой и УФ-областях обычно применяют фотоэлементы с внешним фотоэффектом: сурьмяно-цезиевый (180-650 нм) и кислородно-цезиевый (600-1100 нм). При измерении излучения с низкой интенсивностью используют фотоумножители.

Промышленностью выпускаются различные приборы абсорбционной спектроскопии: колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т. д., в которых используют различные комбинации источников излучения, монохроматоров и приемников излучения.

1.5 Применение спектрофотометрии в анализе

1.5.1 Качественный анализ по спектрам поглощения

Абсорбционная спектроскопия может служить одним из методов качественного анализа. Электронные спектры поглощения для целей качественного анализа используются значительно реже, чем колебательные, так как полосы поглощения имеют тенденцию к уширению, что скрывает их тонкую структуру. Спектры в ультрафиолетовой и видимой областях характерны для более или менее больших структурных элементов в молекуле. Спектры больших, сходных по структуре молекул различаются очень незначительно. Обычно они представлены отдельными широкими полосами поглощения, которые часто накладываются одна на другую и перекрываются.

Характерными полосами поглощения обладают соединения, содержащие хромофорные группы (см. раздел 1.3.2). Спектральные исследования в этой области часто дают полезную качественную информацию о наличии или отсутствии некоторых функциональных групп, таких как карбонил, ароматическое кольцо, нитрогруппа или сопряженная двойная связь. Следует иметь в виду, что идентификация надежна, если хромофоры в молекуле изолированы. В присутствии ауксохромов и цепей сопряжения идентификация затрудняется.

1.5.2 Количественный анализ методами фотометрии

В фотометрическом анализе количество вещества определяется по интенсивности окраски или светопоглощению окрашенных соединений. Раствор или предмет кажутся окрашенными, если он по-разному пропускает или поглощает видимый свет различных длин волн. В видимой области цвет раствора обусловлен длиной волны излучения, не поглощенного этим раствором. Например, раствор, поглощающий излучение в синей части спектра (475 нм), окрашен в желтый цвет, т. е. синий цвет является дополнительным к окраске раствора. В таблице 1.3 приводятся такие данные для всей области видимого излучения.

Абсорбционная спектроскопия, особенно в видимой и УФ-областях - один из наиболее распространенных методов количественного анализа. Фотометрические методы используют для определения веществ с собственным поглощением (органические вещества с хромофорными группами, переходные металлы), а также для определения непоглощающих веществ.

При определении неорганических компонентов для получения окрашенных соединений чаще всего используют реакции образования (иногда - разрушения) комплексных соединений; значительно реже применяются реакции окисления-восстановления. Для фотометрического определения

Таблица 1.3. Цвета видимого излучения

Наблюдаемый цвет, (цвет раствора)	Область максимального поглощения, нм	Дополнительный цвет, (поглощаемое излучение)
Зелено-желтый	380-420	Фиолетовый
Желтый	420-440	Синий
Оранжевый	440-470	Голубой
Красный	470-500	Голубовато-зеленый
Пурпурный	500-520	Зеленый
Фиолетовый	520-550	Желто-зеленый
Синий	550-580	Желтый
Голубой	580-620	Оранжевый
Голубовато-зеленый	620-680	Красный
Зеленый	680-780	Пурпурный

органических компонентов чаще всего используют реакции синтеза окрашенных соединений. Такие реакции называют фотометрическими.

Основные требования к реакциям сводятся к следующему: избирательное действие реагента, высокая скорость реакции, большое значение константы равновесия, постоянство состава и устойчивость окрашенных соединений во время проведения анализа. Важное значение в связи с этим имеют рН среды, время реакции, концентрации реагентов, температура.

1.5.3 Основные этапы анализа в фотометрии

Прежде чем приступить к выполнению фотометрического определения необходимо выбрать условия анализа. Можно рекомендовать следующую схему.

- перевод анализируемого образца в раствор и отделение, в случае необходимости, мешающих компонентов;

- выбор фотометрической формы вещества и проведение химических реакций для получения окрашенного соединения (если определяемое вещество не обладает интенсивным собственным поглощением)

- установление области концентраций, в которой выполняется основной закон светопоглощения:

- измерение оптической плотности исследуемого раствора;

- расчет содержания вещества в анализируемой пробе и его метрологическая оценка.

1.5.4 Метрологические характеристики метода

Чувствительность характеризуется углом наклона градуировочного графика. Тангенс угла наклона равен молярному коэффициенту поглощения. Если принять минимальное значение оптической плотности, измеренное с необходимой точностью, А_min = 0,01, можно рассчитать минимально определяемую концентрацию:

(1.8)

При величинах 10⁵ чувствительность определения может составлять 10-⁷-10-⁶ М.

Воспроизводимость. Для получения воспроизводимых результатов необходимо учитывать погрешности при измерении оптической плотности. Измерительное устройство фотометрического прибора обычно имеет постоянную по всей шкале погрешность измерения в величине пропускания Т, погрешность измерения величины А не будет одинакова, так как А = - lgТ. Относительная погрешность определения концентрации С/C имеет минимальное значение при Т = 0,37 или оптической плотности А = 0,435. Для измерения концентрации с погрешностью, не превышающей удвоенной минимальной, нужно проводить измерение А в интервале 0,1-1,0. Для снижения случайной погрешности измерения в области больших и малых значений А существуют специальные приемы, один из них - дифференциальный метод анализа.

Правильность. Систематические погрешности в фотометрии могут возникнуть в связи с отклонениями от закона Бера, в связи с немонохроматичностью светового потока и химическими взаимодействиями в измеряемой системе, а также при наличии примесей, которые поглощают свет в данной области спектра. Для снижения систематической ошибки существуют специальные приемы, как, например, приготовление раствора сравнения, содержащего все компоненты, кроме определяемого.

Точность фотометрических методов зависит от индивидуальных особенностей фотометрической реакции, характеристик применяемого прибора и других факторов. Обычная относительная погрешность фотометрических методов составляет 1-2%.

1.5.5 Анализ однокомпонентных систем фотометрическим методом

Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого соединений. Для анализа вещества этим способом готовят раствор исследуемого вещества и два-три стандартных раствора, затем измеряют оптические плотности этих растворов в одинаковых условиях (длина волны, толщина поглощающего слоя). Погрешность определения будет меньше, если оптические плотности исследуемого и стандартного растворов будут иметь близкие значения. Для этого вначале фотометрируют исследуемый раствор, а затем подбирают нужную концентрацию стандартного раствора. Согласно закону Бера, оптические плотности исследуемого и стандартного растворов равны:

(1.9)

(1.10)

Разделив уравнение (1.9) на (1.10) и учитывая, что оптические плотности измеряют в одних и тех же условиях ( = const, l = const) и в растворе одни и те же светопоглощающие частицы ( = const), получим:

(1.11)

откуда

(1.12)

Метод сравнения используется для единичных анализов и требует обязательного соблюдения закона Бера.

Метод молярного коэффициента поглощения. При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных растворов А_ст, для каждого стандартного раствора рассчитывают молярный коэффициент поглощения:

(1.13)

и полученное значение усредняют. Поскольку молярный коэффициент светопоглощения не зависит от толщины поглощающего слоя, измерения можно проводить в кюветах разной длины. Затем измеряют оптическую плотность исследуемого раствора А_х и рассчитывают концентрацию С_х:

(1.14)

Метод требует обязательного соблюдения закона Бера хотя бы в области исследуемых концентраций; используется довольно редко.

Метод градуировочного графика. В соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера график зависимости оптической плотности от концентрации должен быть линейным и проходить через начало координат.

Готовят серию стандартных растворов различной концентрации и измеряют оптическую плотность в одинаковых условиях. Для повышения точности определения число точек на графике должно быть не меньше трех-четырех. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора А_х и по графику находят соответствующее ей значение концентрации С_х (рис.1.7).

Интервал концентраций стандартных растворов подбирают таким образом, чтобы концентрация исследуемого раствора соответствовала примерно середине этого интервала.

Метод является наиболее распространенным в фотометрии. Основные ограничения метода связаны с трудоемким процессом приготовления эталонных растворов и необходимостью учитывать влияние посторонних компонентов в исследуемом растворе. Чаще всего метод применяется для проведения серийных анализов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.7. Градуировочный график зависимости оптической плотности от концентрации

Метод добавок. Этот метод применяют для анализа сложных растворов, так как он позволяет автоматически учитывать влияние посторонних компонентов анализируемого образца. Сначала измеряют оптическую плотность исследуемого раствора с неизвестной концентрацией

(1.15)

затем в анализируемый раствор добавляют известное количество стандартного раствора определяемого компонента (С_ст) и измеряют оптическую плотность А _х+ст:

(1.16)

откуда

(1.17)

Для повышения точности добавку стандартного раствора определяемого компонента делают дважды и полученный результат усредняют.

Концентрацию анализируемого вещества в методе добавок можно найти графичеcким путем (рис.1.8).

Рис.1.8. Градуировочный график для определения концентрации вещества по методу добавок

Уравнение (1.16) показывает, что если строить график А_х+ст как функции С_ст, то получится прямая, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, равный -С_х. Действительно, при А_х+ст = 0 из уравнения (1.16) следует, что -С_ст = С_х.

Метод дифференциальной фотометрии. В этом методе оптические плотности исследуемого и стандартных растворов измеряют не по отношению к растворителю или раствору сравнения с нулевым поглощением, а, в отличие от прямых спектрофотометрических методов, по отношению к раствору с известной концентрацией определяемого вещества С_о.

В зависимости от способов измерения относительной оптической плотности различают несколько вариантов метода.

1.Метод высокого поглощения - концентрация раствора сравнения меньше концентрации исследуемого раствора (С_о С_х). Готовят серию стандартных растворов с концентрациями С₁, С₂ С_n и фотометрируют стандартные и исследуемый растворы по отношению к раствору сравнения с концентрацией С_о. Значения относительной оптической плотности А представляют собой разность оптических плотностей исследуемого (стандартных) раствора и раствора сравнения:

(1.18)

(1.19)

Концентрацию исследуемого раствора определяют расчетным способом или по градуировочному графику. Отличие градуировочного графика от обычного (рис.1.7) в том, что за начало отсчета принимают концентрацию раствора сравнения С_о.

При расчетном способе учитывают, что отношение оптических плотностей исследуемого и стандартных растворов соответствует отношению разности между концентрациями этих растворов и раствора сравнения:

(1.20)

Отсюда:

(1.21)

или

(1.22)

где

(1.23)

F называют фактором пересчета. В одной серии измерений F является постоянной величиной.

Метод рекомендуется использовать в тех случаях, когда оптическая плотность растворов больше единицы.

2. Метод низкого поглощения. Концентрация раствора сравнения больше концентрации исследуемого раствора (С_о С_х). В этом случае применяют обратный порядок измерения: анализируемый и стандартные растворы условно принимают за растворы сравнения и по отношению к ним измеряют оптическую плотность изначального раствора сравнения. При обратном порядке измерения относительная оптическая плотность А равна разности оптических плотностей исследуемого раствора (стандартного) и раствора сравнения:

(1.24)

(1.25)

Концентрацию С_х рассчитывают по формуле:

(1.26)

где

(1.27)

Метод низкого поглощения применяют чаще всего к растворам с оптической плотностью 0,1.

3. Метод двухстороннего дифференцирования (метод предельной точности) сочетает в себе оба метода с прямым и обратным порядком измерения оптической плотности растворов.

При работе этим методом готовят несколько стандартных растворов с концентрациями, меньшими, чем в растворе сравнения, и столько же стандартных растворов с концентрациями, большими, чем в растворе сравнения.

Рис.1.9. Градуировочный график в методе двухсторонней дифференциальной фотометрии

Если С С_о, используют прямой порядок измерения, если С С_о, применяют обратный порядок измерения, и значения относительных оптических плотностей берут со знаком минус (для фотометрических приборов стрелочного типа со шкалой). Современные фотоэлектроколориметры позволяют фиксировать отрицательные значения оптической плотности, поэтому используют прямой порядок измерений. Градуировочный график при этом не проходит через начало координат, а пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей концентрации раствора сравнения С_о (рис.1.9).

Концентрацию исследуемого раствора можно определить и расчетным путем:

(1.28)

Как видно, при концентрации раствора сравнения С_о = 0 дифференциальный метод превращается в метод прямой фотометрии.

Дифференциальные методы анализа применяют для определения больших количеств веществ, для устранения мешающего влияния посторонних примесей и исключения поглощения реактивов. Этот метод применяют еще и в тех случаях, когда из-за большой концентрации нарушается закон Бугера - Ламберта - Бера, или когда значение оптической плотности выходит за границы шкалы прибора, а дальнейшее разбавление раствора нежелательно. Точность определения при использовании дифференциального метода повышается.

1.5.6 Определение смеси светопоглощающих веществ

Спектрофотометрический метод, в принципе, позволяет определить несколько светопоглощающих веществ в одном растворе без предварительного разделения. В простейшем случае вещества поглощают при разных длинах волн, и анализ смеси сводится к определению каждого компонента в отдельности - метод изолированной абсорбции. В случае, когда спектры поглощения компонентов смеси частично накладываются друг на друга, выбирают длину волны, при которой наблюдается максимальное поглощение одного компонента, а поглощение другого компонента пренебрежимо мало.

Если же спектры веществ перекрываются, то для анализа используют один из методов, основанных на законе аддитивности. Например, для смеси веществ А и В можно записать систему уравнений Фирордта:

(1.29)

(1.30)

Решение этой системы уравнений при l = 1 см дает:

(1.31)

(1.32)

Длины волн, при которых следует проводить измерения оптической плотности, выбирают по спектрам поглощения веществ А и В. Хорошие результаты дает, например, метод максимальных разностей. Для этого сначала снимают спектры поглощения веществ А и В (рис.1.10.а), а затем строят график зависимости _А - _В или _В - _А от длины волны и находят области максимума и минимума (рис.1.10.б).



Рис.1.10. Спектры поглощения веществ А и В (а) и зависимость _А - _В от длины волны (б).

Молярные коэффициенты светопоглощения определяют заранее, поэтому анализ сводится к измерению оптической плотности при двух длинах волн. Этот анализ при помощи фотоколориметров осуществить практически невозможно, поэтому количественное определение компонентов производят при помощи спектрофотометров.

Точность определения тем выше, чем больше различие в значениях _А и _В при одной и той же длине волны. Точность результатов анализа зависит от соотношения концентраций компонентов. Погрешность определения резко увеличивается при уменьшении относительного содержания компонента и при большом числе определяемых компонентов. Если число компонентов в смеси больше, чем два, число слагаемых в уравнениях типа (1.29-1.30) увеличивается пропорционально числу компонентов и соответственно возрастает число уравнений. Необходимое требование - подчинение компонентов системы законам Бера и аддитивности.

Так, для n компонентов будет записана система из n уравнений, значения оптических плотностей должны быть измерены при n длинах волн. Такие системы уравнений решают с использованием вычислительной техники.

1.6 Другие области применения молекулярной абсорбционной спектроскопии

Фотометрическое титрование. Фотометрические и спектрофотометрические измерения можно использовать для фиксирования конечной точки титрования. Фотометрическое титрование часто обеспечивает более точные результаты, чем прямой фотометрический метод. Преимущество метода фотометрического определения конечной точки по сравнению с другими методами заключается в том, что используются экспериментальные данные в точках, достаточно удаленных от точки эквивалентности. Поэтому отпадает условие, связанное с полнотой протекания реакции, обязательное для методов, в которых фиксируется изменение вблизи точки эквивалентности (например, при потенциометрическом или визуальном титровании с индикатором). По той же причине можно титровать более разбавленные растворы; присутствием других поглощающих веществ можно пренебречь, так как измеряется только изменение оптической плотности. Фотометрическое титрование применяется ко всем типам реакций.

Исследование равновесий в растворах. Характерное поглощение света частицами в растворах открывает широкие возможности для исследования химических систем. Определение констант равновесий этим методом основывается на использовании трех законов: закона действующих масс, основного закона светопоглощения и закона аддитивности оптических плотностей. В основе такого рода исследований - оценка изменений оптических характеристик растворов в результате сдвига химического равновесия под влиянием различных факторов. Спектрофотометрические измерения позволяют определить число поглощающих компонентов смеси, состав образующихся в растворах соединений, константы химических равновесий, в том числе константы диссоциации кислот и оснований и константы устойчивости комплексных соединений.

Литература

Основы аналитической химии. Т.2. / под ред. Золотова Ю.А. - М.:Химия, 1999. 486 с.

Васильев В.П. Аналитическая химия. 2 ч. М.: Высшая школа, 1989. 384 с.

Бабко А.К., Пилипенко А.Т. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура. - М.: Химия, 1968. 388 с.

Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. - Л.: Химия, 1986. 376 с.

Практикум по аналитической химии / Под ред Золотова Ю.А. - М.: Химия, 2001. 463 с.

Дубова Н.М., Гиндуллина Т.М., Сутягина Г.Н., Короткова Е.И. Физико-химические методы анализа. Учебное пособие. - Томск: изд. ТПУ, 1999. 123 с.

Размещено на Allbest.ru

...