Молекулярно-абсорбційна спектроскопія

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молекулярно-абсорбційна спектроскопія

План

1. Суть методу та його види

2. Закони поглинання випромінювання

3. Візуальні колориметричні методи аналізу

4. Фотоколориметричні методи аналізу

5. Спектрофотометрія

1. Суть методу та його види

Молекулярно-абсорбційний спектральний аналіз складається із спектрофотометричного та фотоколориметричного аналізу.

Спектрофотометрія - базується на визначенні спектра поглинання або випромінюванні світло поглинання при строго певній довжині хвилі, яка відповідає максимум кривої поглинання досліджуваної речовини.

Фотоколориметрія - базується на порівнянні інтенсивності забарвлення забарвленого розчину і стандартного забарвлення розчину певної концентрації.

Молекулярні розчини мають певну внутрішню енергію Е:

Е = Е_ел + Е_оберт + Е_кол

де Е_ел - енергія руху електронів, які знаходяться в електростатичному полі атомних ядер;

Е_кол - це енергетичні коливання ядер атом відносно один одного;

Е_оберт - енергія обертання молекули.

Е_ел > Е_кол > Е_оберт

При поглинанні молекулами світла її Е₀ збільшується на величину енергії поглиненого фотона

ДE = Е₁ - Е₀ = h * c/л

Чим менша л, тим більша н і тим більша Е, яка придається молекулам електромагнітним випромінюванням.

Енергію, яку передають фотони видимого світла та ультрафіолету достатньо для того, щоб змінити електронний стан молекули.

Енергії інфрачервоного випромінювання достатньо тільки для того, щоб змінити енергію коливальних і обертальних переходів в молекулі речовини.

2. Закони поглинання випромінювання

Розрізняють 3 основні закони світлопоглинання:

1) Бугера-Ламберта

2) Бера

3) закон універсальний Бугера-Ламберта-Бера

1) Відносна кількість поглиненого світла пропускаючи середовищем не залежить від інтенсивності початкового випромінювання. Кожен шар рівної товщини поглинає рівну частку монохроматичного потоку випромінювання, який проходить. Математично це виражається так:

І = І₀ * 10^-хl ; І/ І₀ = 10^-хl

де І₀ - інтенсивність потоку випромінювання, що входить в розчин;

І - інтенсивність потоку випромінювання, який виходить з розчину;

l - товщина шару розчину, через який проходить монохроматичне світло; х - коефіцієнт поглинання.

2) Поглинання потоку випромінювання прямо пропорційне числу частинок речовини, що поглинає, через яку проходить даний потік випромінювання. Закон Бера виражає залежність коефіцієнту поглинання від концентрації речовини в однорідному розчині.

Х = еС

де е - молярний коефіцієнт світлопоглинання; С - молярна концентрація розчину.

3) Поглинання монохроматичного світла забарвленим розчином прямо пропорційне концентрації речовини, яка поглинається світлом та товщині шару розчину, через який світло проходить.

І = І₀ * 10^-еСl; І/ І₀ = 10^-ЕСl

У фотоколориметрії величину І/І₀ називають світлопропусканням і вимірюють його у відносних одиницях або у відсотках:

І/ І₀ = Т; І/ І₀ * 100% = Т, %

У фотометрії величину lg І₀ /І називають оптичною густиною

lg І₀ /І = А (D)

Тому І/ І₀ = 10^-ЕСl ; І₀ /І = 10^ЕСl; lg І₀ /І = ECl;

A = ECl

T = 10^-ЕСl

Прологарифмувавши І/ І₀ = 10^-ЕСl ми маємо:

lg І₀ /І = ECl; Т = І/ І₀ ; 1/Т = І₀ /І, тоді lg1/Т = ECl

А = lg1/Т

А = - lgТ

А і Т є основними величинами, які характеризують поглинання рочину даної речовини з певною його концентрацією, при певній довжині хвилі і товщині поглинаючого шару.

Покажемо залежність оптичної густини від концентрації С та від товщини шару.

Оптична густина прямо пропорційна залежить від концентрації речовини та від товщини шару розчину.

Залежність А = f(С) та lgT = f(С) має прямолінійний характер.

Залежність:

1. прямо пропорційна

2. обернено пропорційна

Залежність T = f(С) носить експоненціальний характер. Величина коефіцієнту гасіння ч залежить від способу вираження концентрацій в розчині і товщини шару поглинання світла.

Якщо концентрація виражена в моль/л, то цей коефіцієнт називається молярним коефіцієнтом поглинання.

Він має такий зміст: це поглинання одномолярного розчину певної речовини, якщо товщина його шару = 1см.

Величина молярного коефіцієнту поглинання залежить від:

1. природи розчиненої речовини

2. довжини хвилі монохроматичного світла

3. температури

4. природи розчинника

Якщо концентрація розчину виражена у %, то тоді маємо справу з питомим коефіцієнтом поглинання.

Іноді закон Бугера-Ламберта-Бера не виконується в таких випадках:

1. Якщо через розчин пропускають світло з недостатньою монохроматизацією.

2. В розчині можуть протікати різні процеси, які змінюють концентрацію визначуваної речовини - це гідроліз, іонізація, гідратація, комплексоутворення, полімеризація і т.д. Іноді змінюється навіть природа речовин.

3. Світло поглинання розчину суттєво залежить від рН розчину, при цьому можуть змінитися

-ступінь іонізації слабкого електроліту;

- форма існування іонів, що призводить до зміни світло поглинання; склад утворених забарвлених комплексів.

Висновок: закон Бугера-Ламберта-Бера справедливий для сильно розбавлених розчинів, при умові, що через них пропускають монохроматичне світло.

3. Візуальна колориметрія

Ві Інтенсивність забарвлення розчину вимірюють такими методами:

1) об'єктивними (за допомогою приладів)

2) суб'єктивними (за допомогою людського ока).

Візуальними називаються такі методи, при яких оцінку інтенсивності забарвлення розчину проводять неозброєним оком.

В об'єктивних методах методом замість ока детектором слугує фотоелемент або фотоелектромножник.

До візуальних відносять:

1) метод стандартних серій;

2) метод колориметричного титрування або дублювання;

3) метод урівнювання.

1) Готують серію стандартних розчинів, а потім досліджений забарвлений розчин порівнюють з кожним із стандартних розчинів. Концентрацію досліджуваного розчину прирівнюють до концентрації того стандартного розчину, з яким забарвлення співпало.

2) Будується на порівнянні забарвлення аналізованого розчину із забарвленням іншого розчину - контрольного. Контрольний розчин - це розчин, який містить всі компоненти та реагенти, крім визначуваної речовини. З бюретки в контрольний розчин додають розчин стандартної речовини до тих пір, поки забарвлення цього розчину не зрівнюється з досліджуваним, тоді вважають, що в досліджуваному розчині міститься стільки ж визначуваної речовини, скільки її ввели в контрольний розчин.

3) В методі урівнювання подібність забарвлення досягається зміною товщини шарів забарвлених розчинів. Для цього використовують спеціальні прилади: колориметр занурення та колориметр зливання.

Переваги візуальних методів:

1) прості у використанні, не потрібне дороге обладнання;

2) око досліджувача оцінює не тільки інтенсивність забарвлення, а й відтінки його.

Недоліки:

1) необхідно готувати стандартний розчин або його серії;

2) неможливо порівнювати інтенсивність забарвлення розчину в присутності інших забарвлених речовин;

3) при тривалому порівнянні інтенсивності забарвлення око людини стомлюється і похибка визначення збільшується;

4) око людини не може відрізнити невеликі зміни оптичних густин. Відомо, що людина відрізняє концентрацію ±5%.

4. Фотоколориметричні методи аналізу

Фотоелектроколориметричними називаються методи аналізу забарвлених розчинів з випромінюванням оптичної густини або їх світло пропускання (Т) за допомогою спеціальних приладів.

Вимірювання інтенсивності забарвлення проводиться детекторами (фотоелементом або фотоелектронним множником). При цьому світлова енергія перетворюється в електричну.

Ці детектори використовують при роботі з видимим, УФ та ІЧ світлом. При цьому визначення проводиться більш точно, ніж оком.

В хімічній технології, в лабораторіях, на заводах використовують не візуальний, а фотоелектроколориметричний метод.

ФЕК ділять на 2 групи:

1) однопроменеві (використовують тільки один фотоелемент)

2) двопроменеві (використовують одночасно два фотоелемента)

Більш точним є двопроменевий ФЕК, який дозволяє нівелювати зміни напруги в мережі та інші випадкові фізичні фактори.

Визначення концентрації в ФЕК-метрії

Використовують методи з використанням стандартних розчинів:

1) метод калібрувального графіку;

2) метод порівняння зі стандартом;

3) метод добавок або домішок.

Крім того, визначення концентрації досліджуваних речовин з використанням відомого молярного коефіцієнту поглинання або питомого А_% коефіцієнта поглинання.

Крім того, використання фотоколориметричного титрування.

1) При побудові калібрувального графіку враховують наступне:

1. батарея стандартних розчинів повинна охоплювати область можливих концентрацій досліджуваного розчину

2. оптична густина досліджуваного розчину повинна відповідати наближено середині графіка

3. бажано, щоб в цьому інтервалі концентрацій витримувався закон Бугера-Ламберта-Бера

Висновок: тільки метод калібрувального графіку дозволяє визначити концентрацію розчину, навіть коли закон Б-Л-Б не виконується.

2) Метод добавок використовують для нівелювання впливу сторонніх домішків, визначення малих кількостей аналізованої речовини в присутності великих кількостей сторонніх речовин. Метод потребує строгого виконання закону Б-Л-Б. При роботі з природними об'єктами в зв'язку з цим часто використовують метод добавок.

Диференціальна фотоколориметрія

Іноді при роботі з інтенсивно забарвленими розчинами в якості розчину порівняння використовують стандартний розчин, концентрація якого максимально наближена до визначуваного.. Тоді точність результату значно зростає і результат вимірювання попадає в оптимальну ділянку А=0,2-0,7. Як правило використовується калібрувальний графік;

Екстракційний фотометричний метод

Метод базується на поєднанні екстракції визначуваної речовини з наступним фотометричним визначенням. Його використовують при аналізі складних сумішей:

1. коли потрібно визначити малі концентрації речовин

2. при взаємодії домішків у присутності основних компонентів

3. коли безпосереднє визначення речовини в суміші ускладнене.

Увага! Як правило екстракція являє собою не просто метод розділення, але й концентрування речовин.

Переваги ФЕК-метрії:

1) обладнання цього методу вважається недорогим, при цьому спостерігається висока точність аналізу

2) наявність різних фотометричних методик аналізу практично всіх хімічних елементів ПС

3) цим методом працюють в широкому діапазоні вмісту 10^-6 - 10^-2%.

спектрофотометричний фотоколориметричний бугер ламберт

5. Спектрофотометрія

Більшість спектрофотометрів працюють у видимій, УФ та ІЧ областях. Якісний аналіз речовин за їх спектрами поглинання проводять 2-ма способами:

1. за відомими параметрами спектра поглинання досліджуваної речовини

2. порівняння спектрів поглинання розчину стандартних речовин і розчину досліджуваної речовини одного й того ж складу.

Вона ґрунтується на законі Б-Л-Б. Тут можна аналізувати незабарвлені розчини речовин, тоді аналіз проводять в УФ та ІЧ області спектра.

Спектрофотометр дозволяє вирішити велику область задач:

1) одночасне кількісне визначення декількох компонентів багатокомпонентних сумішей

2) визначення константи іонізації кислот та основ.

Існують одно- та двопроменеві спектрофотометри.

Спектрофотометр складається з наступних блоків:

1) джерела випромінювання

2) монохроматор

3) кюветне відділення

4) детектор

5) індикатор сигналу фотоструму (гальванометр, мікропроцесор)

Відносна похибка спектральних визначень не перевищує 2%.

Для вимірювань у видимій області та УФ використовують як розчинники воду, спирти, хлороформ, розчини кислот та лугів (розчини не повинні містити домішки)

Концентрацію та товщину шару підбирають так, щоб А = 0,2-0,7, тоді похибка вимірювання мінімальна.

В кількісному аналізі використовують так звані аналітичні смуги поглинання речовини.

В спектрофотометрії використовують наступні методи визначення концентрації:

1. метод порівняння зі стандартом;

2. метод калібрувального графіка;

3. метод добавок;

4. метод визначення за середнім значенням молярного коефіцієнта поглинання;

5. при високих концентраціях розчинів досліджуваних речовин А>1, і тоді похибка вимірювань різко зростає. Тоді використовують метод диференціальної спектрофотометрії.

6. екстракційно-фотометричний метод

7. аналіз багатокомпонентних сумішей - якщо компоненти не взаємодіють між собою. Базується на законі Б-Л-Б та законі адитивності. Кількість невідомих концентрацій компонентів повинна дорівнювати кількості обраних довжин хвиль.

Размещено на Allbest.ru

...