Молекулярно - абсорбционный спектральный анализ в видимой и УФ области спектра

Молекулярно - абсорбционный спектральный анализ включает в себя фотоколориметрический и спектрофотометрический методы. Оба метода основаны на общем принципе - существовании линейной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.

Фотоколориметрический анализ основан на поглощении излучения с полихроматическим спектром, который выделяется с помощью светофильтров. Количество вещества определяется по интенсивности окраски или светопоглощению окрашенных соединений (реже применяемый колориметрический анализ основан на сравнении интенсивности окрасок исследуемого окрашенного раствора и стандартного окрашенного раствора с точно известной концентрацией). Фотоколориметрические методы используют сравнительно несложную аппаратуру и обеспечивают хорошую точность (относительная погрешность 1÷ 2 %).

Спектрофотометрический анализ основан на определении спектра поглощения и измерении светопоглощения при определенной длине волны (монохроматическое излучение), которая соответствует максимуму на кривой поглощения данного вещества. В спектрофотометрических методах применяют более сложные приборы, позволяющие проводить анализ как окрашенных, так и бесцветных соединений по избирательному поглощению монохроматического света в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра. Характеризуется высокой точностью - относительная погрешность 0.5 ÷ 1%.

(См. также п.1.2.3).

Рис.4. Спектрофотометрмческий анализ. Ультрафиолетовый спектр поглощения (зависимость поглощения электромагнитной энергии) бутена-1 (1) и бутанона (2). (зЗависимость поглощения электромагнитной энергии бутеном-1 (1) и бутаноном (2) в УФ-области от длины волны излучения.) По оси ординат отложен молярный коэффициент поглощения ε_λ. По виду этих зависимостей можно идентифицировать поглощающие вещества. [Фримантл. Химия в действии. Ч.2, с.333.]

В абсорбционном анализе наиболее важное значение имеют электромагнитные излучения со следующими длинами волн:

а) «вакуумная» ультрафиолетовая область спектра с длинами волн до 190 нм (1 нм = 10 А =10^{-7 см);}

б) ультрафиолетовая область спектра с длинами волн между 190 и 400 нм (области 190 ÷300 нм называют дальней ультрафиолетовой, 300 ÷400 нм - ближней ультрафиолетовой);

в) видимая область спектра (400 ÷ 760 нм);

г) инфракрасная область спектра (760 ÷ 20 000 нм).

Природа поглощения в УФ и видимой областях спектра определяется, главным образом, числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. В инфракрасной области она в большей степени связана с колебаниями атомов в молекулах поглощающего вещества.

1.2.1 Качественный анализ вещества

Способность органических веществ к поглощению света обусловливается, в основном, наличием в них π - связей. Функциональную группу молекулы, содержащую π – связь, называют хромофором. Хромофорами являются карбонильная группа = С = О (содержится в кетонах R – CО – R, λ_max ≈ 271 нм; альдегидах R-C(O)H, λ_max ≈ 293 нм: карбоновых кислотах R - COOH, λ_max≈ 204 нм), амидах R - C(O)NH₃, (λ_max ≈ 208 нм), этилене Н₂С = СН₂, (λ_max ≈ 193 нм), нитрогруппах С-NO₂, (λ_max ≈ 271 нм). Положение максимума спектральной линии поглощения функциональной группой точно не фиксировано и зависит от молекулярного окружения хромофора, растворителя, рН, температуры раствора. Наличием электронных переходов, приводящих к поглощению света в видимой области спектра (400 ÷ 760 нм), характеризуются ионы переходных металлов.

Справка. π – связи образуются при перекрывании р_z – атомарных орбиталей.

ХЭС. С.670. Хромофоры-ненасыщенные группы N≡N, NO₂, N=O, CH=СН, C=O. Отвечают за окраску соедининий.

Поскольку многие вещества обладают лишь малой способностью к поглощению света в УФ и видимой областях спектра, разработаны косвенные методы, основанные на реакциях образования окрашенных комплексов.

1.2.2 Количественный анализ. Законы поглощения света

Закон Ламберта-Бугера. Если световой поток с интенсивностью I ₀ падает на кювету с раствором, то часть его отразиться от поверхности кюветы (I _отр), часть будет поглощена раствором (I _погл) и часть пройдет через кювету (I _t).

	I отр

I _погл

I

I ₀

l

Рис.5.

I₀ = I + I_погл +I_отр

Так как I _отр - небольшая величина, которой можно пренебречь, то

I₀ = I + I_погл.

Связь между интенсивностями падающего светового потока и светового потока, прошедшего через слой вещества устанавливается законом Ламберта-Бугера, согласно которому однородные с лои одного и того же вещества одинаковой толщины, при прочих равных условиях, всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока». Математически эта зависимость выражается уравнением

,

где k - коэффициент поглощения, l – длина оптического пути (толщина поглощающего слоя, обычно в см).

Коэффициент поглощения k зависит от природы растворенного вещества и длины волны падающего света. Следовательно, первый закон поглощения справедлив только для монохроматического света, т.е. для света с определенной длиной волны. Из закона Ламберта - Бугера следует, что:

а) отношение интенсивности светового потока, прошедшего через слой раствора, к интенсивности падающего светового потока не зависит от абсолютной интенсивности падающего светового потока;

б) если толщина слоя раствора увеличивается в арифметической прогрессии, интенсивность светового потока, прошедшего через него, уменьшается в геометрической прогрессии.

Закон Бера. Бер установил, что коэффициент поглощения k пропорционален концентрации поглощающего вещества, т.е.:

k = e_l ∙С,

где e_l - коэффициент, характеризующий вещество и не зависящий от его концентрации;

С - концентрация вещества.

Если концентрация С выражена в моль/л, а толщина поглощающего слоя l в см, то коэффициент e_l называют молярным коэффициентом поглощения (коэффициентом экстинкции). Он представляет собой величину, зависящую от длины волны падающего света, природы растворенного вещества, природы растворителя, температуры раствора.

Закон Ламберта-Бугера-Бера. Закон Бера рассматривает изменение поглощения светового потока слоем постоянной толщины при изменении концентрации, а закон Ламберта-Бугера - изменение поглощения светового потока раствором постоянной концентрации при изменении толщины поглощающего слоя. Эти законы аналогичны друг другу. Объединяя их, получим уравнение основного закона светопоглощения - закона Ламберта-Бугера-Бера, который лежит в основе большинства фотометрических методов анализа:

, (1)

или в десятичной системе логарифмов

. (1^*)

Величины e и e^* связаны друг с другом соотношением e = e^* ∙lg e, где lg e = 1/2.3. Ниже будем пользоваться выражением (1^*) и использовать в нем для краткости вместо обозначения e^* обозначение e.

Отношение интенсивности светового потока I, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потока I₀ носит название прозрачности (или пропускания) и обозначается буквой Т:

Т = I / I₀ =10^-e∙С∙l (2)

Величина Т, отнесенная к толщине слоя в 1 см, называется коэффициентом пропускания. Пропускание обычно выражается в процентах:

Т |_l=1cм = I/I₀ 100%. (2а)

Десятичный логарифм величины, обратной пропусканию (или прозрачности?), носит название оптической плотности или поглощения (обозначается соответственно знаком D (density) или А (absorb)).

D = lg (I₀/I) = lg (100/T) = e_l∙С∙l. (3)

Из (3) следует, что оптическая плотность D прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе (закон справедлив только для разбавленных растворов). Из уравнения (3) следует также, что D = e_l при С = 1 моль/л и l = 1 см, т.е. молярный коэффициент светопоглощения представляет собой оптическую плотность 1М раствора, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см. Молярный коэффициент светопоглощения отражает индивидуальные свойства окрашенных соединений и является их характеристикой. Величина молярного коэффициента светопоглощения e_l зависит также от длины волны проходящего света, температуры раствора и природы растворенного вещества.

Если графически изобразить зависимость D от С, то при отсутствии поглощения света растворителем и систематических ошибок получим прямую линию, проходящую через начало координат.

С

0

Рис.6.

Закон Ламберта-Бугера-Бера справедлив лишь для монохроматического излучения, поэтому, чем ближе излучение к монохроматическому, тем выше точность измерений. Излучение определенной длины волны может быть выделяютено с помощью специального оптического устройства - монохроматора. В фотоколориметрии измерение интенсивности световых потоков проводят не в монохроматическом, а в узком интервале полихроматического света, выделяемом с помощью светофильтров (ширина интервала 20÷100 нм). В этом случае в уравнения (1-3) вместо молярного коэффициента светопоглощения e_l следует подставлять значение среднего молярного коэффициента светопоглощения, зависящее от характеристики используемого светофильтра.

Существует ряд причин отклонения от закона Ламберта-Бугера-Бера:

1. Влияние посторонних электролитов, вызывающих деформацию электронных оболочек ионов, вследствие чего изменяется поглощение света и, соответственно, оптическая плотность растворов.

2. Диссоциация окрашенных соединений в растворах. Окраска иона отличается от окраски молекулы. Интенсивность окраски, зависящая от соотношения, например, концентраций окрашенных и бесцветных частиц, изменяется с изменением общей концентрации раствора, т.к. при этом происходит и изменение степени диссоциации. В результате, при разбавлении или концентрировании растворов наблюдаются отклонения от основного закона колориметрии.

3. Многие окрашенные соединения чувствительны к концентрации ионов водорода и изменяют свою окраску с изменением рН среды. При колориметрии точное соблюдение рН среды имеет исключительное значение.

4. Процесс комплексообразования - при образовании комплексов изменяется окраска иона.

5. Окрашенные соединения часто изменяют свою окраску во времени.

6. Интенсивность окраски зависит от температуры, которая должна поддерживаться в пределах ± (1÷ 3)°С.

7. Образование окрашенного соединения часто зависит от количества, порядка добавления и концентрации реактива.

Отклонение от закона Бера оценивается относительным изменением оптической плотности окрашенного раствора при его разбавлении, получаемым при неизменном значении произведения концентрации светопоглощающего соединения на толщину слоя C∙l = const.

1.2.3 Методы измерения оптической плотности растворов

Молярный коэффициент светопоглощения ε _λ окрашенного вещества и оптическая плотность D раствора различны для разных длин волн света, проходящего через окрашенный раствор. Для достижения максимальной точности и чувствительности количественных определений, измерение оптической плотности растворов желательно проводить в той области спектра, в которой поглощение является максимальным. Для получения спектра поглощения в координатах DD = f (l) или e = f (l), проводят серию измерений оптической плотности раствора или молярного коэффициента светопоглощения при различных длинах волн (через 10 ÷ 20 нм) в интересующей нас области спектра, а найдя границы максимума, промеряют эту область с меньшим шагом. По полученным данным строят кривую поглощения.

Рис.7.

Область максимального поглощения характеризуется размытостью максимума, т.е. интервалом длин волн (l_1/2max ÷ l’_1/2max), отвечающим половинным значениям максимального молярного коэффициента светопоглощения или максимальной оптической плотности раствора. Для того, чтобы из всей видимой области спектра выделить лучи с определенной длиной волны, на пути светового потока перед поглощающим раствором помещают избирательные поглотители света - светофильтры. Чем уже область максимального пропускания лучей (l_1/2max ÷ l’_1/2max) применяемого светофильтра, тем выше его избирательность для данного спектрального диапазона и тем точнее фотометрическое определение. Наиболее эффективные стеклянные узкополосные светофильтры характеризуются размытостью максимума пропускания 20 - 30 нм.

Аналитическая абсорбционная спектрофотометрия основана на тех же законах светопоглощения, что и фотоколориметрические методы, но в спектрофотометрии используется поглощение монохроматического света, или, точнее, очень узкого интервала волн (1 ÷ 2нм). Преимущества спектрофотометрических методов перед фотоколориметрическими:

· позволяют работать в узкой области оптимального светопоглощения, что значительно увеличивает чувствительность и точность количественного анализа;

· применимы как для анализа одного вещества, так и смеси, содержащей несколько поглощающих компонентов, химически не взаимодействующих друг с другом;

· можно работать не только с окрашенными растворами, которые поглощают свет в видимой области спектра, но и с бесцветными для глаза растворами, которые поглощают излучение в ультрафиолетовой или ближней инфракрасной областях спектра.

Требования при работе в ультрафиолетовой области спектра: использование кварцевых, а не стеклянных кювет; трудно оценивать концентрации бесцветных растворов, поэтому увеличивается число проб и разбавлений; необходимо учитывать возможность присутствия посторонних примесей в растворе, которые будут поглощать свет и мешать анализу, а также влияние растворителей на характер спектра растворенного вещества и поглощение самих растворителей в ультрафиолетовой области.

Определение концентрации вещества методом сравнения оптических плотностей эталонного и исследуемого растворов. Готовят эталонный раствор определяемого вещества известной концентрации С_а, которая приближается к концентрации С_х исследуемого раствора. Определяют оптическую плотность D_a этого раствора при эталонной длине волны, затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора D_x при той же длине волны и при той же толщине слоя. Концентрацию С_х определяют по формуле

.

Количество q определяемого вещества (мг) с учетом разбавления раствора находят по формуле:

q = (С_xV_a/V_п) V_k,

где V_a - объем окрашенного раствора, мл;

V_k - общий объем исследуемого раствора, мл;

V_п - объем аликвотной части исследуемого раствора, взятой для приготовления окрашенного раствора, мл.

Справка. Аликвота – точно известная часть анализируемого раствора, взятая для анализа. Часто она отбирается квлиброванной пипеткой и ее объем обычно обозначается символом V_п.

Определение концентрации вещества в растворе по значению молярного коэффициента поглощения e_l. Готовят эталонный раствор исследуемого вещества определенной концентрации С_эт (моль/л) и измеряют значение его оптической плотности D_эт при длине волны l. Значение молярного коэффициента поглощения e_l устанавливают по формуле

e_l = D_эт/ (l∙С_эт).

Затем, определив значение D_x исследуемого раствора при той же длине волны и зная e_l, находят значение концентрации исследуемого вещества (моль/л):

с_х = D_x / (e_l l)

Определение концентрации вещества в растворе с помощью калибровочного графика. Предварительно готовят серию растворов определяемого вещества различной концентрации (градуировочные растворы), измеряют оптические плотности этих растворов с длиной волны l и по полученным данным строят графиккривую зависимости оптической плотности раствора от концентрации. Определив значение оптическуюой плотностьи исследуемого раствора при той же толщине слоя, находят концентрацию исследуемого вещества по калибровочному графику.

Рис.8.

Определение концентрации вещества в растворе дифференциальным методом. Приборы, используемые для измерения оптической плотности растворов, снабжены двумя кюветами. В кювету-1 наливают исследуемый раствор, а в кювету-2 – чистый растворитель. Если определение концентрации вещества в растворе ведется по дифференциальному методу, то в кювету-2 вместо растворителя наливают окрашенный раствор определяемого элемента с известной концентрацией С ₀, т.е. раствор сравнения. Концентрация С ₀ раствора сравнения должна быть меньше концентрации С_х исследуемого раствора. Оптическую плотность исследуемого раствора измеряют по отношению к раствору сравнения.

lg (I₁/I₂) = D_x’ = e∙l∙ (С_x - С₀),

где D_x’- оптическая плотность исследуемого раствора по отношению к раствору сравнения.

1.2.4 Оборудование для спектрофотометрии

Различают две группы приборов для измерения концентрации соединения в растворе методом молекулярной абсорбции:

1. Фотоколориметрический анализ, в котором поглощение света, прошедшего сначала через светофильтр, измеряют при помощи приборов с фотоэлементом (фотоэлектроколориметров ФЭК).

2. Спектрофотометрический анализ, в котором кроме фотоэлемента используются призма или дифракционная решетка и щель. Эти устройства позволяют выделить узкий участок спектра, а именно тот, с которым оптически реагирует окрашенное соединение.

Все спектральные приборы для исследования поглощения веществ в различных областях спектра электромагнитного излучения имеют одинаковую структурную схему и отличаются лишь устройством отдельных элементов схемы. Основные блоки:

а) источник излучения, создающий электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн;

б) монохроматор, который включает: в) входную щель, г) диспергатор и д) выходную щель;

е) отсек для кобразца, где размещается кюветыа с пробой;

ж) один или несколько детекторов излучения;

з) регистрирующее устройство.

Идеальным считается источник света, интенсивность излучения которого постоянна во всем диапазоне длин волн. К сожалению, такого источника не существует. Поэтому в приборах, предназначенных для проведения анализов в ультрафиолетовой и видимой области спектра, обычно используют два источника излучения. Первым является дейтериевая лампа, дающая хорошую интенсивность и сплошной спектр излучения в УФ области, вторым - лампа накаливания (галогеновая лампа с вольфрамовой нитью накала) для видимой области.

Рис.9.

Монохроматор состоит из входной щели, диспергирующего устройства и выходной щели. Диспергатор обеспечивает рассеивание света с разной длиной волны под различными углами, а выходная щель вырезает узкую спектральную полосу. Чаще всего используются два типа диспергаторов – призмы и дифракционные решетки. Призмы просты и дешевы, но рассеивание света характеризуется нелинейной зависимостью от угла. Дифракционные решетки рассеивают свет с линейной зависимостью от угла и не чувствительны к температуре, но отраженный спектр характеризуется разделением на разные порядки, которые перекрываются. Из-за этого приходится пользоваться фильтрами. В фотоколориметрах диспергатором служит светофильтр, который вырезает из сплошного спектра полосу в необходимом интервале длин волн. За счет увеличения ширины полосыэтого увеличивается поток энергии, падающий на образец, и, как следствие, увеличивается чувствительность прибора.

В качестве детектора применяется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или фоторезистор. В современных приборах детектором все чаще служит диодная матрица (аналогия с экраном цифрового фотоаппарата), содержащая до 1024 элементов, что дает возможность производить одновременную регистрацию излучения в диапазоне от 190 до 1100 нм с хорошей разрешающей способностью. Вместо монохроматора в этом случае используется полихроматор (входная щель + рассеивающее устройство).

Промышленностью выпускаются разные варианты спектрофотометров: одно- двухлучевые. Каждому варианту конструкции присущи и достоинства и недостатки. Однолучевые – более дешевы, просты в эксплуатации. Простая оптическая схема вносит меньшее ослабление интенсивности света и, следовательно, характеризуется большей чувствительностью. Но измерение контрольного и анализируемого образца производится последовательно. Уход характеристик лампы за этот период может приводить к существенным ошибкам. В 2-хлучевых спектрофотометрах на пути света установлен оптический переключатель, который попеременно направляет луч через канал сравнения и канал образца. За счет этого удается скомпенсировать изменения интенсивности лампы (т.н. уход характеристик лампы) и повысить стабильность. Но в этой схеме используется большее число оптических узлов, что приводит к большей потере интенсивности света и снижению чувствительности.

Большинство обычных спектрофотометров способны обеспечить многоволновые измерения, но требуют механической перестройки для перехода от одной точки спектра к другой, на что затрачивается время. На спектрофотометре с диодной матрицей все точки спектра регистрируются параллельно. Поэтому на многоволновые измерения уходит столько же времени, сколько затрачивается при работе с обычными приборами на измерение на одиночной длине волны. Как правило, конструкция таких приборов менее сложна, количество оптических поверхностей в них меньше, свет проходит с меньшими потерями, и уровень шумов оказывается ниже, хотя разрешающая способность также ниже.

Дата добавления: 2014-01-07