Теоретические основы спектральных (оптических) методов анализа, их классификация

К оптическим (спектральным) методам анализа относятся методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения, излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения.

Отражение света

 

Рассеяние света

 

 

Поглощение света

 

 

Люминесценция

Рис. 1 Общая картина взаимодействия электромагнитного излучения с веществом

Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано следующими параметрами:

– длина волны (λ) – расстояние между двумя максимумами волны, м, нм, мкм.

λ 1 нм = 10‾⁹ м

1 мкм = 10‾⁶ м

– частота (ν) – число колебаний в 1 секунду, с‾¹ или Гц.

(2)

где с – скорость света в вакууме (2,9979∙10⁸ м/с).

– волновое число () – число длин волн, приходящихся на 1 см пути излучения в вакууме, см‾¹.

(3)

– энергия излучения (Е), Дж или эВ.

Е = hν, (4)

где h – постоянная Планка (6,626∙10‾³⁴ Дж∙с).

Важнейшей характеристикой электромагнитного излучения является его спектр, т.е. совокупность различных значений, которые может принимать данная физическая величина. Совокупность всех частот или длин волн электромагнитного излучения называется электромагнитным спектром.

Интервал длин волн от 10‾¹⁰ до 10‾¹ м разбивают на области:

УФ види- ИК

мая

Рентгеновское

излучение Радиоволны

 

λ, нм 10 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

Рис. 2. Области электромагнитного спектра

Ультрафиолетовая область (УФ) охватывает диапазон 10-380 нм, инфракрасная область (ИК) – 750-1·10⁵ нм, видимый свет занимает узкую область – 380-750 нм.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

1. Методы, основанные на поглощении веществом светового потока. К ним относятся фотоколориметрия и спектрофотометрия.

2. Методы, основанные на излучении веществом электромагнитных волн. К ним относятся фотометрия пламени, атомно-флуоресцентный анализ и др.

Фотометрический анализ (молекулярная абсорционная спектроскопия) основан на способности вещества поглощать электромагнитные излучения оптического диапазона. В основе фотометрического анализа лежит избирательное поглощение света частицами (молекулами и ионами) вещества в растворе. При некоторых длинах волн свет поглощается интенсивно, а при некоторых – не поглощается совсем.

 

Методы фотометрического анализа

фотоколориметрия спектрофотометрия

анализ на основе измерения анализ на основе измерения

поглощения излучения видимой поглощения УФ, видимой и

области спектра ИК областей спектра

Прибор: Прибор: спектрофотометр

фотоэлектроколориметр (ФЭК)

 

Фотоколориметрические методы широко распространены в работе клинических лабораторий для количественного определения йода, азота, мочевой кислоты в моче, билирубина и холестерина в крови и желчи, гемоглобина в крови и т.д. В санитарно-гигиеническом анализе колориметрия применяется для определения аммиака, фтора, нитратов и нитритов, солей железа, витаминов и других веществ.

Фотоколориметрический метод анализа основан на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора с окраской раствора, концентрация которого неизвестна. Раствор с известной концентрацией называется стандартным или образцовым раствором.

Этим методом можно анализировать лишь окрашенные растворы. Если раствор бесцветный, то в него добавляют реагент, образующий окрашенное соединение с исследуемым веществом (фотометрическая реакция).

исслед. в-во + реагент ↔ окраш. соед.

Cu²⁺ + 4NH₃ ↔ [Cu(NH₃)₄]²⁺

 

Fe³⁺ +6CN^- ↔ [ Fe(CN)₆]^3-

В основе фотоколориметрического анализа лежит закон светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера: при прохождении светового потока через поглощающий раствор интенсивность прошедшего светового потока (I) отличается от интенсивности падающего светового потока (I_o) на поглощение света раствором.

 

I

I₀ I

b (толщина кюветы)

Рис. 3. Прохождение светового потока через поглощающую среду

 

Отношение I/I_o называется пропусканием раствора и обозначается Т.

(5)

– важная характеристика раствора, называется оптической плотностью D:

(6)

Обычно Т выражают в %:

(7)

Уменьшение интенсивности света при прохождении через поглощающий раствор подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

 

I = I₀ · 10‾^cb или D = ε bc, (8)

 

где ε – молярный коэффициент поглощения, являющийся основной характеристикой поглощения света системой при данной длине волны.

 

Причины отклонения от закона:

1) изменение степени диссоциации при разбавлении;

2) изменение степени гидратации ионов;

3) присутствие посторонних электролитов

Важным дополнением к закону Б-Л-Б является закон аддитивности светопоглощения. Если в растворе присутствует несколько поглощающих веществ, то оптическая плотность раствора равна сумме вкладов каждого из компонентов:

Д=Д₁+Д₂+Д₃

Важным этапом фотометрического анализа раствора является выявление длины волны светового потока, соответствующей максимальному светопоглощению. Для этого измеряют Д раствора при разных λ и строят график Д=Д(λ). Работа в области максимума поглощения обеспечит наибольшую чувствительность и точность определения.

Чтобы обеспечить максимальное поглощение в ФЭКе есть набор светофильтров. Светофильтры – это специальные стёкла, поглощающие излучение определённых длин волн.

Задача 1

Навеску массой 0,0162 г n-нитроанилина NH₂C₆H₄NO₂ растворили в мерной колбе вместимостью 50,00 см³. Полученный раствор разбавили в 100 раз. Оптическая плотность разбавленного раствора D = 0,40 (λ =368 нм, b = 10 мм). Вычислите молярный коэффициент светопоглощения n-нитроанилина.

Решение:

Молярный коэффициент светопоглощения (ε) вычисляют по основному закону светопоглощения:

где С_М – молярная концентрация поглощающего вещества, моль/дм³

b – толщина светопоглощающего слоя, см

Откуда

Находят молярную концентрацию n-нитроанилина в исходном растворе:

После разбавления раствора концентрация n-нитроанилина уменьшится в 100 раз (2,35∙10‾⁵ моль/дм³):

Ответ: ε = 1,70∙10⁴ дм³/моль∙см

 

Задача 2

В 6 мерных колб вместимостью 100,0 см³ поместили 1,00; 2,00; 3,00; 4,00; 5,00 и 6,00 см³ стандартного раствора Fe³⁺ с концентрацией 10,0 мг/см³. После проведения реакции с сульфосалициловой кислотой оптические плотности растворов соответственно равны: 0,12; 0,25; 0,37; 0,50; 0,62 и 0,75. Оптические плотности анализируемых растворов 0,30 и 0,50. Вычислить концентрацию Fe³⁺ в этих растворах.

Решение:

Рассчитывают концентрации (мг/см³) Fe³⁺ в стандартных растворах:

Градуировочный график линеен, выходит из начала координат:

D

С_м(Fe³⁺), мг/см³

Для расчета концентрации Fe³⁺ в анализируемых растворах применяют соотношение:

где С_Х и С_ст. – концентрации определяемого вещества в анализируемом и стандартном растворах;

D_Х и D_ст. – оптические плотности растворов.

Ответ: 0,240 мг/см³

0,400 мг/см³

Существуют различные методы фотоколориметрического определения вещества в растворе:

1. Метод калибровочного (градуировочного) графика. Готовят серию из 5-8 стандартных растворов разных концентраций, измеряют их оптическую плотность, строят график в координатах Д–С. Затем измеряют поглощение анализируемого раствора и по графику определяют его концентрацию (см. рис. 4).

D

0,6

,3

0,2

0,1

 

10 20 30 40 50 С (Fe³⁺), мкг/мл

Рис. 4 График зависимости оптического поглощения от концентрации

 

2. Метод добавок. К анализируемому раствору добавляют точную навеску вещества. Измерив оптическую плотность раствора с добавкой (D) и без добавки (D₀), рассчитывают концентрацию анализируемого раствора (С₀):

 

(9)

 

3. Метод стандартных растворов. Оптическую плотность исследуемого раствора (D_X) сравнивают с оптической плотность стандартного раствора (D_ст.) этого же вещества. Неизвестную концентрацию исследуемого раствора (С_Х) рассчитывают по формуле:

 

(10)

 

где С_ст. – концентрация стандартного раствора, моль/л.

оптической плотности раствора в процессе титрования. Аликвотный объём анализируемого раствора помещают в кювету, через которую проходит свет с определённой длиной волны λ. В кювету постепенно добавляют титрант и измеряют Д.