Молекулярная абсорбционная спектроскопия в УФ- и видимой области

Молекулярную абсорбционную спектроскопию в УФ- и видимой областях спектра называют спектрофотометрией либо фотометрией.

Молекулярные спектры поглощения в УФ- и видимой области

Рис. 20.9. Электронные переходы в гипотетической молекуле

Молекулярные абсорбционные спектры в УФ- и видимой области состоят не из отдельных чётко определённых линий, а из широких полос. Это вызвано следующими причинами. Как и атомы молекулы могут поглощать только такое электромагнитное излучение, энергия которого точно равна разности между энергиями основного и возбуждённого состояния. Однако, полная энергия молекулы является суммой энергии электронного состояния (Е_эл), энергии колебания атомов, входящих в её состав (Е_кол) и энергии вращения данной молекулы (Е_вр), причём Е_эл > Е_кол >> E_вр. Каждому электронному состоянию молекулы соответствует целая группа колебательных, а каждому колебательному, в свою очередь, большое число вращательных состояний. Энергия электромагнитного излучения УФ- и видимого диапазона соответствует энергии возбуждения валентных электронов. Для того чтобы произошёл переход молекулы из одного колебательного состояния в другое без изменения её электронного состояния, достаточно энергии ИК-излучения, а между двумя вращательными энергетическими уровнями в пределах одного и того же колебательного - энергии излучения микроволнового диапазона.

При поглощении электромагнитного излучения УФ- или видимого диапазона молекула переходит из некоторого колебательного и вращательного состояния основного электронного уровня в некоторое колебательное и вращательное состояние следующего электронного уровня (рис. 20.9). Каждый образец вещества содержит огромное число молекул. Даже если все они находятся в основном электронном состоянии, то при этом они могут находиться в разных колебательном и вращательном состояниях. Поэтому вещество будет поглощать не только электромагнитное излучение, соответствующее переходу между самыми низкими колебательными и вращательными состояниями основного и возбуждённого электронного уровней, но и излучение с близкими длинами волн. Кроме того, в многоатомных молекулах возможно много электронных переходов и они могут быть близки по энергии, поэтому в спектре поглощения отдельные полосы поглощения могут сливаться друг с другом.

Основными характеристиками полосы поглощения являются её положение и интенсивность (рис. 20.11).

Рис. 20.11. Основные характеристики полосы поглощения

Положение максимума полосы поглощения (l_макс) соответствует длине волны такого электромагнитного излучения, энергия которого равна энергии необходимой для электронного перехода. Для характеристики ширины полосы поглощения используются величиной полуширины полосы поглощения. Интенсивность поглощения, которую можно охарактеризовать с помощью молярного коэффициента поглощения, зависит от вероятности данного электронного перехода. Поглощение с e_макс > 10⁴ считается интенсивным (максимально возможное значение e составляет примерно 2×10⁵), поглощение с e_макс < 10³ считается малоинтенсивным.

Объектами исследования в спектрофотометрии чаще всего являются органические вещества. Зависимость между строением органических соединений и их способностью поглощать электромагнитное излучение УФ- и видимого диапазона обычно изучается в курсе органической химии. Напомним лишь, что в органических соединениях могут происходить 4 типа электронных переходов: s ® s*, n ® s*, p ® p* и n ® p*. Энергия переходов первых двух типов соответствует энергии УФ-излучения вакуумного диапазона (например, s ® s* в молекуле этана - 135 нм, n ® s* в молекуле метанола - 183 нм). Энергия p ® p* переходов изолированных p-связей соответствует ЭМИ с l < 200 нм, например в молекуле этилена - 165 нм. При сопряжении нескольких p-связей полосы поглощения смещаются в более длинноволновую область спектра.

Группы, обуславливающие появление полос поглощения в молекулярных спектрах, называются хромофорами. Атомы или группы атомов, которые сами по себе не обуславливают появление полос поглощения, но влияют на характер поглощения хромофоров, называются ауксохромами.

Ауксохромы имеют неподелённые электронные пары, находя­щиеся в сопряжении с p-электронной системой хромофора, и могут сдвигать полосу поглощения хромофора в более длинноволновую об­ласть (батохромный сдвиг) или в более коротковолновую область (гипсохромный сдвиг), увеличивать её интенсивность (гиперхром­ный эффект) или уменьшать её (гипохромный эффект).

Измерение аналитического сигнала

Объектами исследования в фотометрии обычно являются растворы. Принцип измерения аналитического сигнала заключается в сравнении интенсивности двух световых потоков, один из которых проходит через исследуемый раствор, а второй - через раствор сравнения.

Принципиальная схема однолучевого прибора для измерения светопоглощения в УФ- и видимой областях спектра

Для получения видимого и длинноволнового УФ-излучения применяют также галогеновые лампы.

Источники излучения, используемые в фотометрии, дают непрерывные спектры. В зависимости от того, каким образом происходит выделение из непрерывного спектра испускания источника нужного спектрального интервала, абсорбционные спектрометры можно разделить на 2 класса: фотоэлектроколориметры и спектрофотометры.

В фотоэлектроколориметрах для выделения нужного интервала длин волн применяют набор светофильтров. Величина полуширины пропускания используемых светофильтров составляет в среднем 25-45 нм. Нижняя граница рабочих длин волн составляет для большинства моделей фотоэлектроколориметров примерно 315 нм. Фотоэлектроколориметры используют обычно для проведения серийных измерений концентрации веществ, поглощающих в видимой или длинноволновой УФ-области электромагнитного спектра.

В спектрофотометрах для выделения из спектра испускания источника излучения с нужной длиной волны применяют монохроматоры: дифракционные решётки или призмы. Монохроматор позволяет получить электромагнитное излучение с гораздо более высокой степенью монохроматичности, чем светофильтр. Спектрофотометры имеют более сложное устройство, чем фотоэлектроколориметры и используются для получения спектров поглощения веществ, определения концентрации веществ, поглощающих при длинах волн менее 300 нм, имеющих узкие полосы поглощения и т.д.

Растворы веществ, поглощение которых измеряется, помещают в специальные сосуды прямоугольной или, реже, цилиндрической формы, называемые кюветами. Кювета, содержащая раствор исследуемого вещества, называется рабочей, а кювета, содержащая раствор сравнения - кюветой сравнения. Кюветы, применяемые для работы в видимой области спектра, могут быть сделаны из стекла. Для работы в области длин волн меньше 325 нм необходимы кварцевые кюветы. В качестве материала для изготовления кювет используются также органические полимеры. Как правило, каждый прибор для фотометрических измерений снабжён набором кювет (толщиной от 0,1 до 5 см). Чаще всего в работе, особенно для спектрофотометров, используются кюветы с толщиной 1 см. Кроме обычных кювет существуют кюветы специальной конструкции, например, термостатированные, проточные.

В однолучевых приборах в поток излучения вначале помещают кювету сравнения и настраивают по ней прибор на ноль оптической плотности. Затем в поток излучения помещают рабочую кювету. При изменении l настройку прибора следует повторить. В двухлучевых спектрометрах поток, выходящий из монохроматора, с помощью зеркала специальной конструкции расщепляется на два одинаковых потока: один направляется на кювету сравнения, а второй - на рабочую кювету. Потоки, выходящие из кювет, затем направляются на один и тот же детектор. Двухлучевые приборы удобны при автоматической регистрации спектров поглощения, так как их не нужно перенастраивать при изменении длины волны.

73

Практическое применение и основные приёмы фотометрического анализа

Спектрофотометрия является одним из самых широко применяемых и наиболее разработанных инструментальных методов анализа. К её достоинствам относятся достаточно высокая чувствительность (НГОС для хорошо поглощающих веществ составляет примерно 10^-6 - 10^-7 моль/л), универсальность, простое аппаратурное оформление, возможность автоматизации анализа и т.д.

В спектрофотометрии используют следующие приёмы анализа:

· прямая фотометрия, основанная на измерении собственного поглощения вещества;

· определение, основанное на проведении фотометрических реакций, в том числе экстракционная фотометрия;

· дифференциальная фотометрия;

· многоволновая спектрофотометрия;

· производная спектрофотометрия;

· фотометрическое титрование.

Прямая фотометрия

Используется для определения веществ, обладающих достаточно интенсивным собственным поглощением. В прямой фотометрии измеряют оптическую плотность раствора вещества при длине волны, соответствующей максимальному поглощению, и далее одним из способов определяют концентрацию вещества в этом растворе. Прямая фотометрия обычно используется для анализа матриц относительно простого состава, в которых отсутствуют вещества, обладающие таким же характером поглощения, что и определяемое вещество, либо мешающие компоненты можно легко отделить в процессе пробоподготовки.

Фотометрические реакции

Значительно чаще в фотометрии, особенно в случае определения неорганических веществ, обладающих незначительным собственным поглощением, измерению оптической плотности предшествует проведение химической реакции, в которой образуется новое вещество, обладающее более интенсивным поглощением. Например

Fe³⁺ + nSCN^- ® [Fe(SCN)_n]^3-n

В основе получения окрашенных продуктов могут лежать реакции комплексообразования (в том числе и с органическими реагентами), окислительно-восстановительные реакции, различные реакции с участием функциональных групп органических соединений и т.д.

К фотометрическим реакциям предъявляются требования:

· чувствительность - реакция считается высокочувствительной, если величина кажущегося молярного коэффициента поглощения превышает 6×10⁴

· контрастность - разность между длинами волн, соответствующим максимумам поглощения реагента и продукта реакции должна быть как можно больше; реакция считается высококонтрастной, если Dl > 80 нм.

· надёжность - независимость протекания реакции от незначительных изменений условий её проведения, а также от присутствия в растворе других веществ

· избирательность - в реакцию должно вступать только определяемое вещество или, по крайней мере, незначительная группа веществ.

Иногда проведение фотометрической реакции совмещается с экстракцией образующегося продукта несмешивающимся с водой растворителем. Такой гибридный метод анализа называется экстракционной фотометрией. Экстракционную фотометрию используют в тех случаях, когда продукт фотометрической реакции оказывается мало растворимым в воде или определению мешают другие вещества (либо избыток реагента), присутствующие в растворе.

 

Фотометрическое титрование

Фотометрическим титрованием называется группа титриметрических методов анализа, в которых конечную точку титрования обнаруживают по изменению оптической плотности раствора. В основе фотометрического титрования могут лежать любые реакции, применяемые в титриметрии. Определение может проводиться как без индикатора (если хотя бы один из компонентов используемой реакции способен поглощать электромагнитное излучение выбранного диапазона), так и в присутствии индикаторов. На рис. 20.15 показаны различные варианты кривых фотометрического титрования.

Рис. 20.15. Различные варианты кривых фотометрического титрования

1 - поглощает определяемое вещество, 2 - поглощает титрант,

3 – поглощает продукт реакции, 4 – поглощают и определяемое вещество и титрант

Фотометрическое титрование, в отличие от титрования с визуальным обнаружением конечной точки, может быть использовано для анализа разбавленных, окрашенных, мутных растворов, а также в том случае, когда изменение окраски раствора в конечной точке титрования плохо воспринимается глазом.

74 продолжение