Молекулярно-абсорбційні методи аналізу.

 

2.4.1. Механізм і характеристики поглинання електромагнітних коливань молекулами.

Аналітичний сигнал.

Молекулярно-абсорбційні методи аналізу грунтуються на поглинанні електромагнітних коливань оптичного діапазону молекулами досліджуваної речовини.

Поглинання електромагнітних коливань здійснюється тільки тоді, коли енергія фотона дорівнює різниці енергій двох енергетичних рівнів молекули.

Розглянемо структуру енергетичних рівнів молекули, яка складається з атомів, пов'язаних між собою хімічними зв'язками.

Енергія молекул складається з:

1. Енергій оптичних (валентних) електронів, які можуть знаходитися або на нижчих (незбуджених) енергетичних рівнях, або на одному із збуджених рівнів:

(2.11)

2. Енергії коливання атомів. Розрізняють декілька видів коливань:

а) Валентні - зумовлені періодичною зміною відстані між атомами по лінії, яка їх з'єднує. Якщо розглядати двоатомну молекулу як гармонічний осцилятор, можна розрахувати частоту таких коливань:

, (2.12)

де n - частота коливань,

F - силова константа,

m - приведена маса.

Енергія валентних коливань Е_к = hn( v + 1/2), де v - коливальне квантове число. Енергія коливальних рівнів ніколи не дорівнює 0.

Для триатомних молекул можливі 2 види валентних коливань без зміни валентного кута

Рис. 2.11. Схема валентних коливань:

а – двоатомних молекул; б, в – триатомних молекул.

б) Для багатоатомних молекул можливі коливання із зміною валентних кутів - деформаційні. Деформаційні коливання бувають 4-х видів.

 

 

ножичкові маятникові крутильні віяльні

 

Рис.2.12. Схема деформаційних коливань

 

в) Як правило, зміна валентного кута супроводжується зміною міжатомних відстаней. Такі коливання називаються валентно-деформаційними.

3. Енергія обертання молекули як цілого навколо центра мас.

(2.13)

де I_м - момент інерції молекули, який залежить від маси атомів і міжатомних відстаней,

j - обертальне квантове число.

Енергія молекули становить суму всіх видів енергій.

(2.14)

Найбільшу величину енергії мають електронні збуджені рівні. Коливальні рівні мають меншу енергію, обертальні - ще меншу:

E_e > E_k > E_об

1000: 100: 1

Оскільки величина енергетичних рівнів молекул залежить від її будови, аналітичним сигналом в молекулярно-абсорбційному аналізі є сукупність енергій фотонів, які різні молекули здатні поглинати, тобто спектр поглинання електромагнітних коливань.

Кількісно поглинання світла вимірюється відношенням інтенсивності світла, яке пройшло через шар речовини (І_t), до інтенсивності падаючого світла (І _o) вираженим у відсотках:

. (2.15)

Ця величина називається прозорістю або пропусканням.

Поглинання у видимому і ультрафіолетовому діапазонах зумовлене електронними переходами, а в інфрачервоному і мікрохвильовому діапазонах - коливальними і обертальними переходами в основному (незбудженому) електронному стані.

В абсорбційній спектроскопії для характеристики поглинання використовувують хвильове число N = n' = 1/l = n/c [см^-1 ]. Оптичний діапазон поділяється на вужчі піддіапазони:

Діапазон	Довжина хвилі, нм	Хвильове число, см^-1
Дальній ІЧ Середній ІЧ Ближній ІЧ Видимий Ближній УФ Дальній УФ	10^6 5ּ10^4 2,5 ּ 10^3	– – – – – –	5 ּ 10^4 2,5 ּ 10^3	28 ּ 10^3 5 ּ 10^4	– – – – – –	50 ּ 10^3 10^6

Найбільш інформативними з точки зору хімічного аналізу є середній ІЧ, видимий і ближній УФ діапазони.

На відміну від лінійчастих спектрів поглинання атомів, спектр поглинання молекул має смугастий характер, тобто складається з сукупності більш-менш розмитих смуг розділених ділянками практичної відсутності поглинання.

Причиною розмиванни спектрів поглинання молекул є те, що електронні і коливальні рівні розщеплюються на коливальні та обертальні підрівні і поглинання супроводжується появою в спектрі великої кількості ліній з близькими довжинами хвиль, які, внаслідок обмеженості розділювальної здатності спектральних приладів, зливаються в смуги поглинання. Внаслідок різного співвідношення енергій електронних, коливальних і обертальних ліній смуги поглинання в УФ діапазоні більш розмиті, а в ІЧ діапазоні складаються з порівняно гострих піків.

Таким чином, аналітичним сигналом є двомірна залежність поглинання від частоти або хвильового числа. Параметрами аналітичного сигналу є частота або хвильове число в мінімумі пропускання (N¹, N²,...) і інтенсивність поглинання електромагнітних коливань певного хвильового числа.

Сукупність частот, при яких відбувається інтенсивне поглинання світла, залежить від будови і не залежить від кількості молекул і використовується для якісного аналізу.

Залежність інтенсивності поглинання світла певної частоти від кількості або концентрації молекул досліджуваної речовини використовується для кількісного аналізу.

 

2.4.2. Якісний аналіз.

Якісний аналіз за спектрами поглинання грунтується на таких їх властивостях:

1. Немає двох речовин, які б мали абсолютно однаковий спектр поглинання. Тому якісний аналіз (ідентифікацію) речовин проводять шляхом порівняння спектра досліджуваної речовини із спектрами відомих індивідуальних речовин, одержаних в однакових умовах.

2. Число смуг поглинання залежить від числа активних коливань в молекулі. Активними є коливання, які призводять до зміни дипольного момента молекули. Чим більше атомів в молекулі, тим більша кількість активних коливань.

3. Експериментально досліджено, що деякі функціональні групи в складі молекул мають характерні смуги поглинання великої інтенсивності, які мало залежать від загальної будови молекул. Такі смуги поглинання називають характеристичними або груповими.

Наприклад, якщо органічні молекули містять у своєму складі функціональні групи:

в спектрах поглинання будуть зафіксовані смуги поглинання при таких значеннях хвильових чисел: 3600-3800; 3000 та 1720-1780 см^-1, відповідно. Аналогічно для неорганічних сполук - наявність груп =Si=O i –O–Si–O–Si–O– призводить до фіксації смуг поглинання з хвильовими числами 785-800 та 480-515 см^-1.

З допомогою характеристичних коливань можна проводити молекулярний, функціональний, а в деяких випадках, і фазовий аналіз.

Зміщення частоти характеристичних коливань дає інформацію про структуру молекули, про внутрішньомолекулярні або міжмолекулярні взаємодії. Таким чином, вивчення спектрів поглинання дає інформацію як про якісний склад, так і про структуру молекул.

Слід відмітити, що через велику кількість органічних і неорганічних речовин і порівняно малий набір функціональних груп, зробити однозначний висновок про якісний склад об'єкту аналізу тільки за даними спектра поглинання важко. Тому молекулярно-абсорбційний метод часто комбінують з іншими фізико-хімічними методами або з попереднім розділенням об'єкта аналізу на чисті компоненти або простіші суміші.

 

2.4.3. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

Розглянемо кількісні закономірності поглинання монохроматичного випромінювання шаром речовини (рис.2.13)

Рис. 2.13. Проходження променя світла через шар рідини.

 

При проходженні світла інтенсивністю I _o через шар речовини, вміщеної в кювету з прозорого матеріалу, частина випромінювання (I_r) відбивається або розсіюється на поверхні розділу фаз, частина поглинається, витрачаючись на збудження молекул аналізованої речовини (I_a), решта (I_t) виходить з кювети:

Вибирають такі матеріали і геометрію кювети, щоб I_r < I_a. Для цього матеріал кювети має бути прозорим до падаючого світла, стінки кювети, через які світло заходить і виходить з кювети, повинні бути тонкими і плоскопаралельними. Тоді:

Бугер і Ламберт встановили, що однорідні шари однакової товщини (l) поглинають одну й ту ж частку падаючого світлового потоку. Математичним виразом такої залежності є експонента:

, (2.16)

де l - товщина шару поглинаючої речовини,

k - коефіцієнт поглинання, який для індивідуальних речовин залежить від природи речовини, її концентрації, довжині хвилі падаючого світла і температури.

Бер встановив, що коефіцієнт поглинання пропорційний концентрації речовини.

(2.17)

Об'єднаний закон Бугера-Ламберта-Бера (Б-Л-Б) має вигляд:

(2.18)

Величину A = lgI_o/I_t називають оптичною густиною або абсорбційністю. З використанням абсорбційності закон Б-Л-Б має вигляд:

(2.19)

Коефіцієнт e - називають молярним коефіцієнтом поглинання або екстинкцією. Чисельно він дорівнює абсорбційності зразка товщиною 1см при концентрації 1 моль/л. Екстинкція не залежить від товщини шару і концентрації поглинаючої речовини, а залежить від будови речовини, хвильового числа світла, що проходить через нього, температури і є фізико-хімічною константою речовини. Чисельні значення екстинкції, які використовуються в аналізі, в основному лежать в межах 10 –10⁵.

 

2.4.4. Відхилення від закон Бугера-Ламберта-Бера.

Практика показує, що закон Бера не завжди виконується, тобто спостерігається не лінійна залежність коефіцієнта поглинання від концентрації. Причини відхилення від закону Бера можуть бути наступні:

2. Немонохроматичність випромінювання.

2. Вплив сторонніх речовин (зміщення максимумів поглинання під дією молекул домішок або розчинника).

3. Перебіг у розчині реакцій дисоціації забарвлених речовин:

4. Гідроліз забарвлених речовиин, ступінь якого залежить від концентрації

[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2H₂O [Cu(NH₃)₃H₂O]²⁺ + NH₄OH

5. Недостатня стабільність забарвлених комплексів

FeSCN²⁺ Fe³⁺ + SCN^–

червон. Б/барвн.

Якщо немає надлишку іонів SCN^–, рівновага може бути зсунена праворуч.

6. Вплив рН середовища. Під впливом йонів H⁺ можливий зсув рівноваги в бік утворення іншої сполуки:

2CrO₄^2– + 2H⁺ Cr₂O₇^2– + H₂O

Для того, щоб провести аналіз, необхідно одержати спектр поглинання об'єкту аналізу, тобто залежність Т або А від N або v´.

 

2.4.5. Схема приладів для вимірювання спектра поглинання.

Кожний абсорбційний спектральний прилад містить наступні необхідні частини:

 

Рис. 2.14. Принципова схема молекулярно-абсорбційного приладу.

 

1. Джерело випромінювання безперервного, суцільного спектра.

Для ультрафіолетової області – газорозрядні лампи Н₂, D₂, Hg високого тиску.

Для видимої – лампи розжарювання (W, T = 3000К).

Для інфрачервоної – штифт Глобара (SiC) Т=1200-1500К.

штифт Нернста (оксиди рідкісноземельних металів) Т=1500-1700К.

2. Монохроматор, призначений для виділення з суцільного випромінювання джерела світла вузького діапазону випромінювань:

Для ультрафіолетової області – кварцеві призми, світлофільтри.

Для видимої – скляні призми, світлофільтри.

Для інфрачервоної – призми з LiF, NaСl, KBr, CaF₂.

У всіх областях використовуються дифракційні решітки.

3. Пристрій для розміщення досліджуваного зразка.

Тверді прозорі зразки (з невеликим значенням e) використовуються безпосередньо у вигляді плоскопаралельних пластинок, розташованих перпендикулярно променю падаючого світла.

Якщо зразки малопрозорі (для великих значень e) їх подрібнюють і змішують з матеріалом, прозорим в даній області спектра. Наприклад, в інфрачервоній області 1-2 мг зразка змішують з 100 мг KBr, пресують в прозору таблетку або змішують з рідиною (наприклад, вазеліновою оливою, гексахлорбутадієном) і цю суспензію розміщують між двома паралельними пластинками з прозорого матеріалу.

Рідкі зразки, розчини і гази вміщують в кювети, які мають віконця з матеріалу прозорого в обраному спектральному діапазоні (кварц, алмаз, скло, LiF, NaCl, KBr).

При двопроменевій схемі один з променів пропускають через кювету, заповнену чистим розчинником або речовиною, яка складає основну частину зразка, а другий – через досліджувану речовину.

2. Детектор – пристрій, який перетворює інтенсивність падаючого випромінювання в сигнал зручний для реєстрування. Для ультрафіолетового і візуального діапазону використовуються переважно фотоелементи і фотоопори. В інфрачервоному діапазоні використовуються термоелементи або болометри. Ці фотоперетворювачі дають електричний сигнал, який поступає на реєстратор.

2. Реєстратори – пристрої, які фіксують сигнал детектора на стрілочних або цифрових [PS3] вимірювальних приладах, або самописці, який реєструє графічну залежність А або Т від n чи n'. У видимій області можлива візуальна індикація, коли людське око грає роль і детектора, і реєстратора.

Записаний спектр поглинання дозволяє визначити хвильові числа, які відповідають максимумам поглинання.

 

2.4.6. Кількісний фотоколориметричний аналіз.

Для кількісного аналізу треба визначити оптичну густину в певному вузькому спектральному діапазоні. Тому для проведення тільки кількісного аналізу немає необхідності використовувати спектральний прилад за повною схемою. Достатньо виміряти абсорбційність в певних фіксованих спектральних діапазонах, які можна виділити з допомогою простих дисперсійних елементів – світлофільтрів. Найчастіше кількісний аналіз проводять у видимій та ультрафіолетовій областях. Якщо використовується візуальна детекція – прилади називаються фотоколориметрами, якщо фотоелектрична – фотоелектроколориметрами.

Фотоколоримитричні методи аналізу мають високу чутливість (10^-4 – 10^-9 %) для сильно­забарвлених речовин. Аналіз речовин, які не поглинають у видимій області (безбарвних), проводять шляхом перетворення їх за допомогою тих чи інших хімічних реакцій в забарвлені сполуки.

Вимоги до реакцій утворення забарвлених сполук:

2. Реакція повинна проходити швидко.

2. Реакція повинна проходити повно.

2. Бажано, щоб вона проходила при кімнатній температурі.

Для того, щоб одержати точні і відтворювані результати аналізу, забарвлені речовини повинні задовольняти наступним вимогам:

2. Забарвлення повинно бути стабільним у часі.

2. Утворювана сполука повинна мати постійний склад.

2. Незалежність забарвлення від pH розчину. Якщо така залежність існує, підтримують необхідне значення pH за допомогою буферних розчинів.

При використанні фотоколориметрів з візуальною детекцією порівняння забарвлення досліджуваного і стандартного розчинів може здійснюватися такими способами:

2. Метод стандартних серій. Готують серію стандартних розчинів з певним кроком за концентрацією речовини, яку визначають. Наливають їх в кювети з однаковою довжиною поглинаючого шару. Досліджуваний розчин наливають в таку ж кювету і вибирають дві кювети з стандартними розчинами, інтенсивність кольору в яких більше і менше інтенсивності кольору досліджуваного розчину. Концентрація речовини в досліджуваному розчині знаходиться в межах концентрацій цих стандартних розчинів.

Метод практично не вимагає обладнання, але досить трудомісткий, точність його не перевищує 10 %. Не вимагається виконання закону Б-Л-Б.

2. Метод розбавлення. В дві кювети з однаковою довжиною поглинаючого шару наливають досліджуваний і стандартний розчини так, щоб інтенсивність забарвлення стандартного розчину була меншою ніж досліджуваного. Проводять розбавлення досліджуваного розчину об'ємом V ₀ до вирівнювання забарвлення і вимірюють кінцевий об'єм досліджуваного розчину – V_x. Концентрацію речовини розраховують за формулою:

(2.20)

Метод точніший, ніж попередній і не вимагається виконання закону Б-Л-Б.

3. Метод зміни довжини поглинаючого шару. В дві кювети наливають досліджуваний і стандартний розчини так, щоб інтенсивність забарвлення стандартного розчину була меншою, ніж досліджуваного. Занурюючи скляний стержень в кювету з досліджуваним розчином, зменшуюь довжину поглинаючого шару l_x до вирівнювання його забарвлення із забарвленням стандартного розчину з довжиною шару l_ст. Концентрацію розраховують за формулою:

(2.21)

Метод вимагає виконання закону Б-Л-Б.

Фотоелектроколориметричні методи аналізу використовують для вимірювання абсорбційності вирівнюванням фотострумів, які виникають від освітлення фотоперетворювачів світлом, яке пройшло через кювети з досліджуваним розчином і розчином порівняння.

Розробка фотоколориметричної методики включає наступні етапи:

1. Вибір довжини хвилі світла. Бажано, щоб довжина хвилі відповідала максимальному значенню екстинції даної забарвленої речовини.

2. Вибір світлофільтра.

а) Максимум пропускання світлофільтра повинен відповідати максимуму поглинання речовини.

б) Якомога менша ширина пропускання світлофільтра, щоб випромінювання було близьке до монохроматичного.

3. Вибір розміру кювети. Довжина кювети повинна бути така, щоб абсорбційність лежала в межах 0,4 - 1, бо в цьому випадку досягається найменша похибка визначення концентрації.

4. Вибір розчину порівняння. Для більшої точності абсорбційність розчину порівняння повинна бути близькою до абсорбційності досліджуваного розчину.

5. Спосіб приготування стандартних розчинів має бути ідентичним до способу приготування досліджуваних розчинів.

Розрахунок концентрацій при вимірюванні абсорбційності на одній довжині хвилі або при використанні одного світлофільтру може проводитися наступними методами:

1. При однаковій довжині кювети за методом калібрувального коефіцієнта C_x = kA_x, де k = С_ст/A_ст. Метод вимагає виконання закона Бера.

2. За відомим значенням екстинкції з закона Б-Л-Б: C_x = A_x/e l_x. Величиру e знаходять у довідниках. Якщо в довідниках немає відповідних даних, e визначають експериментально за допомогою стандартного розчину: e = A_ст/C_ст l_ст.

3. Методом прямого калібрування при постійній довжині кювети. Метод не вимагає справедливості закона Бера.

4. Якщо умови приготування стандартних і досліджуваних розчинів важко відтворити, користуються методом добавок, який грунтується на справедливості закона Б-Л-Б.

5. При наявності в розчині декількох речовин з різними спектрами поглинання, але які частково перекриваються, можливе визначення концентрацій окремих речовин, якщо виміряти абсорбційності на різних довжинах хвиль або світлофільтрах. Внаслідок адитивності абсорбційності на одній довжині хвилі, для цього випадку можна написати:

A(l₁) = e₁(l₁)C₁l + e₂(l₁)C₂l

A(l₂) = e₁(l₂)C₁l + e₂(l₂)C₂l

Якщо відомі абсорбційності двох речовин на двох довжинах хвиль, ці рівняння складають систему двох рівнянь з двома невідомими, яке можна розв'язати відносно С₁ і С₂. Якщо абсорбційності не відомі, їх можна визначити, вимірявши абсорбційності двох стандартних розчинів цих речовин на двох довжинах хвиль в однакових умовах.

Кількість вимірювань на різних довжинах хвиль повинна бути більшою або рівною кількості визначуваних речовин.

6. Якщо концентрація визначуваної речовини велика - це призводить до збільшення абсорбційності, при якій точність вимірювання зменшується. Для збереження точності аналізу при великій абсорбційності застосовують метод диференційної фотометрії, в якому розчином порівняння є не чистий розчинник, а розчин визначуваної речовини з концентрацією близькою до концентрації досліджуваного розчину. В цьому випадку відносна абсорбційність пропор­ційна різниці концентрацій розчинів вміщених в робочу і порівняльну кювети. Вимірювання відносної абсорбційності забезпечує оптимальну точність вимірювання великих концентрацій.

 

2.4.7. Фотоелектроколориметричне титрування.

Якщо при титруванні хоч одна з речовин (визначувана, титрант або продукт реакції) забарвлені, тобто поглинають різні частини спектрального діапазону, вимірювання абсорбційності може бути використане для фіксування точки еквівалентності. Для цього розчин визначуваної речовини переносять у кювету фотоелектроколориметра, вибирають світлофільтр, максимум пропускання якого відповідає максимуму поглинання обраної речовини, і титрують розчином титранта, фіксуючи залежніть абсорбційності розчину від об'єму титранта. В залежності від того, яка речовина поглинає, графік титрування буде мати різний характер (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Вигляд кривих фотоелектроколориметричного титрування за реакцією Х + Т = В.

а) поглинає Х, б) поглинає Т, в) поглинає В

 

В кожному випадку на графіку спостерігається злам при об'ємі титранта, який відповідає точці еквівалентності. При використанні кольорових індикаторів на кривій титрування спостерігається стрибок.