Теоретические основы молекулярной абсорбционной спектроскопии

Методы молекулярной спектроскопии (спектрофотометрии)  основаны на избирательном поглощении молекулами определяемого вещества электромагнитного излучения  в оптической области спектра.   Разделение  области на спектральные диапазоны: ультрафиолетовый (УФ),   видимый, инфракрасный (ИК) обусловлено характером физических процессов, которые протекают при взаимодействии  молекул вещества с изучением.

 

Таблица 1.1 – Взаимосвязь методов молекулярной спектроскопии и 

                             областей электромагнитного излучения

 

Методы спектроскопии	Спектральная область	Изменяют свою энергию
УФ–спектроскопия	180 – 400 нм	внешние валентные электроны
Спектроскопия в видимой области	400 – 780 нм	внешние валентные электроны
ИК–спектроскопия	4000 – 400 см^–1	молекулы  (колебательная, вращательная энергия)

 

Внутреннюю энергию Е  молекулы можно представить в виде суммы энергий трех видов движения – движения электронов E _эл,  колебания атомов   E _кол  и вращения молекулы   E _вр:

Е = Е эл + Е кол + Е вр.

 

Величины энергии различных видов значительно отличаются:  

 

Е _эл > Е _кол >>   Е _вр.

 

Молекула, поглощая квант электромагнитного излучения, переходит из основного  в возбужденное состояние, т.е. из состояния с минимальной энергией Е ₀  в состояние с большей энергией Е _i. Молекулы различных веществ характеризуются своим набором энергетических переходов. На рисунке 1.1 приведена  схема энергетических уровней двухатомной молекулы. Энергетические уровни изображены горизонтальными линиями. 

Каждому электронному уровню Е ₀, Е ₁, Е ₂ и т.д. соответствует несколько колебательных уровней U, каждому колебательному – несколько вращательных уровней J. Расстояние между любыми двумя линиями пропорционально энергии возбуждения. Стрелками показаны возможные направления энергетических переходов при поглощении молекулой квантов электромагнитного излучения. Каждому переходу соответствует спектральная линия определенной длины волны (частоты).

 

 

Рисунок 1.1 – Схема энергетических уровней двухатомной молекулы:

Е – электронные уровни, U – колебательные уровни, J – вращательные уровни

 

Поглощение энергии происходит только в том случае, если энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ∆ Е между энергетическими уровнями в возбужденном и основном состояниях поглощающей молекулы. Количественное изменение энергии молекулы определяется выражением:

 

∆ Е = Е _i – Е ₀ = hv _i = hc /λ_i,

 

где   Е ₀ и Е _i – энергии основного и возбужденного состояний молекулы, соответственно; h – постоянная Планка; v _i – частота излучения, с^–1; c – скорость света, λ _i  – длина волны.

Каждое вещество поглощает характерные только для него длины волн электромагнитного излучения. Установление этих длин волн по спектрам поглощения лежит в основе качественного анализа.

Спектр поглощения представляет собой зависимость интенсивности поглощения от характеристики электромагнитного излучения (длина волны, частота излучения или волновое число).Изображенияспектров поглощения для различных областей электромагнитного излучения приведены в соответствующих разделах пособия.

При прохождении излучения через слой вещества интенсивность его ослабевает:    I < I _o  (рисунок 1.2).

Рисунок  1.2 – Прохождение монохроматического светового потока

через  слой вещества

 

    Для характеристики интенсивности поглощения используют следующие величины:  

–   оптическую плотность   А =   lg (I _o / I);

– пропускание T =   I / I _o или T =    (I / I _o)^.100, %.

Оптическая плотность связана с пропусканием соотношением

 

A = – lg T.

 

Все методы количественных определений в молекулярной  абсорбционной спектроскопии основаны на использовании объединенного закона Бугера - Ламберта - Бера для монохроматического излучения:

 

I = I _o^.10 ^{– εlC}    или        A = ε _λ^. l ^. C,

 

где I _o     – интенсивность падающего излучения, I – интенсивность прошедшего через образец  излучения,   l – толщина поглощающего слоя, С – концентрация определяемого соединения, ε_λ – коэффициент поглощения. Если концентрация С выражена в моль/л, толщина поглощающего слоя – в см, то ε называют молярный коэффициент поглощения.

Согласно основному закону светопоглощения оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя. Коэффициент пропорциональности ε                         характеризует способность какого-либо вещества поглощать электромагнитное излучение определенной длины волны. Величина ε определяется экспериментально и приводится в справочной литературе при длине волны, соответствующей максимуму поглощения.  Физический смысл молярного коэффициента становится понятен, если принять l = 1 см и С = 1 моль/л, тогда А = ε. Следовательно, ε равен оптической плотности  1 М раствора при толщине слоя 1 см. Молярный коэффициент поглощения зависит  от длины волны поглощаемого излучения и свойств определяемого вещества. Концентрация вещества, толщина поглощающего слоя, интенсивность падающего  излучения не влияют на величину ε.

Графически зависимость оптической плотности от концентрации веществ, при условии выполнения закона Бугера-Ламберта-Бера, представляет собой прямую, выходящую из начала координат (рисунок 1.3). Эта зависимость выполняется при соблюдении определенных условий:

– монохроматичность поглощаемого излучения, т.е. определенная постоянная длина волны при измерении А;

– гомогенный раствор поглощаемого вещества;

– разбавленные растворы, С < 0,01 М;

– отсутствие побочных реакций, ведущих к изменению концентрации поглощающих частиц;

– прозрачность раствора.

Для проведения количественного анализа в основном используют УФ- и видимую области спектра, для качественного анализа – УФ и ИК–области спектра.

 

Рисунок 1.3 – Зависимость оптической плотности от концентрации

                   при  l = const и λ = const.

Приборы в методах молекулярной спектрометрии. Принцип действия спектрофотометра основан на сравнении светового потока I, прошедшего через образец исследуемого вещества, со световым потоком I ₀, прошедшим через образец сравнения, по отношению к которому производится измерение.

 Для всех методов спектроскопии (УФ, видимой, ИК–спектроскопии)  приборы состоят из одного и того  же набора узлов. Блок–схема спектрофотометра включает источник излучения, отделение для пробы и образца сравнения, монохроматор для разложения светового потока, приемник излучения и систему регистрации (рисунок 1.4). Основные блоки спектрофотометра имеют одинаковое целевое назначение для всех методов.

Полихроматическое излучение от источника (I) проходит через монохроматор (2), который разлагает световой поток по длинам волн в спектр или выделяет монохроматическое излучение определенной длины волны, и попадает в отделение для проб (6). Если прибор двухлучевой, то поток излучения разделяется с помощью зеркал на две части. Одна часть потока проходит через анализируемый образец, вторая – через образец сравнения. В однолучевых приборах в световой поток поочередно устанавливают кювету с раствором сравнения и кювету с анализируемым раствором. Молекулы анализируемого вещества по сравнению с образцом сравнения частично поглощают свет. На выходе из отделения для проб поток излучения попадает на приемник излучения (7),  который преобразует световой поток в электрический сигнал. Регистрирующее устройство (8)записывает величину оптической плотности или пропускания как функцию длины волны (спектр поглощения) или фиксирует на дисплее значение А или Т,% при определенной длине волны.

 

 

 

Рисунок  1.4 – Блок-схема спектрофотометра: 1 – источник излучения,

2 – монохроматор, 3 – входная и выходная щели, 4 – фокусирующая оптика,

5 – диспергирующая оптика (призма, дифракционная решетка), 6 – кюветное отделение, 7 – приемник излучения, 8 – регистрирующее устройство