Основной закон поглощения

J₀ J_t

Источник непрерывного излучения

Монохроматор

Проба

Приемник

излучения

Регистратор

При молекулярной спектрофотометрии источником излучения является

• галогенная лампа для видимого и ближнего красного диапазона

• и дейтериевая для ультрафиолетового диапазона.

Спектрофотометр позволяет работать в диапазоне длин волн от 190 до 1100 нм.

Обычно свет, излучаемый источником, состоит из лучей с различной длиной волны. Однако существуют источники (лазеры, ртутная лампа), которые испускают излучение одной или нескольких определенных длин волн.

Свет определенной длины волны можно выделить с помощью монохроматора, который входит в состав спектрофотометра. В этом случае он будет называться монохроматическим.

Когда свет падает на вещество, поглощается только излучение определенной длины волны, связанное с молекулярной структурой данного вещества. Это происходит в результате поглощения и перехода электронов из основного состояния в возбужденное. Величина поглощения зависит от длины волны, и поэтому спектр поглощения является уникальным для каждого вещества.

Частота (длина волны) и характер сигнала определяются специфическими свойствами объекта анализа, его качественным составом.

Интенсивность сигнала пропорциональна количеству частиц, ответственных за появление сигнала, т.е. количеству определяемого ве­щества или компонента смеси.

Возможность количественного определения анализируемого вещества основывается на законе Бугера-Ламберта-Бера, описывающем линейную зависимость между поглощением электромагнитного излучения и концентрацией вещества, вызвавшего это поглощение при определенной длине волны

2.2.1 Фотоколориметрический анализ

Фотоколориметрия – определение количества вещества путём перевода определяемого компонента при помощи реактива в растворимое окрашенное соединение и измерение светопоглощения полученного раствора фотоэлектрическим колориметром в узких интервалах видимой части спектра.

Зависимость между светопропусканием раствора и его концентрацией выражается законом Бугера – Ламберта – Бера

I_t = I_o· 10^-εlc

где I_t – интенсивность света после прохождения слоя; I_o - интенсивность света до прохождения слоя; c – концентрация вещества, поглощающего свет, моль/л; l- толщина слоя раствора, поглощающего свет, см; ε – молярный коэффициент поглощения.

Учитывая, что

D = lg I_о/I_t

получим D = εlc, где D – величина оптической плотности.

При соблюдении этого закона между концентрацией окрашенного раствора и его оптической плотностью имеется прямолинейная зависимость, которая и используется при количественных определениях.

Оптимальное значение оптической плотности, обеспечивающее наибольшую точность измерений, равно 0,43, максимальное и минимальное значения l равны соответственно 2,00 и 0,01.

В связи с тем, что светопоглощения зависит от длины волны поглощаемого света, измерения оптической плотности растворов производят в той области спектра, в которой наблюдается максимальное поглощение света определяемым веществом. Это обеспечивает наибольшую точность и чувствительность определения. Для выделения из смешанного (белого) света лучей, которые максимально поглощаются анализируемым окрашенным раствором, применяют светофильтры, которые пропускают главным образом лучи лишь необходимого участка спектра. Интервал длин волн, пропускаемый светофильтром, колеблется от 20-40 до 100 нм. Такие приборы являются достаточно простыми и называются фотоэлектроколориметры.

В фотометрическом анализе ключевое место занимает химическая реакция, с помощью которой химический элемент переводят в форму окрашенного соединения. Способность поглощать свет связана с электронным строением атомов или молекул. В фотометрии используют два типа поглощающих свет соединений:

• соединения, у которых хромофорными свойствами обладает ион определяемого элемента,

• соединения, хромофорные свойства которых связаны с реагентом (лигандом).

Хромофорными свойствами обладает большинство переходных элементов, имеющих незаполненные электронами d-орбитали. Если все d-электроны валентны, то окрашенными могут быть даже простые соединения переходных элементов (Мп0₄ Сг0₄ "и др.).

Переходные элементы могут образовывать окрашенные соединения с бесцветными реагентами, не содержащими хромофорных групп.

Например, Сульфосалициловая кислота образует окрашенные комплексные соединения с Ре³+.

Однако собственным поглощением в растворах в видимой области спектра обладает небольшой набор простых соединений, поэтому в фотометрии преимущественно используются различные химические реакции, которые приводят к образованию веществ, поглощающих излучения видимой части спектра. Чаще всего это реакции комплексообразования, продукты реакций окисления – восстановления, азосочетания и другие .

Кроме того, поглощение ультрафиолетового или видимого света определяется

• либо хромофором - функциональной группой, поглощающей свет, например, группой с кратной связью С=С, С=О,и N=0,

• либо ауксохромом -функциональной группой, которая связана с хромофором и изменяет положение и интенсивность полосы поглощения, например, группа с неподеленной электронной парой ОН, NН₂ /

Все окрашенные соединения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Достаточно высокая прочность (малая диссоциация) в водных растворах. Если используют заметно диссоциирующие окрашенные соединения, то для уменьшения их диссоциации применяют органические растворители, смешивающиеся с водой (спирты, ацетон, диоксан и др.), и вводят постоянный избыток реактива.

2. Достаточная устойчивость окраски во времени ( не менее 10-15 мин. )

3. Большое значение величины молярного коэффициента поглощения ε. Для веществ с высокой поглощающей способностью величина ε достигает 1,0·10⁵ – 1,5·10⁵, для веществ с малым светопоглощением 4,0·10² – 5,0·10².

Концентрацию раствора определяют различными методами.

По методу сравнения измеряют оптические плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов (D_ст. и D_х); неизвестную концентрацию рассчитывают по формуле:

С_х= С_ст.· D_x/ D_ст.

где С_ст – концентрация стандартного раствора. Метод применяют при стандартных определениях.

Метод калибровочного графика (калибровочной кривой). По серии стандартных окрашенных растворов, охватывающих область определяемой концентрации, строят калибровочный график зависимости оптической плотности раствора от его концентрации. Затем измеряют оптическую плотность исследуемого раствора и по калибровочному графику находят неизвестную концентрацию. Метод применяют при многократных, серийных анализах

По методу добавок измеряют оптическую плотность исследуемого окрашенного раствора, затем оптическую плотность того же раствора с известной добавкой определяемого компонента (D_х+доб.) и рассчитывают концентрацию вещества по формуле:

С_х= С_доб.· D_x(D_x+доб.- D_x)

где С_доб. – концентрация добавки в пересчёте на весь объём раствора.

Чувствительность определения в фотоколориметрическом анализе равна 1·10^-7 г-моль/л. Применяют для определения малых количеств вещества 1·10^-4 - 1·10^-7 %. Относительная ошибка ± 0,5 – 2,0 %.