1.2. Молекулярно-абсорбционный анализ

Молекулярно-абсорбционный анализ базируется на поглощении электромагнитного излучения молекуламы или ионами исследуемого вещества. Наиболее распространены в молекулярно-абсорбционном анализе спектрофотометрические и фотометрические методы, которые позволяют проводить идентификацию и количественное определение веществ и находят широкое применение в фармацевтической практике. При помощи фотометрии определяют окрашивание растворов фармпрепаратов, содержание примесей аммония, тяжелых металлов, фторидов, магния, щелочноземельных металлов, фосфатов. С помощью спектрофотометрии в видимой и ультрафиолетовой областях света определяют содержание примесей, например, свободного формальдегида в фармпрепаратах. Преимущественное большинство органических субстанций в Фармакопее идентифицируется по спектрам поглощения в УФ- и ИК- областях.

Общая характеристика молекулярно-абсорбционного анализа.

Объединённый закон светопоглощения Бугера–Ламберта–Бера

Рассмотрим поглощение растворами электромагнитного излучения в видимой области спектра. Непрерывное электромагнитное излучение в области длин волн 400-700 нм воспринимается глазом как белый свет.

При прохождении через кювету с раствором (рис. 1.2.1) монохроматического излучения интенсивностью І₀ происходит его ослабление, часть светового пучка отражается на границе стекло – воздух и стекло – раствор (І_от), вторая его часть рассеивается (І_p) присутствующими в растворе частичками; главным образом свет ослабляется за счет поглощения (абсорбции) световой энергии (І_a) раствором.

Рис 1.2.1. Прохождение света через раствор в стеклянной кювете

Интенсивность пучка света, который выходит из кюветы, І<І₀. Таким образом, справедливо уравнение:

І ₀ = І_a + І_от + І_р + І (1.2.1)

Для изучения поглощения света растворами пользуются одинаковыми кюветами, для которых интенсивность отраженной части светового потока постоянна и мала и ею можно пренебречь. При работе с настоящими растворами достаточно чистых веществ потери интенсивности света за счет рассеивания также незначительны. Вот почему уравнение (1.2.1) можно записать в простом виде:

І₀ = І + І_a (1.2.2)

Интенсивность падающего светового потока (І₀) и потока, который прошел через раствор (І), можно непосредственно измерять. Интенсивность поглощения раствором неодинакова для светового излучения разных длин волн, которые составляют белый свет. Поэтому при облучении раствора белым светом исходящий пучок света часто получает окрашивание. Цвет раствора, который воспринимается глазом, обусловленный интервалом длин волн той части падающего пучка света, которая прошла через раствор без поглощения. Визуально цвет раствора, который исследуется, является дополнительным к цвету поглощенного излучения. Например, раствор, который поглощает желто-зеленую часть спектра ( λ=560÷570 нм), окрашен в фиолетовый цвет (табл. 1.2.1).

Таблица 1.2.1. Цвет раствора в зависимости от поглощенной части спектра

Спектральный диапазон поглощенной части, нм	Цвет поглощенной части света	Цвет, который наблюдается (дополнительный)
400-450 450-480 480-490 490-500 500-560 560-575 575-590 590-625 625-750	Фиолетовый Синий Зелено-синий Сине-зеленый Зеленый Желто-зеленый Желтый Оранжевый Красный	Желто-зеленый Желтый Оранжевый Красный Пурпурный Фиолетовый Синий Зелено-синий Сине-зеленый

Таким образом, основными оптическими характеристиками растворов окрашенных соединений в фотометрии является интенсивность окрашивания и цвет раствора. Степень поглощения излучения (интенсивность окрашивания) в фотометрии выражают величиной оптической плотности А. Сущность этой величины можно объяснить следующими рассуждениями.

Пусть анализируемый раствор налит в кювету с поверхностью толщиной L (рис 1.2.2). Мысленно поделим всю поглощающую поверхность на L частей и будем наблюдать изменение интенсивности светового потока, который проходит через раствор (используется монохроматическое излучение). Интенсивность светового потока, который входит в раствор, возьмем за І₀. Когда свет пройдет первый участок, интенсивность его уменьшится в n раз: І₁ = І₀/n, где n>1.

Во второй слой раствора входит поток света интенсивностью І₁. Когда этот световой поток пройдет второй слой, его интенсивность также уменьшится в n раз: І₂ = І₁/ n. Но так как І₁ = І₀/n, то І₂ = І₀ /n².

В третий слой раствора входит световой поток интенсивностью І₂ и после прохождения третьего слоя она станет равной І₃ = І₂/ n, то есть І₃ = І₀ /n³.

Рис 1.2.2. К выводу закона Бугера – Ламберта

Сейчас понятно, что после прохождения через весь раствор с толщиной слоя L интенсивность светового потока на выходе с кюветы І_L=І; І= І₀/n^L. Отсюда найдем, что І₀/І=n^L. Логарифмируя это уравнение, находим

lg (І₀/І) = A = lg n^L = L lg n, (1.2.3)

где L- толщина поглощающего слоя; lg n – постоянная величина, которая характерна для данного окрашенного раствора при прохождении света определенной длины волны; lg (І₀/І) – оптическая плотность раствора, она сокращенно обозначается буквой А (эту величину называют также абсорбционностью).

При описании фотометрических определений используются и другие оптические характеристики. Отношение интенсивности света, которы прошел через раствор, к интенсивности падающего света, то есть І/І₀ = Т, называется прозрачностью или пропусканием раствора; величина, обратная прозрачности, 1/Т=І₀/І называется непрозрачностью или поглощаемостью раствора; отношение интенсивности света, который раствор поглотил, к интенсивности падающего света, то есть І_a/ І₀, называется поглощающей способностью.

Уравнение (1.2.3) отображает закон Бугера – Ламберта: слои вещества одинаковой толщины при других равных условиях всегда поглощают одинаковую часть падающего на них светового потока. Оптическая плотность вещества пропорциональна толщине поглощающего слоя.

Поясним суть закона на примере. Пусть интенсивность входящего светового потока І₀ равна 100 условным единицам; при прохождении первого и каждого следующего слоя вещества световой поток, допустим, ослабляется в два раза, то есть n=2. Тогда І₁ = І₀/n = 100/2 = 50; І₂ = І₀ /n²=100/4=25; І₃ = І₀ /n³=100/8=12,5 . Графически эта зависимость выражается кривой на рис. 1.2.3. Зависимость оптической плотности от толщины поглощающего слоя (рис. 1.2.4.) описывается прямой линией, которая проходит через начало координат.

Позднее Бером было установлено, что поглощение света газами и растворами зависит от числа частиц в единице объема, которые встречаются на пути светового потока, то есть от концентрации вещества:

А=lg (І₀/І)= εLC (1.2.4)

где коэффициент ε - величина, постоянна для растворов данного вещества при прохождении света с известной длиной волны; L- толщина слоя; С- концентрация вещества.

Рис.1.2.3. Зависимость интенсивности светового потока, который выходит из кюветы, от толщины поглощающего слоя

Рис. 1.2.4. Зависимость оптической плотности от толщины

поглощающего слоя

Зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя известна под названием закона Бугера-Ламберта-Бера (основной закон поглощения): оптическая плотность (абсорбционность) растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя.

Графическое изображение закона Бугера–Бера. Зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе принято выражать графически. На оси абссцис откладывают концентрацию, а на оси ординат – оптическую плотность. При этом согласно основному закону поглощения (при постоянной толщине слоя А= kС, т.к. εL = k) выходит прямая линия, которая проходит через начало координат (рис. 1.2.5).

Рис. 1.2.5. Зависимость оптической плотностим от концентрации поглощающего вещества; L постоянна

Молярный коэффициент поглощения (абсорбции). При условии, если в уравнении (1.2.4) концентрация С имеет размерность моль/дм³, а толщина слоя L выражена в сантиметрах, величина ε называется молярным коэффициентом поглощения, или молярным коэффициетом абсорбции. Из уравнения (1.2.4) видно, что значения молярного коэффициета поглощения равно оптической плотности раствора, концентрация которого 1 моль/дм³, с толщиной поглощающего слоя 1 см.

Молярный коэффициент поглощения не зависит от концентрации вещества. Значения молярного коэффициента поглощения для растворов разных соединений разные и колеблятся от единиц до сотен тысяч. Молярный коэффициент поглощения является мерой чувствительности фотометрических реакций. Чем больше его значение, тем выше чувствительность определения.

Молярный коэффициент поглощения можно расчитать по результатам измерения оптической плотности раствора с удобной концентрацией. Из уравнения (1.2.4) находим, что ε = А/LС.