Методы молекулярной спектрофотометрии

Теоретические основы взаимодействия света с анализируемым веществом рассмотрим на примере молекулярной спектрофотометрии.

Из основ квантовой механики известно, что электромагнитное излучение, будь то радиоволны, инфракрасное, видимое или ультрафиолетовое излучение или гамма-лучи, имеет дуалистическую природу и представляет собой поток частиц, называемых квантами, энергия которых определяется длиной волны или частотой данного излучения. Взаимосвязь частоты излучения и энергии его кванта описывается уравнением Планка:

E=hv,

где: Е-энергия, Дж; h -постоянная Планка (6, 38▪ 10^-34 Дж-с), γ - частота колебаний, Гц.

В соответствии с принципами термодинамики, электроны в атоме стремятся обладать минимумом энергии и в спокойном состоянии при отсутствии внешних воздействий находятся на самых низких энергетических уровнях. Такое энергетическое состояние называется основным. При поглощении кванта электромагнитного излучения соответствующей частоты электрон переходит (или «забрасывается») на более высокие энергетические уровни. Такое состояние электрона называют возбужденным. Следует отметить, что при таком переходе соблюдается квантово-механический принцип, вытекающий из дуалистической корпускулярно-волновой природы электромагнитных волн. Он заключается в том, что энергия кванта должна удовлетворять соотношению:

где АЕ - разница в энергиях основного (Eосн.) и возбужденного (Евозб.) состояний электрона.

Соответственно, переход электрона из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием кванта определенной энергии. Электронные спектры атомов являются линейчатыми (т.е. состоят из линий поглощения очень малой ширины) и располагаются обычно в ультрафиолетовой и видимой области спектра электромагнитных волн. На этом явлении основаны почти все применяемые в почвенном анализе фотометрические методы, которые имеют два очень важных преимущества в изучении качественных и количественных характеристик исследуемых компонентов почв по сравнению с классическими химическими методами количественного анализа.

Во-первых, вследствие линейчатости атомных спектров достигается высокая селективность, благодаря которой появляется возможность не только качественного, но и количественного определения веществ в весьма сложных многокомпонентных системах, с которыми исследователь особенно часто сталкивается при анализе почв.

 Во-вторых, фотометрические методы обладают высокой чувствительностью и позволяют определять некоторые вещества при их концентрации в исследуемом растворе до 10^-6 – 10^-7 %.

Возможность количественного определения анализируемого вещества спектрофотометрическим методом основана на законе Бугера-Ламберта-Бэра, описывающего линейную зависимость между поглощением электромагнитного излучения A и концентрацией вещества С, вызвавшего это поглощение при длине волны электромагнитного излучения λ.

где α - зависимый от длины волны коэффициент светопоглощения, l - длина поглощающего свет слоя (длина кюветы), см.

Если использовать молярные единицы концентрации, то уравнение Бугера- Ламберта-Бэра будет иметь вид

где ε зависимый от длины волны молярный коэффициент светопоглощения, имеющий размерность моль/л▪ см^-1. Молярный коэффициент светопоглощения является эмпирической величиной, зависящей от условий проведения анализа и находится опытным путем при калибровке прибора.

Экспериментальные измерения поглощения света анализируемым веществом, как правило, производятся в единицах пропускания T:

где Р - интенсивность (энергия) светового излучения после прохождения кюветы с анализируемым веществом, Ро - исходная интенсивность (энергия) светового излучения.

Отношение между пропусканием и поглощением определяется следующим уравнением:

На практике применение закона Бугера-Ламберта-Бэра может осложняться отклонениями от прямолинейной зависимости А(с), наблюдаемой, как правило, в области высоких концентраций определяемого вещества. Причины этого явления можно разделить на две группы: 1) химические и физико-химические, обусловленные свойствами растворителя или исследуемого вещества; 2) технические, зависящие от используемого оборудования.

Химические и физико-химические причины несоответствия могут быть вызваны светорассеянием, ионизацией исследуемого вещества под влиянием прохождения света, полимеризацией молекул вещества (или возникновением ассоциатов) при относительно высоких концентрациях или, наоборот, гидролизом и разрушением фотометрируемого соединения. Чтобы исключить влияние светорассеяния, фотометрируемый раствор должен быть прозрачным. Прочие эффекты можно скомпенсировать, используя раствор сравнения. В простейшем случае им является чистый растворитель или раствор контрольного опыта.

Аппаратурные погрешности могут быть связаны, прежде всего, с неточным совпадением длины волны поглощения окрашенного вещества с длиной волны, пропускаемой светофильтром, нестабильностью работы фотоэлемента, флуоресценцией исследуемого вещества и чувствительностью регистрирующей фотоэлектрической системы к рассеянному свету. Особенно часто погрешности этого типа проявляются при работе в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн. Кроме того, большое значение имеет монохроматичность используемого в приборе пучка света - погрешность значительно возрастает при использовании несовершенных светофильтров с относительно широкой полосой пропускания.

Из методов молекулярной спектрофотометрии в химическом анализе почв наиболее часто используются методы молекулярной абсорбционной спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Объектом спектрофотометрических измерений, как правило, являются растворы. 

Фотометрируемый раствор помещают в кювету - сосуд с плоскими параллельными прозрачными гранями.

Метод молекулярной абсорбционной спектрофотометрии основан на оценке изменений интенсивности светового потока, проходящего через раствор, содержащий анализируемое вещество. Главные достоинства спектрофотометрии - простота использования, несложное оборудование. Чувствительность и селективность метода можно значительно увеличить в ходе подготовки проб к анализу, отделяя мешающие компоненты и переводя определяемое вещество в форму, обладающую как можно большей величиной молярного коэффициента поглощения. К чувствительным фотометрическим методам относят те методы, которым соответствует молярный коэффициент поглощения, равный или больший 10.

Фотометрические методы количественного анализа обладают меньшим пределом обнаружения, чем классические химические методы - гравиметрические и титриметрические. Это позволяет использовать фотометрию не только для определения макроэлементов, но и для определения элементов, которые  присутствуют в почвах в микроколичествах.

В фотометрическом анализе центральное место занимает химическая реакция, с помощью которой химический элемент переводят в форму окрашенного соединения. Время, затрачиваемое на анализ, и другие характеристики метода (чувствительность, точность, избирательность) зависят от выбора химической реакции и условий ее осуществления.

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

Хромофорными свойствами обладают большинство переходных элементов, имеющих незаполненные электронами d-орбитали. Если все d-электроны валентны, то окрашенными могут быть даже простые соединения переходных элементов (МnO₄, VO₃, CrO₄^-2и др.).

Переходные элементы могут образовывать окрашенные соединения с бесцветными реагентами, не содержащими хромофорных групп. Сульфосалициловая кислота, например, образует окрашенные комплексные соединения с Fe³⁺ и бесцветный комплекс с А1³⁺, не обладающий хромофорными свойствами. Собственным поглощением в растворах в видимой области спектра обладает небольшой набор простых соединений. Поэтому в фотометрии используют различные химические реакции, которые приводят к образованию веществ, поглощающих излучения видимой части спектра. Чаще всего используют реакции комплексообразования. Для фотометрического анализа большое значение имеют окрашенные комплексные соединения, в которых хромофорные свойства обусловлены электронными переходами в лиганде.

В анализе почв для фотометрических измерений используют различные типы химических реакций, которые приводят к образованию окрашенных соединений.

При определении марганца для получения окрашенного соединения применяют окислительно-восстановительную реакцию _и переводят бесцветный Мn⁺² в окрашенный в розово-фиолетовый цвет МпO4^-. Для определения титана используют реакцию комплексообразования с неорганическим лигандом (Н₂О₂), для определения железа - реакцию комплексообразования с бесцветным органическим лигандом - сульфосалициловой кислотой. Определение алюминия, который не обладает хромофорными свойствами, проводят, измеряя оптическую плотность раствора комплексного соединения алюминия с красителями.

Окрашенные системы характеризуют кривыми светопоглощения или спектрами поглощения, и в количественном анализе измеряют оптическую плотность растворов. Оптическую плотность целесообразно измерять в узком интервале длин волн, соответствующем максимуму на кривой светопоглощения.

Использование монохроматического (с минимальным интервалом длин волн) излучения возможно только при работе на спектрофотометрах с монохроматорами высокого разрешения, которыми являются дифракционные решетки. В более простых приборах для вычленения более или менее узкого участка спектра применяют светофильтры. Такие приборы называются фотоэлектроколориметрами. Интервал длин волн, который пропускают светофильтры, колеблется от 20-40 до 100 нм. Светофильтр выбирают таким образом, чтобы интервал длин волн максимального пропускания светофильтра соответствовал максимуму поглощения окрашенного раствора.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: