Будова молекул та походження молекулярних спектрів

Молекули складаються з двох чи більше атомів, з’єднаних між собою в певному порядку хімічними зв’язками, які утворені при взаємодії зовнішніх електронів. При цьому атоми зближаються, але так, що їх завершені оболонки не торкаються. Енергетична будова молекули складніша, ніж у атома. Наряду з рухом електронів відбувається коливальний рух самих атомів, точніше їх ядер, та обертання молекули як цілого. Отже, в будь-якому стаціонарному стані енергія молекули складається з електронної, коливальної та обертальної енергій.

При отриманні енергії зовні чи при втраті її молекула переходить з одного енергетичного рівня на інший. У молекул, так само як і у атомів, найбільш збудливими є зовнішні (оптичні) електрони. Енергія збудження зовнішніх електронів молекул приблизно така сама, як в атомах (150 – 600 кДж·моль-1), що відповідає випромінюванню в видимій та УФ – ділянках спектру. Переходи між коливальними рівнями в межах одного електронного стану відповідають меншим енергіям (0,4 – 150 кДж·моль-1, випромінювання в ІЧ-області), переходи між обертальними рівнями характеризуються ще меншою енергією (0,01 – 0,4 кДж·моль-1, випромінювання в далекій інфрачервоній та мікрохвильовій областях).

Сукупність всіх поглинутих частот складає характерний спектр поглинання молекули на відповідних частотах, відповідної інтенсивності (молекулярний абсорбційний спектр). По атласам спектрів можна визначити з яких молекул і в якій їх кількості складається досліджувана речовина.

 

Монохроматизація випромінювання. В ідеальному випадку для отримання аналітичного сигналу від одного єдиного переходу потрібно опромінити речовину монохроматичним потоком (в абсорбційних методах) або затримати випромінювання всіх випускаючих частот, окрім потрібного (в емісійних методах).

На практиці світлові потоки поліхроматичні, тобто складаються з випромінювання багатьох довжин хвиль. Вилучити абсолютно монохроматичне випромінювання неможливо. Отримують потік випромінювання більш чи менш вузького інтервалу довжин хвиль, що досягається бездисперсійними (за допомогою світлофільтрів) або дисперсійними (за допомогою монохроматорів) способами.

Дані спектроскопії – найважливіша основа для вивчення будови атомів та молекул, іонів, надмолекулярної структури речовини в її різних агрегатних станах, вивчення кристалів та аморфних речовин.

Загальні основні вузли спектральних пристроїв:

1.джерело випромінювання,

2.пристрій для виділення пучка фотонів з однаковою частотою,

3.відділення для установки досліджуваного зразка,

4.приймач випромінювання (детектор),

5.перетворювач сигналу.

Окрім цього, кожен спектральний прилад має лінзи, дзеркала, щілини та інші оптичні

деталі; багато приладів мають електронні пристрої та комп’ютери.

За способом реєстрації спектруоптичні методи ділять на візуальні, фотографічні та фотоелектричні.

В оптичних методах аналізу використовують візуальні приймачі вимірювання (оптичний мікроскоп, колориметрія) та фотоприймачі: фотодетектори - пристрої перетворювачі випромінювання у фотографічне зображення або засновані на явищі фотоефекту (перетвореня фото сигналу у електричний). При використанні фотоприймачів у метода додаться частка «фото» (спектро фото метр, фото колориметр). Використовують:

1) Фотографічні методи:

– фотохімічні реакції (фотографія). Фотографія заснована на відомій фотохімічній реакції – виділення металічного аргентума з його солей під дією фотонів. Сіль аргентума (звичайно хлорид) закріплюють на скляній пластині. Почорніння смуги пропорційно інтенсивності падаючого на фотопластинку випромінювання.

– Фотографію використовують в емісійних методах, коли реєструють (безпосередньо підрахунок фотонів при використані фотоплівки).

2) Фотоелектричні методи основані на явищі фотоефекту – відриву електрону від поверхні, на яку падає фотон (зовнішній фотоефект), або на збільшення електричної провідності провідника під дією світла (внутрішній фотоефект). Пристрої, в яких використовують явища фотоефекту, називають фотоелементами.

 

Залежно від характеру взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням оптичні методи аналізу поділяють на:

А — абсорбційні методи аналізу побудовані на вимірюванні поглинання речовиною світлового випромінювання.

До них відносять:

1. Колориметрія — ґрунтується на візуальному порівнянні кольору або інтенсивності забарвлення стандартного та досліджуваного розчину

2. Фотоколориметрія — ґрунтується на вимірюванні світлопоглинання у видимій частині спектру речовинами (іонами), вимірюванні концентрації речовини, коефіцієнту пропускання, оптичної густини розчинів невідомої концентрації методом калібрувального графіку. Метод побудований на вимірюванні поглинання немонохроматичного світла з вузьким діапазоном довжини хвиль одержують за допомогою світлофільтрів, яке проходить крізь розчин за допомогою приладів, які називають фотоелектроколориметрами.

3. Спектрофотометрія — ґрунтується на вимірюванні поглинання монохроматичного світла речовинами (іонами) в ультрафіолетовій (УФ), видимій чи інфрачервоній (ІЧ) частинах спектру з вико­ристанням спектрофотометрів

4. Атомно-абсорбційні методи, які проводиться за селективним поглинанням світла атомами речовини, переведеної в атомарний газоподібний стан.

 

Б – емісійні (побудовані на вимірюванні інтенсивності світла, що випромінює речовина):

1. Емісійний спектральний аналіз та полуменеву фотометрію. Метод являє собою визначення наявності та концентрацій тих чи інших хімічних елементів що випромінюється газоподібними атомами речовини (хімічних елементів).

2. Флуориметрія — ґрунтується на вимірюванні інтенсивності флуоресценції на визначених частотах, які характеризують склад речовини. – після збудження оптичних електронів електромагнітним випромінюванням відбувається флуоресценція – випромінювання квантів світла речовиною при переходу молекул зі збудженого світлом стану в основний.

3. Люмінесцентний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні випромінювання, що з’являється в результаті виділення надлишку енергії збудженими атомами аналізованої речовини.Люмінесценція – це випромінювання світла тілами (нерівноважне, надлишкове над тепловим), яке збуджується різними чинниками та має тривалість більшу за період світлових хвиль.

 

В – методи, що базуються на явищі поляризації молекул під дією світлового

випромінювання, розділяють на:

1. Рефрактометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні показника заломлювання світла розчином.

2. Поляриметричний метод аналізу побудований на вимірюванні кута обертання площини поляризації поляризованого променя світла, що пройшов крізь оптично активне середовище.

3. Інтерферометричний метод аналізу, побудований на вимірюванні зсуву інтерференції

світлових променів при проходженні їх крізь кювети з розчином речовини.

 

Фотоколориметрія

Фотоколориметрія — ґрунтується на вимірюванні світлопоглинання у видимій частині спектру речовинами (іонами), вимірюванні концентрації речовини, коефіцієнту пропускання, оптичної густини розчинів невідомої концентрації методом калібрувального графіку. Метод побудований на вимірюванні поглинання немонохроматичного світла з вузьким діапазоном довжини хвиль одержують за допомогою світлофільтрів, яке проходить крізь розчин за допомогою приладів, які називають фотоелектроколориметрами.

Фотоколориметричний метод, оснований на утворенні інтенсивно-забарвлених сполук при взаємодії з розчином досліджуваної речовини. В основі більшості фотометричних методів аналізу лежить залежність інтенсивності монохроматичного світла, що пройшло через шар забарвленого розчину (І), від інтенсивності падаючого світла (Іо), концентрації забарвленої речовини (С) і товщини шару поглинаючого розчину (l), яка визначається основним законом світлопоглинання – об’єднаним законом Бугера-Ламберта-Бера:

І = І о10–КС l

 

де К — коефіцієнт світлопоглинання, який залежить від природи речовини, температури, природи розчинника і довжини хвилі падаючого світла.

Оскільки фотометричні методи використовуються для аналізу малих концентрацій, а переважна більшість речовин у розбавлених розчинах безбарвна або слабо забарвлена, то для проведення фотометричних вимірювань у видимій області спектра необхідно визначувані речовини перевести в інтенсивно забарвлені сполуки. З цією метою використовують неорганічні або органічні речовини (фотометричні реактиви), які в строго певних умовах утворюють з досліджуваною речовиною стійкі забарвлені сполуки. Їх і фотометрують (вимірюють світлопоглинання).

Для фотоколориметрування розчини поміщають у скляні кювети певної товщини. Бажано, щоб оптична густина не була меншою 0,1 і більшою 0,9–1,0. Якщо ж вона виходить за вказані межі, необхідно використати кювети з більшою або меншою товщиною поглинаючого шару.

Прилади – фотоелектроколориметри – дають можливість виділяти з видимого спектра невелику ділянку в інтервалі довжин хвиль 20–100 нм за допомогою світлофільтрів. На практиці вибирається той світлофільтр, при якому спостерігається максимальне світлопоглинання, тобто максимум поглинання розчину повинен відповідати максимуму пропускання (мінімуму поглинання) світлофільтра.

Принцип дії колориметра ґрунтується на почерговому вимірюванні світлового потоку Іо, який проник через розчинник чи контрольний розчин, та потоку І, який проник через дослідний розчин. Коефіцієнт пропускання визначається як відношення цих потоків:

На колориметрі це відношення визначається таким чином:

1. Спочатку до світлового потоку поміщають кювету з розчинником або контрольним розчином.

2. Змінюванням чутливості колориметра домагаються, щоб відлік по шкалі коефіцієнтів пропускання колориметра дорівнював 100 поділкам. Отже, умовно приймається, що коефіцієнт пропускання розчинника дорівнює 100%. 3. Потім до світлового пучка поміщають кювету з дослідним розчином. Показ приладу по шкалі дорівнює коефіцієнту пропускання в %, а по шкалі D - оптичній густині цього розчину.

 

 

Рефрактометрія

Рефрактометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні показника заломлювання світла розчином. Рефрактометрія заснована на явищі заломлення світла при переході з одного середовища в інше, що називається рефракцією. Показником чи коефіцієнтом заломлення називають відношення синуса кута падіння лучами світла до синуса кута його заломлення

n = sin a/sin b

Співвідношення кута падіння і кута заломлення визначається прямо пропорційною залежністю від швидкості розповсюдження світлових хвиль у відповідних середовищах, яка у свою чергу залежить від 1.оптичної щільності середовищ, 2.довжини хвилі електромагнітного випромінювання стандарт – жовтий колір (дисперсія-залежність швидкості розповсюдження світлових хвиль від довжини хвилі), 3. температури розчину (стандарт 20°С). При відомих значеннях довжини хвилі випромінювання, температури розчину рефракція визначається тільки оптичною щільністю розчину досліджуємої речовини.

Оптична щільність розчину залежить від концентрації досліджуємої речовини, яка визначає: концентрацію сахарози, вологість продукту, частки сухих речовин, вміст білка, концентрацію солей.

У ХАРЧОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ: За допомогою рефрактометрів можна в лічені секунди по одній краплі розчину визначати концентрацію сахарози в різних соках, напоях, сиропах, джемах, цукровому буряку.

· на цукрових і хлібних заводах, кондитерських фабриках для аналізу продуктів і сировини, напівфабрикатів, кулінарних і борошняних виробів

· визначає вологість меду (до 20 %)

· для визначення частки сухих речовин у різних суслах (ДСТ 5900-73), сиропі для мармеладу, зефіру, кремів і пряників, "тиражки" для пряників;

· для визначення масової частки розчинних сухих речовин по сахарозі (BRIX)у продуктах переробки плодів і овочів,

· для визначення процентного вмісту жиру у твердих продуктах харчування (пряники, вафлі чи хлібобулочних виробів)

· ступінь забруднення води;

концентрацію ліків, отрутохімікатів; вміст білка в молоці;

концентрацію солей у розчинах.

 

Якщо промінь світла переходить з вакууму чи повітря в інше середовище, то кут падіння завжди більше кута заломлення. При збільшенні кута падіння, змінюється співвідношення між величиною світлової енергії, що проходить в інше середовище, і відбитої від границі розділу. При кутах падіння вище критичного, світло цілком відбивається від поверхні розділу. Цей кут називається кутом повного внутрішнього відбиття. Знаючи кут повного внутрішнього відбиття а', можна визначити показник заломлення.

 

Люмінесцентний аналіз

Люмінесцентний аналіз – один з оптичних методів, який знайшов широке застосування в практиці контролю фармацевтичних препаратів. Методзастосовується при визначенні малих концентрацій неорганічних, а такожорганічних речовин - антибіотиків, вітамінів, гормонів та ін.

Для аналітичної хімії найбільше значення маєфотолюмінесценція в ультрафіолетовій області. Речовини, що поглинають ультрафіолетове випромінювання, здатні флуоресціювати будь-яким світлом; речовини, флуоресценція яких збуджується світлом у видимій ділянці, дають світіння, яке розташоване в більш довгохвильовій ділянці спектра. Відстань між максимумом спектра поглинання і максимумом спектра флуоресценції називають стоксовим зсувом.

 

Дзеркальна симетрія спектрів речовин, що флуоресціюють:

1 – спектр поглинання; 2 – спектр випромінювання,

Ев – енергія випромінювання, λ – довжина хвилі

 

Чим вона більше, тим надійніше визначення речовини флуоресцентним

методом.

Флуоресценція може бути застосована як для кількісного, так і для якісного аналізу.

У багатьох випадках спектральні характеристики флуоресценції органічних речовин дозволяють ідентифікувати ці сполуки за їх спектрами. У простішому випадку якісне визначення речовин може бути проведене за кольором флуоресцентного випромінювання.

Кількісний люмінесцентний аналіз заснований на залежності інтенсивності

флуоресценції розчинів від концентрації флуоресціюючої речовини.

Інтенсивність флуоресценції істотно залежіть від:

- природи речовини;

- температури (у більшості випадків з підвищенням температури вихід і

інтенсивність флуоресценції зменшуються — температурне гасіння

флуоресценції);

- рН середовища (залежність носить складний характер);

- присутності в розчині побічних речовин (гасіння флуоресценції).

Кількісний флуоресцентний аналіз слід проводити при невисоких температурах і певних значеннях рН.

Метод застосовується при визначенні малих концентрацій неорганічних і органічних речовин: антибіотиків, вітамінів, гормонів та ін.