Оптические (спектроскопические) методы анализа
Теоретическая часть
Спектроскопические методы анализа основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Регистрируя испускание, поглощение или рассеяние электромагнитных волн анализируемой системой, получают совокупность сигналов, характеризующих ее качественный и количественный состав. Спектроскопические методы анализа позволяют получать и исследовать сигналы в различных областях спектра электромагнитных волн – от коротких рентгеновских до длинных радиоволн.
Оптические методы анализа подразделяются:
- фотометрические методы анализа;
- фотонефелометрический и фототурбидиметрический – основаны на иссле-
довании свойств мутных растворов. В этих методах применяют одни и те
же реакции; различие в том, что в нефелометрии измеряют интенсивность
света, рассеянного твердыми частицами взвесей (суспензией), а в фототур-
бидиметрии – интенсивность света, прошедшего через суспензию;
- фотофлуориметрический – основан на измерении интенсивности флуорес-ценции, которая зависит от концентрации вещества.
- рефрактометрический – основан на зависимости показателя преломления n
от концентрации двухкомпонентных растворов или смесей двух жидкостей;
- поляриметрический – метод анализа растворов оптически активных веществ, т.е. имеющих в своем составе хотя бы один асимметрический атом углерода и способных вращать плоскость поляризации луча света;
- пламенно-фотометрический – вариант эмиссионного спектрального анализа, основанный на измерении интенсивности светового излучения определенной длины волны, испускаемого атомами элементов в результате возбуждения в пламени горелки.
Фотометрические методы анализа
Все вещества поглощают электромагнитные излучения. Вещества, по-глощающие излучение в видимой области спектра (длина волны 400-760 нм),
характеризуются собственной окраской. Фотометрические методы анализа
основаны на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через
вещество или его раствор. В зависимости от длины волны, ширины полосы
излучения и способа измерения интенсивности светового потока различают
следующие фотометрические методы:
- Колориметрия основана на визуальном сравнении интенсивности окра-
ски анализируемого раствора с интенсивностью окраски раствора того
же вещества известной концентрации (стандартный раствор). Субъек-
тивность визуальных восприятий световых оттенков и интенсивности
окраски является недостатком колориметрии.
Фотоэлектроколориметрия и спектрофотометрия – объективные методы анализа; для оценки интенсивности световых потоков применяются
фотоэлементы.
Фотоэлектроколориметрия основана на измерении поглощения анализируемым веществом интенсивности света не строго монохроматиче-
ского излучения в видимой части спектра. Для монохроматизации света
применяют светофильтры. Измерения выполняют при помощи более
простых приборов – фотоэлектроколориметров.
Спектрофотометрия основана на измерении поглощения анализируе-
мым веществом света с определенной длиной волны, т.е. поглощение
монохроматического излучения, как в видимой, так и в ультрафиолето-
вой и инфракрасной областях спектра. Для монохроматизации света
применяют дифракционные решетки и призмы. Измерения выполняют с помощью специальных приборов – спектрофотометров.
Количественно поглощение системой излучения описывается законами
Бугера-Ламберта-Бера.
Количество электромагнитного излучения, поглощенного раствором,
пропорционально концентрации поглощающих частиц и толщине слоя
раствора. I = I0· 10- ε Ch, (1)
где I – интенсивность потока света, падающего на раствор,
I0 – интенсивность потока света, падающего на раствор,
ε - коэффициент поглощения света – постоянная величина, зависящая
от природы растворенного вещества (молярный коэффициент поглощения),
С – молярная концентрация окрашенного вещества в растворе,
h - толщина слоя светопоглощающего раствора.
Если прологарифмировать уравнение (1) и изменить знаки на обратные,
то оно примет вид: lg I0 = ε Ch (2)
I
Эту величину называют оптической плотностью раствора (D).
Оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества и толщине слоя раствора.
Фотометрические методы анализа – наиболее простые методы абсорбционного анализа, основаны на измерении количества поглощенного света окрашенными растворами в видимой, УФ и ИК части спектра, что, в свою
очередь, обуславливается различной концентрацией. С помощью этого метода
изучают содержание большинства примесей в различных продуктах органического синтеза, так как он отличается высокой чувствительностью. При этом используют зависимость оптической плотности от концентрации раствора.
Определяемый компонент переводят в окрашенное соединение и по интенсивности окраски раствора судят о количестве компонента. В одних случаях достаточно интенсивная окраска может возникать при растворении анализируемого вещества. В других же, что бывает чаще, определяемый ион не имеет окраски, но при взаимодействии с другими ионами (реактивами) может образовывать окрашенное соединение.
Чтобы определить количественное содержание элемента (железа, марганца, меди) в исследуемом растворе, сравнивают его окраску с окраской «стандартного» раствора, концентрация определяемого элемента в котором точно известна. В зависимости от окраски анализируемого раствора подбирают светофильтры согласно таблицы 15.
Таблица 15 – Подбор светофильтров
| Характеристика анализируемого вещества | Цвет светофильтра | Длина волны про- пускаемого света, нм | |
| Окраска раствора | Длина волны поглощаемого света, нм | ||
| Зеленовато-желтая | Фиолетовый | 400-430 | |
| Желтая | Сине-фиолетовый | 420-450 | |
| Оранжевая | Синий | 430-460 | |
| Красная | Зеленый | 460-500 | |
| Пурпурная | Зеленый | 490-530 | |
| Фиолетовая | Зеленовато-желтый | 520-550 | |
| Синяя | Оранжевый | ||
| Сине-зеленая | Красный | 600-650 |
Стандартный раствор готовят аналогично испытуемому раствору, то
есть к нему добавляют те же реактивы, в том же количестве и в той же после-
довательности, что и к испытуемому раствору. Так как окраска растворов со
временем может изменяться, то окрашивание испытуемого и стандартного
раствора следует проводить одновременно, добавляя на единицу объема рас-
твора одинаковое количество реактива, который вызывает окраску.
