2.2.3 Инфракрасная спектрометрия

Инфракрасная спектрометрия. Спектры поглощения в инфракрасной области связаны с изменением колебательного и вращательного энергетического состояния молекул и содержат чрезвычайно специфичную информацию о строении химических соединений и наличии в их молекулах различных функциональных групп. Вследствие этого ИК-спектрометрия стала высокоэффективным методом идентификации органических веществ и расшифровки их структуры.

ИК-область спектра - 0,8- 200 мкм.

С целью снижения влияния содержащихся в атмосферном воздухе СО₂ и паров воды (интенсивно поглощающих излучение в фундаментальной области спектра 2,5.50 мкм) в ИК-спектрометрах используют двухлучевые оптические системы.

В качестве источника излучения применяют глобар и штифт Нернста.

• Глобар представляет собой стержень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током до 1300 - 1700 °С, а

• штифт Нернста в виде полого стержня длиной 3 см изготовляют из оксидов циркония и иттрия.

Ввиду того, что стекло плохо пропускает ИК-лучи, в ИК-спектрометрах используют отражающую, а не пропускающую оптику и применяют монохроматоры с дифракционной решёткой.

Многие типы фотоэлементов нечувствительны к электромагнитному излучению с длиной волны более 1 мкм, поэтому ИК-излучение обнаруживают и измеряют по вызываемому им тепловому эффекту с помощью чувствительной термопары, термометра сопротивления или полупроводниковых и пневматических детекторов.

Пробы, исследуемые методом ИК-спектрометрии, могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными. Чаще всего имеют дело с жидкими пробами, кюветы для которых представляют собой две пластины из прозрачного для ИК-излучения материала с очень незначительным зазором между ними.

Жидкие пробы вводят в кюветы с помощью шприца, а при использовании разборных кювет пробу наносят на одну из пластин, к которой затем прижимают другую и закрепляют в специальном держателе.

Кюветы для газообразных проб аналогичны жидкостным, но имеют большие размеры поглощающего слоя (5...10 см). При определении в газе микропримесей торцы стен кюветы заменяют полированными зеркальными поверхностями, многократно отражающими ИК-излучение и тем самым существенно увеличивающими эффективную толщину поглощающего слоя (1.100 м).

Исследование твёрдых образцов может быть осуществлено наиболее просто путём растворения их в соответствующей жидкости. Для растворения твёрдых органических веществ в практике ИК-спектрометрии применяют тетрахлорметан, хлороформ и сероуглерод.

Твёрдые пробы, нерастворимые в обычных жидких средах, готовят к анализу путём тщательного измельчения с таким расчётом, чтобы размеры частиц не превышали длину волн используемой области ИК-спектра (2.. .3 мкм).

2.2.4. Нефелометрический и турбидиметрический анализ.

            В нефелометрическом и турбидиметрическом анализе используется явление рассеяния света твердыми частицами, находящимися в растворе во взвешенном состоянии. 

Пробу освещают потоком света с интенсивностью I₀, а затем, так же как в молекулярной спектроскопии, измеряют интенсивность прошедшего излучения I_t или определяют интенсивность  излучения, рассеянного под определенным углом (например, I₉₀ при 90^о).

С ростом числа частиц суспензии отношение I_t/I₀ уменьшается, а отношения вида I₉₀/I₀ увеличиваются, во всяком случае, до умеренных концентраций.

Метод, в котором используют интенсивность прошедшего света I_t, называют турбидиметрией, а метод с измерением под углом 90^о (или каким-либо другим) – нефелометрией.

При турбидиметрических измерениях величина, называемая мутностью, соответствует оптической плотности и может быть определена из соотношения, аналогичного основному закону светопоглошения:

S = lg (I₀/I) = k b N,

где S – мутность; k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом мутности; b – длина пути; N – число рассеивающих частиц в единице объема.

Различают несколько вариантов нефелометрии и турбодиметрии.

• В одном из них, измеряют непосредственно мутность объекта исследования, без проведения химических реакций.

Так измеряют мутность растворов, прозрачность воды, нефтяных фракций, наличие пыли в газах и т. п.

• Вторая, более распространенная группа методов основана на получении взвеси с помощью химических реакций и измерении интенсивности рассеянного света.

Например, для определения сульфатов в воде получают при помощи BaCl₂ суспензию BaSO₄, интенсивность светорассеяния которой измеряют в нефелометре, а затем по калибровочному графику находят концентрацию ионов SO^2-₄.Пользуясь калибровочными графиками, рассчитывают содержание определяемого вещества.

Еще одно направление практического использования таких методов – это применение лазеров для дистанционного определения частиц, содержащихся в воздушном пространстве.