Лабораторная работа № 2 фотоколориметрический анализ

Цель работы: получить представление о молекулярно-абсорбционном спектральном анализе. Освоить методику работы на фотоэлектроколориметре.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Физические основы спектрального анализа

Спектрофотометрический и фотоколориметрический анализы являются разновидностями молекулярно-абсорбционного спектрального анализа. Сущность молекулярно-абсорбционного спектрального анализа заключается в качественном и количественном определении веществ по их спектрам поглощения. Физической основой спектрального анализа является взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

Молекулы, как и атомы, могут находиться в различных энергетических состояниях Е₁, Е₂, Е₃, и т. д. При переходе из одного состояния в другое молекула либо поглощает, либо испускает квант излучения. Если при прохождении света через вещество поглощения света не происходит, то в данном случае вещество с излучением не взаимодействует и молекулы не изменяют своего энергетического состояния. Если при пропускании света через вещество или его раствор мы наблюдаем поглощение света в определённой части спектра, то это означает, что молекулы вещества поглотили часть энергии излучения и перешли в состояние с более высокой энергией. Энергия кванта поглощённого излучения равна разности энергий двух состояний молекулы.

Е = Е₂ – Е₁ = h.

Наблюдаемая при прохождении излучения через вещество картина называется спектром поглощения. Измерение спектров поглощения в молекулярно-абсорбционном спектральном анализе производят обычно в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой части спектра. Напомним, что инфракрасная область спектра включает в себя излучение с длиной волны 10^-2 – 7  10^-7м. Видимое излучение лежит в диапазоне длин волн 7  10^-7 – 3,2  10^-7 м., ультрафиолетовое 3,2  10^-7 – 10^-9 м.

1 0^-2 7  10^-7 3,2 10^-7 10^-9

Энергия отдельной молекулы складывается из энергии движения электронов Е_эл., энергии колебания атомов Е_кол. и энергии вращения молекулы Е_вр.

Е = Е_эл. + Е_кол. + Е_вр.

Если при прохождении света через вещество изменяется только вращательная энергия молекул, то поглощение лежит в области длин волн порядка 510^-5 – 10^-4 нм. Наблюдаемый спектр называется вращательным. Он лежит в далёкой инфракрасной области спектра. Если изменяется энергия вращения и энергия колебания атомов, то наблюдаемый спектр поглощения называется колебательно-вращательным. Он лежит в близкой инфракрасной области спектра. Колебания могут быть направлены вдоль оси связи между атомами, такие колебания называются валентными. Если колебания атомов происходит в одном направлении, то такое колебание называется симметричным, если в разных, то ассимметричным.

симметричные ассимметричные

Если колебания происходят с изменением угла между связями, то колебания называются деформационными.

Энергия деформационных колебаний обычно меньше, чем валентных и полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями, лежат в области более длинных волн.

Если изменяется энергия движения электронов, спектр поглощения, наблюдаемый при этом, называется электронным и лежит в области видимого и ультрафиолетового излучения.

Молекулы определённых веществ поглощают в строго определённой части спектра и, как правило, дают много полос поглощения. Спектр отдельного вещества является в достаточной степени специфичным. Некоторые вещества имеют практически одинаковые спектры поглощения, но интенсивность поглощения в различных участках спектра у них различается. Спектры поглощения большого числа веществ собраны в специальные каталоги, по которым, в случае необходимости можно идентифицировать исследуемое вещество. Отдельные функциональные группы ( -СН₃, -СООН, -ОН. и т. д.) дают характерные полосы поглощения в определённой части спектра. Данные полосы поглощения называются характеристическими и они будут присутствовать в спектрах поглощения всех веществ, содержащих данную функциональную группу. Например, полосу поглощения, соответствующую группе – СН₃ будут давать все органические соединения, в которых присутствует эта функциональная группа: алканы, толуол, уксусная кислота и т. д. Таким образом, определить неизвестное вещество по его спектру поглощения можно двумя способами:

1. Определить спектр поглощения вещества и, сопоставив его с известным спектром поглощения по каталогу, идентифицировать вещество.

2. Определить характеристические полосы и по ним определить функциональные группы, входящие в состав молекулы вещества.

Спектрофотометрические методы используются также для количественного определения веществ. Главным образом, его используют для измерения концентраций растворов. Методы количественного определения основаны на измерении поглощения монохроматического света, прошедшего через раствор. Длину волны света подбирают соответственно максимуму поглощения исследуемого вещества. Основной закон спектрофотометрии – закон Бугера – Ламберта – Бера. Применительно к растворам его запись выглядит следующим образом:

(1)

Где: I₀ = начальная интенсивность светового потока.

I – интенсивность светового пучка после прохождения раствора.

 - коэффициент поглощения (экстинкции) светового потока. Зависит от природы вещества и длины волны света.

С – концентрация вещества в растворе в м/л.

l – толщина слоя светопоглощающего раствора.

Из (1) следует:

. (2)

Величина lg (I₀/I) называется оптической плотностью раствора и обозначается символом D. Из (3) имеем:

. (3)

Как видно из уравнения (3) оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации светопоглощающего вещества в растворе и толщине слоя раствора. Другими словами, при определённой толщине слоя раствора, оптическая плотность будет тем больше, чем больше концентрация вещества в растворе. Отсюда следует, что, определяя оптическую плотность раствора, мы можем напрямую определять концентрацию вещества в растворе. При помощи современной техники оптическая плотность может быть измерена очень точно. Увеличивая толщину слоя l можно измерять очень малые концентрации веществ.