Оптичні методи

Велика група фізико-хімічних методів аналізу ґрунтується на явищах взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною в атомному чи молекулярному стані. Вони мають назву спектроскопічні, або оптичні методи.

Спектрофотометрія – це метод молекулярної абсорбції у видимій і УФ- областях електромагнітного випромінювання. У спектрофотометрії аналітичним сигналом є поглинання світла. Вимірювання аналітичного сигналу здійснюється в області 200-780 нм. Поглинання світлового випромінювання певної довжини хвилі речовиною і є інформацією про кількість речовини. Широке розповсюдження в практиці хімічного аналізу одержав також фотометричний метод молекулярної спектроскопії, в якому поглинання здійснюється у видимій області спектра, в інтервалі 400-780 нм. Фотометричний метод дає можливість визначення великої кількості забарвлених неорганічних та органічних сполук із застосуванням немонохроматичного випромінювання. При цьому хімічні реакції, які використовуються у фотометрії, повинні мати властивість виникнення або зміни світлопоглинання середовища (розчину). Забарвлення аналітичної форми речовини має бути відтворюваним і стійким у часі.

Теоретичну основу оптичних методів аналізу складає основний закон світло-поглинання – закон Бугера-Ламберта-Бера, математичний вираз якого має вигляд:

,

де I₀ – інтенсивність світлового потоку, що падає на зразок речовини; І – інтенсивність світлового потоку, що проходить речовину наскрізь; А – оптична густина речовини (світлопоглинання), аналітичний сигнал, що вимірюють; с – концентрація речовини в аналітичній формі (у моль/л або г/л); l – товщина шару поглинання світла (см);  – молярний коефіцієнт поглинання, залежить від природи речовини. Таким чином, оптична густина речовини (розчину) прямо пропорційна концентрації речовини та товщині світлопоглинаючого шару.

Фотометричне визначення виконують за такою загальною схемою:

• підготовка проби і переведення досліджуваної речовини у розчин;

• одержання забарвленої аналітичної форми досліджуваної речовини в результаті хімічної реакції з фотореагентом за певних умов;

• вимірювання світлопоглинання (оптичної густини) розчину аналітичної форми речовини, тобто реєстрація аналітичного сигналу;

• розрахунки за результатами вимірювань;

• метрологічна оцінка відтворюваності результатів аналізу.

Хроматографія

Дуже ефективним методом розділення сумішей речовин на компоненти є хроматографія – метод, заснований на тому, що під час пропускання досліджуваного розчину або газоподібних продуктів крізь шар подрібненого або порошкоподібного нерозчинного матеріалу (сорбенту) окремі компоненти суміші сорбуються (утримуються) з різною силою, але обернено, тобто можуть бути десорбовані. Під час розподілу компонентів суміші на сорбенті окремі сполуки утворюють смуги або зони, звідки потім можуть бути вилучені.

Усі види хроматографії ґрунтуються на різній рухливості розчинених речовин під час їх проходження крізь багатофазову (найчастіше двофазову) систему, тобто на розподілі компонентів суміші між двома фазами – нерухомою (сорбент) і рухомою (елюент), що проникає крізь нерухому фазу.

Хроматографічні методи класифікують залежно від: а) агрегатного стану суміші компонентів; б) типу взаємодії між активним сорбентом і аналізованою речовиною (механізму розподілу); в) форми проведення процесу, апаратури. Найважливішою ознакою методу є механізм взаємодії речовини з сорбентом. Залежно від типу такої взаємодії розрізняють: а) адсорбційну (молекулярну); б) іонообмінну; в) розподільну (осадову) хроматографію.

Для аналітичних визначень найбільш важливе значення має іонообмінна хроматографія, що ґрунтується на оборотному стехіометричному обміні іонів досліджуваного розчину на іони, які входять до складу іонообмінної речовини. Сучасні іонообмінні речовини – це синтетичні високополімери (іонообмінні смоли), які містять різні функціональні групи, що й визначають характерні властивості. Залежно від знаку заряду функціональної групи іонообмінні смоли є катіонітами або аніонітами.

До складу катіонітів входять кислотні функціональні групи (–SO₃H, –COOH, –PO₃H₂ та ін.), тому каркас катіонітів має негативний заряд, що компенсується позитивними зарядами протиіонів. При цьому катіоніт залишається електронейтральним. Протиіони (катіони), на відміну від функціональних груп, рухливі і мають змогу переходити в розчин в обмін на еквівалентну кількість іонів із розчину. Внаслідок такого обміну встановлюється рухлива рівновага між катіонами смоли і катіонами розчинника-середовища:

R_A^–Me⁺ + K⁺ ↔ R_A^–K⁺ + Me⁺,

де R_A^–Me⁺ – катіоніт; Me⁺ – катіон у складі катіоніту; K⁺ – катіон, що сорбується катіонітом. До поширених катіонітів відносяться сульфопродукти сополімерів стиролу і дивінілбензолу (КУ-2, СДВ-3, амберліт). До складу аніонітів входять функціональні групи-основи (амонійні, піридинові та ін.), а рухливими протиіонами є аніони. Поширеними аніонітами є АН-1, АН-2Ф, які становлять продукти полімеризації з використанням аміносполук.

Важливою характеристикою іонітів є обмінна ємність, яка визначається відношенням кількості моль-еквівалентів обмінного іону (протону або гідроксилу) до 1 г іоніту.

Методи іонообмінної хроматографії застосовують з метою відокремлення іонів із сумішей, а також для визначення сумарного вмісту катіонів чи аніонів і для аналізу індивідуальних солей. Останнім часом хроматографічні методи набули значного поширення завдяки своїй універсальності та створенню напівавтоматичних приладів – хроматографів. Хроматографічні методи застосовують для розділення сумішей, очищення та аналітичного визначення окремих компонентів.