2 Моллекулярний спектральний аналіз

Молекулярний спектральний аналіз передбачає якісне і кількісне визначення , молекулярного складу проби по молекулярних спектрах поглинання і випускання . Ці методи застосовуються для промислового контролю молекулярного складу проб , наприклад при виробництві вітамінів , барвників , бензинів і т. д.

Молекулярні спектри дуже складні, тому що можливі різні електронні переходи в молекулах ( електронниеспектри ), коливальні переходи зі зміною коливальних станів ядер атомів, що входять до складу молекули ( коливальний спектр), та зміни обертальних станів молекули . Ці спектри розташовані в різних областях довжин хвиль ( частот). Електронні спектри , ускладнюються коливальної і обертальної структурою , представляють собою систему характерних смуг ( іноді такий спектр називають лінійчатим - смугастим ) , які розташовуються від вакуумної ультрафіолетової ( ~ 1000А ) до ближньої інфрачервоної області ( ~ 12000А ) . Коливальні спектри , що супроводжуються обертальної структурою , розташовані в ближній інфрачервоній частині спектра від 1,2 до 40 (від 8 - 103.до 250 см ~ 1 ) . Обертальні спектри розташовані в більш далекій інфрачервоній частині спектра і вимірювання їх оптичними ( термоелектричними ) засобами можливо до ~ 1,5 мм (тобто від 250 до 6 см ~ 1 ) . Обертальні спектри заходять в мікрохвильову область , досліджувану засобами радіоспектроскопії .

Відповідно з технічними засобами , використовуваними при проведенні молекулярного спектрального аналізу , розрізняються такі типи молекулярного аналізу .

Абсорбційний аналіз за спектрами поглинання

При проведенні такого типу аналізу проба береться в газоподібному , рідкому або твердому стані , поміщається між джерелом суцільного спектра (лампа розжарювання для видимої області спектра , воднева або кріптоновая лампа для ультрафіолетової області , розпечений штифт для інфрачервоної області) і спектральним приладом . Спектр поглинання аналізується за допомогою спектрометра ( спектрографа ) або спектрофотометра.

У відповідності зі способами реєстрації спектру поглинання і використовуваними областями спектру різняться такі методи абсорбційного молекулярного спектрального аналізу .

Візуальний , коли спостереження спектра поглинання при якісному аналізі проводиться у видимій області за допомогою найпростіших спектроскопів прямого зору з пробірками або невеликими кюветами для розчинів , які розміщені безпосередньо перед щілиною . Як джерело світла , що пропускається через досліджувану речовину , використовується лампа розжарювання або денної сонячне світло. Для кількісного аналізу проводиться точне вимірювання ослаблення світлових променів певної дліми хвилі при проходженні їх через досліджувану речовину . Це завдання вирішується візуальним спектрофотометруванням за допомогою спектрофотометрів з поляризаційними або іншими типами фотометричних пристосувань. Використання флуоресціюючих екранів , що світяться під дією ультрафіолетових променів , що пройшли через досліджувану речовину , дозволяє виробляти візуальний аналіз і в ультрафіолетовій області. Для візуального визначення інтенсивності світіння дуже слабких джерел, зокрема флуоресціюючих екранів , іноді застосовується метод порога зорового відчуття. За допомогою переміщення нейтрального оптичного клина , поставленого перед оком спостерігача , яскравість світіння послаблюється до порога чутливості ока , тобто зникнення світіння. Фіксуються два положення клина : перше , відповідне ослаблення до порога яскравості флуоресценції екрану при падінні на нього неослабленим пучка світла , другий - при падінні на екран того ж пучка , але ослабленого при проходженні через досліджуваний шар речовини. Різниця цих положень клина , помножена на константу клина , дає значення оптичної щільності шару препарату.

Фотографічна спектрофотометрія застосовується порівняно рідко. Спектр поглинання розчину або парів у видимій або ультрафіолетової області фотографується за допомогою спектрографа . Для фотометрірування або отримують спектри за допомогою спеціальних пристосувань ( подвоювачів пучків світла) , що дають на платівці один під іншим спектри джерела з заданим ослабленням і поглинанням проби , або використовують техніку фотографічного фотометрірованія .

Фотоелектрична спектрофотометрія в даний час є основним типом абсорбційного молекулярного аналізу , що застосовуються у дослідних і промислових лабораторіях. У спектральному приладі ( монохроматорі ) за вихідною щілиною розташовується фотоелектричний приймач випромінювання. Перед вхідними щілиною ставиться кювету з пробою . На приймач послідовно падає світло від джерела суцільного спектра без проби і світло, що пройшло пробу. Фотострум посилюється , і з вимірювального приладу можна знімати значення оптичної щільності зразка ( нерегістрірующіе спектрофотометри ) . Реєструючі спектрофотометри автоматично записують криву пропускання або оптичної щільності. Треба відзначити , що для багатьох цілей технічного аналізу при масовому контролі однотипних проб можливе застосування спрощених спектрофотометрів , де виділення спектральної області виробляється інтерференційними світлофільтрами або фокальним монохроматором .

Спектрофотометрія в інфрачервоній області спектра (від 1 до 40-50 мкм). Аналіз проводиться по коливально - обертальним спектрами , які при вирішенні багатьох завдань характерне електронних у видимій і ультрафіолетовій областях , чим визначається широке розповсюдження цього виду молекулярного спектрального аналізу . Технічними засобами є реєструючі спектрометри і спектрофотометри . Для проведення аналізу необхідно знати спектр визначається з'єднання; в цьому, однак , полягає специфічна трудність аналізу в інфрачервоній області , так як для молекулярних сполук , число яких неозора , складання вичерпних спектральних таблиць практично нездійсненне. З метою розвитку молекулярного спектрального аналізу в даний час ведеться регулярна робота з накопичення і систематизації даних по інфрачервоним спектрах поглинання для різних хімічних сполук.

Емісійний молекулярний спектральний аналіз

Широко використовуються два типи аналізу: комбінаційний і люмінесцентний .

Аналіз за спектрами комбінаційного розсіяння ( комбінаційний ) . Досліджувана речовина в рідкому вигляді або у вигляді розчину поміщається в спеціальній скляній кюветі і освітлюється світлом сильних ртутних ламп. Що виникає в речовині комбінаційне світіння аналізується за допомогою світлосильного спектрального приладу .

Спектр комбінаційного розсіювання зазвичай спостерігається від блакитний ( 4358А ), іноді зеленої ( 5461 А ) і рідко від жовтих ліній ( 5770 / 5790 А ) ртутного спектра. Зелена і жовта лінії використовуються головним чином для аналізу проб , які сильно розсіюють світло ( каламутні рідини , тверді порошки ) .

Положення комбінаційних ліній щодо збудливою ртутної лінії , їх інтенсивності , ступінь поляризації характеризують спектр комбінаційного розсіювання даної молекули . За такими спектрами можна проводити якісний і кількісний аналізи молекулярних сполук , якщо з раніше проведених дослідів їх комбінаційні спектри відомі. Внаслідок численності хімічних сполук таблиці їх спектрів не можуть бути вичерпними і повинні безупинно поповнюватися .

У зв'язку з малою інтенсивністю ліній комбінаційного розсіяння для їх отримання використовуються світлосильні спектрографи . Однак і в цьому випадку для отримання достатньо чітких спектрів необхідні тривалі експозиції.

Люмінесцентний аналіз грунтується на дослідженні випромінювання флуоресценції і фосфоресценції головним чином твердих і рідких проб при впливі на них ультрафіолетового або корпускулярного випромінювання. Особливо широке поширення отримав аналіз на основі спостереження фотофлуоресценціі. У цьому випадку проба висвітлюється ультрафіолетовим випромінюванням ртутної лампи через чорне увіолеве скло; цей фільтр пропускає невидиме випромінювання яскравою ртутної лінії 3650А та інших прилеглих ліній і усуває видиме світло лампи. Під дією ультрафіолетових променів проба або її окремі частини (у разі неоднорідних проб , наприклад , мінера - 1 лов , порошків ) починають світитися характерним світлом. Колір цього світіння і його інтенсивність є аналітичними ознаками, що дозволяє виробляти якісний і кількісний аналізи. У ряді випадків застосовується спектральне розкладання світіння флуоресценції ; судження про склад і концентрації робиться на основі вивчення спектрального складу випромінювання .

Явище флуоресценції характеризується наступними властивостями, що визначають його аналітичні можливості . Під дією короткохвильового випромінювання збуджуються електронні оболонки люмінесцентних молекул , присутніх в речовині проби; необхідно тому , щоб збудливу випромінювання знаходилося всередині смуги поглинання досліджуваних молекул. Збуджені молекули починають випромінювати світло , максимум спектра якого зміщений у бік довгих хвиль по відношенню до максимуму спектра поглинання ; внаслідок цього зазвичай довжини хвиль спектра люмінесценції більше , ніж довжина хвилі збуджуючого світла . Однак частина енергії , поглиненої молекулами речовини , за деяких умов може до випромінювання розподілитися по інших мірах свободи молекул , при цьому відбувається гасіння флуоресценції. Воно пов'язане як з властивостями самого люмінесцентної речовини , так і з властивостями розчинника і особливо сильно розвивається при великих концентраціях люмінесцентної речовини в розчині ( концентраціонноетушіня ) .

Люмінесцентний аналіз за спектрами флуоресценції має винятково високою чутливістю : наприклад , атоми урану виявляються в незначних концентраціях до 10-8 - 10-6 % , в ​​той час як емісійний елементний аналіз виявляє тільки 10-4 -10-3 %. Однак настільки висока чутливість люмінесцентного аналізу призводить до серйозних труднощів : досить незначною домішки стороннього речовини , також здатного люминесціювати , щоб його світіння виявлялося в спостережуваному спектрі і спотворювало результати візуального визначення , коли аналіз проводиться без спектрального розкладання. Люмінесцентний аналіз знаходить широке застосування в харчовій промисловості (контроль свіжості продуктів ) , в сільському господарстві (контроль схожості насіння ) , в біології та медицині (розрізнення здорових тканин від хворих , виявлення бактерій ) , в заводських лабораторіях ( для виявлення вад і тріщин в металевих деталях ) і т. п. Велика перевага такого методу аналізу в його простоті, швидкості і нескладності застосовуваної апаратури , особливо для випадку якісного аналізу . Необхідно відзначити , що емісійні молекулярні спектри успішно застосовуються для виявлення проміжних з'єднань ( радикалів ) в пламенах , газорозрядної плазмі і газах , нагрітих до високих температур. Такі двоатомних молекули , як ОН , CN , СН , N0 та ін , випромінюють у видимій і ультрафіолетовій областях вельми характерні електронно- коливальні спектри , які надзвичайно легко піддаються інтерпретації і кількісному вимірюванню . Спектрами випромінювання радикалів користуються для якісного їх виявлення і зразкової кількісної оцінки . Цілком можливе використання для цієї мети також і спектрів поглинання радикалів в ультрафіолетовій і видимій областях спектра , а також інфрачервоних спектрів поглинання (коливальні спектри) і обертальних спектрів поглинання в мікрохвильовій області спектру.

Аналіз по спектрам випромінення атомів і молекул.

Аналіз по спектрам випромінення атомів і молекул у різних областях спектра (видимий, УФ, ІЧ) проводять за єдиною схемою, застосовуючи відповідну апаратуру. Спочатку речовину необхідно перевести у збуджений стан, надавши їй додаткову енергію.

В емісійному аналізі пробу вносять в джерело світла (полум’я, газовий розряд), де відбувається нагрівання, випаровування, дисоціація молекул (атомізація – розкладання на атоми) і збудження окремих атомів і іонів, тому емісійний аналіз у більшості випадків атомний.

У флуоресцентному аналізі збудження здійснюють опромінюючи пробу відповідними електромагнітними випроміненнями, для чого пробу попередньо атомізують (найчастіше в низькотемпературному полум’ї, куди пробу вводять у вигляді розчину або тонко подрібненому порошку ). У збудженому стані частки речовини перебувають протягом дуже короткого часу (10^-7-10^-8с). Повертаючись у нормальний стан вони випромінюють надлишкову енергію у вигляді квантів світла, що і складає спектри випромінення проби.

Щоб уможливити вивчення і аналіз спектру проби необхідно кванти різних частот відокремити один від одного в просторі, інакше кажучи розкласти випромінення по частотам, цей процес називається розкладання світла в спектрах, який здійснюють на спектрометрах.

Аналіз по спектрам поглинання

Аналіз по спектрам поглинання заснований на використанні законів поглинання світла атомів і молекул, які є в оптичних областях електромагнітного випромінення.

Закон Бугера- Ламберта

Де: Ф_t – потік монохроматичного випромінювання, який проходить через поглинаюче середовище

Ф₀ – потік монохроматичного випромінювання, який падає на поглинаюче середовище

l – товщина поглинаючого шару.

k_ν – коефіцієнт абсорбції, значення якого залежить від довжини хвилі, частоти випромінення і концентрації поглинаючих частинок.

Наслідки з закону

Закон Бугера-Ламберта-Бера

А=ε·c·l

Де: А – адсорбційність

С – концентрація

l – товщина поглинаючого шару

VІ. Закріплення знань

1. Які існують оптичні спектри залежно від характеру поширення електромагнітних хвиль?

2. Які бувають види спектрів?

3. Як можна пояснити природу лінійчастих спектрів?

4. Які переходи атома супроводжуються поглинанням світла, а які — випромінюванням?

5. Що таке спектральний аналіз?

6. Який принцип покладено в основу дії спектральних приладів?

7. Для чого застосовують спектральний аналіз?

VІІ. Домашнє завдання