Молекулярная спектрофотометрия

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Фотометрический анализ основан на измерении интенсивности поглощения света раствором вещества или измерении интенсивности окраски, при этом вещество в растворе находится в молекулярной или ионной форме. Одной из составляющих общей энергии молекулы является энергия движения электронов. Излучение, попадая на вещество, поглощается электронами с переходом в более высокое энергетическое состояние. Известно, что электроны данного вещества могут находиться лишь на некоторых, строго постоянных электронных уровнях, поэтому величина энергии поглощаемого кванта для данного вещества постоянна, а значит вещество может поглощать или испускать электромагнитное излучение строго определённой длины волны, характеризующей данное вещество:

E = hν = hc/λ (1)

Область длин волн электромагнитного излучения, поглощаемого внешними электронами, находится в интервале 100 – 800 нм, захватывая область ближнего ультрафиолетового (100-400нм), видимого (400-750 нм) и ближнего инфракрасного (750 и более нм) излучения.

По решаемым задачам фотометрические методы делятся на качественные и количественные методы анализа. По используемому оборудованию на фотоэлектроколориметрию и спектрофотометрию.

Фотоэлектроколориметрия основана на измерении оптической плотности растворов при помощи фотоэлектроколориметров. Анализ проводится в полихромном излучении ближней УФ и видимой области спектра с выделением определенного участка (шириной 10-50 нм) из этого спектра с помощью светофильтров. Для измерения оптической плотности раствора его помещают в кювету. В такую же кювету помещают раствор сравнения (чаще всего растворитель). Обе кюветы устанавливают в фотоэлектроколориметр и измеряют интенсивность света прошедшего через раствор относительно света, прошедшего через растворитель.

Спектрофотометрия имеет туже схему, что и фотоколориметрия, однако анализ проводится по поглощению монохроматического света (диапазон длин волн менее 1 нм) в ближней УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Вместо светофильтров в монохроматорах используют призмы или дифракционные решетки.

В фотометрическом анализе взаимодействие светового излечения со сложными многоэлектронными системами описывается с помощью молекулярных спектров поглощения, вид которых в основном определяется состоянием электронов внешних орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Спектром поглощения называют график зависимости оптической плотности или коэффициента экстинкции от длины волны, волнового числа или частоты света. Длина волны может выражаться в микронах (мк), ангстремах (Å), миллимикронах (ммк) или нанометрах (нм), соотношение между длиной волны (λ), частотой (ν) и волновым числом ( ) выражается формулами:

ν = С/λ ; = 1/λ (2)

Зависимость между интенсивностью окраски (оптической плотностью раствора) и содержанием в нем окрашенного вещества описывается законом Бугера-Ламберта-Бера:

, (3)

где – оптическая плотность раствора, равная логарифму отношения интенсивности потока света, падающего на раствор (I₀), к интенсивности потока света, прошедшего через раствор (I);

– молярный коэффициент поглощения (коэффициент экстинкции) – постоянная величина, зависящая от природы вещества и длины волны λ;

– молярная концентрация растворенного вещества, моль/л

– толщина светопоглощающего слоя, см (ширина кюветы).

Этот закон, отражающий прямо пропорциональную зависимость оптической плотности от концентрации раствора, лежит в основе фотометрического метода анализа.

Иногда используют величину Т (пропускание), равную отношению потока излучения, прошедшего через исследуемый объект (I₀) к интенсивности первоначального потока излучения, падающего на исследуемый объект (I₀):

(4)

Связь между оптической плотностью и пропусканием выражается уравнением (5), причем Т выражено в долях, но не в процентах:

(5)