Спектральные методы анализа. Учебное пособие

обжига или обыскривания, откладывая на оси ординат почернение линий определяемых элементов, а по оси абсцисс — продолжительность горения дуги или искры в секундах.

Интенсивность спектральных линий элементов, имеющих небольшое сродство к кислороду или же склонных к карбидообразованию, в процессе обыскривания возрастает. Так как условия возбуждения спектральных линий могут изменяться в каждом опыте из-за колебания напряжения в сети или изменения состояния поверхности электродов в процессе экспозиции, то измерение абсолютной интенсивности спектральных линий не может быть основанием для количественного анализа.

Требования к спектральным линиям определяемого элемента:

Линия должна быть концентрационно чувствительна, на линии аналитической пары не должны накладываться линии других элементов, присутствующих в пробе; обе линии аналитической пары должны быть гомологичны, т.е. принадлежать либо возбужденным атомам, либо ионам, иметь близкие потенциалы возбуждения и находиться близко в одной спектральной области. В большинстве случаев в количественном спектральном анализе используют прием, основанный на измерении относительной интенсивности, т.е. отношения интенсивности спектральных линий определяемого элемента I1 и элемента сравнения I2, которые составляют аналитическую пару линий.

В качестве линии сравнения обычно используют слабую линию элемента основы анализируемого металла, не реагирующую на колебание его содержания в пробе.

Вычисление относительной интенсивности линий.

Для аналитической пары линии отношение I1 / I2 может быть представлено иначе. Выделив в явном виде множитель, зависящий от температуры возбуждения, формулу Шейбе для линии примеси и линии сравнения можно записать следующим образом:

I1 a1e E1 / kT C b ; I 2 a2 e E2 / kT C b ;

где E1, E2 – потенциалы спектральных линий; С — концентрация элемента в пробе; а1, а2 и b — эмпирические коэффициенты, характеризующие процессы, происходящие на поверхности электродов (а) и в облаке разряда (b); Т — температура возбуждения; k — постоянная Больцмана.

Считая концентрацию элемента сравнения или внутреннего стандарта величиной постоянной, относительную интенсивность линий аналитической пары можно записать следующим образом:

I1 / I 2 Ae ( E1 E2 ) / kT C b .

Видно, что интенсивность аналитической пары линий зависит от температуры возбуждения, а ее изменение может привести к появлению погрешностей. Для гомологических пар линий их потенциалы должны быть одинаковыми (E1 = Е2). Тогда последняя зависимость принимает вид уравнения Шейбе.

21

Принимая интенсивность линии сравнения I2 за постоянную в данных условиях анализа величину и разделив на нее уравнение Ломакина — Шейбе, получим:

Логарифмирование этого выражения даст формулу, которая лежит в основе всех методов количественного спектрального анализа:

Виды количественных методов атомно-эмиссионного анализа по способу регистрации спектров: визуальные; фотографические; фотоэлектрические.

Визуальные методы. Наблюдая спектр с помощью спектрального прибора (спектроскоп, стилоскоп, стилометр), можно установить не только количественный состав анализируемого материала, но и оценить по яркости спектральных линий содержание элементов, так как при увеличении концентрации примеси в пробе увеличивается и интенсивность его линий. Сам факт появления линии определяемого элемента в спектре пробы уже является указанием на его количество (метод последних линий).

Для получения количественной оценки содержания элемента примеси в пробе отрабатывают с помощью эталонов аналитические признаки: интенсивность линии определяемого металла сравнивают с рядом линий элемента основы разной интенсивности, принимаемых за условный стандарт, за шкалу интенсивностей. Затем по отработанным аналитическим признакам проводят анализ.

Количественное определение более достоверно, если определение проводить по аналитической паре линий с помощью приборов, называемых стилометрами. В этих приборах имеются приспособления, позволяющие устанавливать рядом далеко отстоящие линии аналитической пары и ослаблять их интенсивность с помощью фотометрических клиньев. Количественный анализ проводят по аналитическим кривым, построенным по стандартным образцам.

Вфотографических методах спектры анализируемых и стандартных образцов снимают на фотографическую пластинку. После ее проявления, фиксирования, промывания и высушивания с помощью специальных приборов — денситометров или микрофотометров — определяют оптические плотности почернения линий аналитических пар. По результатам фотометрирования строят градуировочные графики в системе «разность оптических плотностей почернения аналитической пары — логарифм концентрации» и по ним определяют содержание элементов в анализируемых образцах.

Вфотоэлектрическом методе регистрации соотношения интенсивности спектральных линий определяемого элемента и элемента сравнения осуществляют с помощью квантометров. Металлическую пробу, состав кото-

22

рой следует определить, укрепляют в штативе, она служит одним из электродов. Между электродами с помощью генератора возбуждается электрический разряд. Спектральный прибор разлагает излучение в спектр. Аналитические линии выделяются с помощью выходных щелей, установленных в фокальной плоскости спектрального прибора. Световые потоки линий проецируются на катоды фотоэлектронных умножителей, фототоки которых отрицательно заряжают накопительные конденсаторы, и измеряются электроннорегистрирующим устройством. Выходной регистрирующий прибор выдает показания в виде логарифма отношения интенсивностей линий определяемого элемента и элемента сравнения. Аналитические графики строят в виде зависимости показания прибора от логарифма концентрации определяемого элемента в эталонах.

23

Раздел 3. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 3.1. Молекулярные спектральные методы. Основные законы по-

глощения излучения Молекулярная спектроскопия основана на поглощении или испуска-

нии рентгеновского, видимого или ультрафиолетового излучения многоатомными молекулами.

Методы молекулярной спектроскопии:

•Колориметрия — сравнение окраски анализируемого и стандартного раствора вещества визуальным способом.

•Фотоколориметрия — измерение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор вещества.

•Спектрофотометрия — измерение интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего через раствор вещества фотоэлектрическими способами.

При прохождении монохроматического потока излучений с интенсивно-

стью I0 через слой I гомогенного раствора вещества часть его отражается, часть поглощается, и часть проходит через этот слой. Интенсивность отра-

женной части — Ir, поглощенной — Iа, прошедшей — II.

Первый закон поглощения (закон Бугера-Ламберта) устанавливает

связь между интенсивностями I0 и II. Формулировка: относительное количество поглощенного пропускающей средой излучения не зависит от интенсивности падающего излучения. Каждый слой равной толщины поглощает равную долю проходящего монохроматического потока лучистой энергии.

Второй закон поглощения (закон Бера) выражает связь между интен-

сивностью монохроматического потока излучений и концентрацией поглощающего вещества в растворе: величина поглощения потока лучистой энергии прямо пропорциональна числу частиц поглощающего вещества.

Объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера математически выражается следующим образом:

где ε— константа, называемая молярным коэффициентом поглощения; С

— концентрация поглощающего вещества; А — оптическая плотность поглощающего вещества, численно равная десятичному логарифму отношения интенсивности падающего потока к интенсивности выходящего потока.

Отношение интенсивности монохроматического потока излучения, прошедшего через исследуемый объект, к интенсивности первоначального потока излучения называется прозрачностью или пропусканием раствора Т:

A lgT .

Молярный коэффициент поглощения является основной характеристикой поглощения рассматриваемой системы при данной длине волны (часто-

24

те). Так как поглощение при различных длинах волн (частотах) различно, то и эта константа изменяется с длиной волны. Законы поглощения выполняются тогда, когда ε = соnst при данной длине волны для любой концентрации поглощающего вещества и толщины поглощающего слоя.

Закон Бугера-Ламберта-Бера применим и к растворам, содержащим несколько поглощающих веществ, при условии, что между разными компонентами системы отсутствуют взаимодействия (закон аддитивности оптических плотностей). Тогда для многокомпонентной системы

Аобщ = А1 +А2+ ... + Ап,

где индексы соответствуют компонентам 1, 2, ..., п.

Линейная зависимость между оптической плотностью и толщиной слоя при данной концентрации является общим правилом, из которого нет исключений. Наоборот, с отклонениями от линейной зависимости между оптической плотностью и концентрацией при постоянной толщине слоя сталкиваются довольно часто. Некоторые из этих отклонений могут являться ограничениями закона или быть связаны со способом измерения оптической плотности (инструментальные причины) или с химическими изменениями, возникающими при изменении концентрации.

Закон Бугера-Ламберта-Бера может не соблюдаться:

при сдвигах химического равновесия в системе под влиянием температуры, ионной силы, рН и др.; при использовании немонохроматического излучения. Отклонения от законов поглощения, вызванные немонохроматичностью потока, не существенны при условии, что используемое излучение не охватывает области спектра, в которой наблюдается резкое изменение поглощения при изменении длины волны; при высоких концентрациях растворов (> 0,01 М); при изменении показателя преломления поглощаемой среды; вследствие появления приборной ошибки.

3.2.Колориметрия и фотоколориметрия

3.2.1. Сущность, достоинства, недостатки, области применения методов

Колориметрия — метод анализа, основанный на измерении поглощения света окрашенными растворами в видимой части спектра.

Фотоколориметрия - метод анализа, основанный на поглощении световых потоков, анализ проводят с помощью фотоэлементов.

Стандартными, или образцовыми, называют растворы с точной концентрацией, применяемые для сравнения с исследуемым раствором.

В колориметрии используют химические реагенты, которые образуют окрашенные соединения с определяемым веществом. Сравнивая полученную окраску стандартного раствора того же вещества, определяют содержание окрашенного вещества в исследуемом растворе.

Интенсивность окраски находится в прямой зависимости от концентрации растворенного окрашенного вещества и от толщины рассматриваемого слоя раствора. Эта зависимость выводится из закона Бугера-Ламберта-Бера.

Интенсивность окраски можно измерять визуальным (очень субъектив-

25

ный метод) и фотоколориметрическим методами. Приборы, предназначенные для измерения интенсивности окраски визуальным методом, называют колориметрами.

Достоинства колориметрии:

быстрота; простота.

Недостаток колориметрии:

неточность.

Достоинства фотоколориметрии:

высокая точность;•используются экспериментальные данные в точках достаточно удаленных от точки эквивалентности, т.е. реакция не проходит до конца; фотометрическое фиксирование конечной точки применимо ко всем типам реакций.

Недостаток фотоколориметрии:

обязательное требование — выполнение закона Бугера-Ламберта-Бера.

Области применения:

вбиохимии для определения содержания гемоглобина в крови;

вфармации для определения примесей в лекарственных препаратах; для определения окраски жидкостей и рН среды.

3.2.2. Условия проведения колориметрических исследований

1. Испытуемый и стандартный растворы готовят совершенно одинако-

вым способом и в одинаковых сосудах; реактивы прибавляют в одинаковой последовательности. Температура сравниваемых растворов также должна быть одинакова.

2.Перед прибавлением реактива, вызывающего окраску, оба раствора должны быть бесцветны. При необходимости нежелательную окраску устраняют.

3.Если испытуемый раствор содержит какие-нибудь примеси, то и к стандартному раствору добавляют такое же количество этих примесей.

4.Интенсивность измеряемой окраски не должна быть у растворов ни слишком малой, ни слишком большой.

5.Необходимо, чтобы окраска растворов была достаточно устойчивой в течение всего времени, необходимого для колориметрирования. Обычно окраски сравнивают сейчас же после приготовления растворов.

6.Растворы колориметрируют по возможности быстро. Длительное наблюдение утомляет глаза и снижает точность отсчета.

7.Концентрации сравниваемых растворов должны быть небольшими (не более 1-2%) и не должны сильно отличаться друг от друга.

Не всегда стандартными окрашенными образцами для колориметрирования служат растворы. Образцы могут быть изготовлены из цветной пластмассы или представлять собой стандартные стекла, на которые нанесены желатиновые пленки с красителями. В качестве стандартов используют цветные таблицы с образцами окрасок.

26

3.2.3. Визуальные колориметрические методы

1.Метод стандартных серий (метод цветной шкалы). Приготавлива-

ют ряд стандартных растворов какого-либо вещества с постепенно изменяющимися концентрациями в определенном объеме растворителя. Помещают определенный объем каждого стандартного и такой же объем анализируемого раствора в пробирку, добавляют равные объемы необходимых реактивов. Сравнивают интенсивность полученной окраски исследуемого и стандартных растворов. Если окраска анализируемого раствора по интенсивности совпадет с цветом стандартного раствора, содержащего 0,4 мг данного вещества, то содержание его в исследуемом растворе равно 0,4 мг. Если окраска исследуемого раствора соответствует промежуточной концентрации, например между 0,4 и 0,5 мг, то концентрацию анализируемого раствора берут средней между соседними концентрациями стандартных растворов (приблизительно 0,45 мг). Рекомендуется для получения более точных результатов приготовить промежуточные серии стандартных растворов.

Метод дает приближенные результаты, и во время работы необходимо часто возобновлять шкалу из-за неустойчивости окраски некоторых стандартных растворов. При выполнении анализа методом стандартных серий соблюдение основного закона колориметрии (закона Бугера-Ламберта-Бера) не является обязательным из-за большой погрешности метода.

2.Метод колориметрического титрования (метод дублирования).

Определенный объем анализируемого окрашенного раствора неизвестной

концентрации сравнивают с таким же объемом воды, к которой добавляют из бюретки окрашенный стандартный раствор того же вещества определенной концентрации до уравнивания интенсивности окрасок. По совпадению интенсивности окрасок стандартного и исследуемого растворов определяют содержание вещества в растворе неизвестной концентрации.

Концентрацию вещества в анализируемом растворе Сх (в г/мл) находят по формуле:

С x TV , V1

где Т — титр стандартного раствора, г/мл; V — объем стандартного раствора, мл; V1 — объем анализируемого раствора, взятого для колориметрирования, мл.

Метод неприменим при реакциях, протекающих медленно, и при необходимости дополнительных обработок (кипячение, фильтрование и др.).

3. Метод уравнивания. Сравнение интенсивности окрасок анализируемого и стандартного растворов проводят в колориметрах. Метод основан на том, что, изменяя толщину слоя двух растворов с различной концентрацией одного и того же вещества, добиваются такого состояния, при котором интенсивность светового потока, прошедшего через оба раствора, будет одинакова — наступает оптическое равновесие. Оптическая плотность каждого раствора соответственно равна:

A1 C1l1 и A2 C2l2

где С1 и l1 — соответственно концентрация и толщина слоя анализируемого

27

раствора; C2 и l2 — концентрация и толщина слоя стандартного раствора.

Так как коэффициент поглощения ε у обоих растворов один и тот же, то равенство упростится:

C1l1 C2l2 и C1 C2 l2 l1

Следовательно, толщина слоев двух сравниваемых растворов при одинаковой окраске обратно пропорциональна отношению их концентраций.

Метод уравнивания является наиболее точным методом колориметрирования.

4. Метод разбавления. Одинаковую интенсивность окраски анализируемого и стандартного растворов получают путем постепенного разбавления водой или соответствующим растворителем того раствора, который более окрашен.

Разбавление проводят в одинаковых узких цилиндрах с делениями на миллилитры и десятые доли. Два одинаковых по размерам и формам цилиндра с анализируемым и стандартными растворами помещают рядом в специальный штатив с экраном из матового стекла. В более интенсивно окрашенный раствор вливают воду или растворитель до тех пор, пока окраска обоих растворов не станет одинаковой. После совпадения окрасок растворов измеряют объемы растворов в цилиндрах и рассчитывают содержание веществ в растворе неизвестной концентрации.

3.2.4. Фотоэлектроколориметры Механизм действия

Фотоэлектроколориметры позволяют оценить окраску более объективно, чем это можно сделать на глаз. В фотоколориметре интенсивность окраски определяют с помощью фотоэлемента, т.е. слоя полупроводника (селен, сульфид серебра и др.), нанесенного на металлическую пластинку. Фотоэлемент преобразует световую энергию в электрическую. Световой поток, попадая на фотоэлемент, возбуждает в нем электрический ток. Возникающий в фотоэлементе ток регистрируется включенным в цепь чувствительным гальванометром, отклонение стрелки которого пропорционально освещенности фотоэлемента.

Типы фотоэлектроколориметров: прямого действия (с одним оптиче-

ским плечом) и дифференциальные (с двумя оптическими плечами). Первые имеют один фотоэлемент, вторые — два. Фотоколориметры с двумя фотоэлементами более удобны. Получаемые с их помощью отсчеты меньше зависят от колебаний тока в цепи.

Для определения концентрации вещества измеряют оптическую плотность исследуемого раствора (DИС) и стандартного раствора (DСТ). Между этими величинами и концентрациями растворов — следующее соотношение:

СИС DИС . ССТ DСТ

Отсюда концентрация исследуемого раствора определяется по формуле:

28

СИС ССТ DИС . DСТ

При массовых фотоколориметрических анализах для определения концентрации исследуемого раствора пользуются градуировочной кривой, которая и служит для графического нахождения концентрации исследуемого раствора по его оптической плотности.

Построение градуировочной кривой. Готовят ряд стандартных рас-

творов данного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможных изменений концентраций этого вещества в исследуемом растворе. Наливают из бюретки в мерные колбы вместимостью 100 мл различные точно измеренные объемы стандартного раствора и к каждой порции добавляют соответствующие реактивы, вызывающие окраску анализируемого раствора. Затем содержимое каждой колбы доводят дистиллированной водой до метки. По оптической плотности всех растворов строят градуировочную кривую, откладывая на оси абсцисс значения концентраций стандартных растворов, на оси ординат — значения их оптических плотностей. Найденные точки соединяют одной линией.

Определение оптической плотности приготовленных стандартных растворов начинают со слабоокрашенного раствора.

Светофильтрами называют окрашенные среды (стекла, пленки, растворы), пропускающие лучи только определенной области спектра.

Причины необходимости применения светофильтров в фотоэлек-

троколориметрах. Свет, проходящий через окрашенный раствор, не является монохроматическим. Он состоит из лучей широкой области спектра, т.е. лучей разной длины волны. Окрашенный раствор избирательно поглощает видимые лучи, и в видимом спектре этих соединений наблюдаются полосы поглощения. Учитывая это, при колориметрии стараются выбрать узкую область спектра. Это достигается с помощью монохроматических светофильтров — стеклянных пластин, окрашенных в различные цвета. Светофильтры пропускают лишь ту часть спектра, которая поглощается окрашенным раствором.

Концентрация должна быть такой, чтобы оптическая плотность раствора находилась в пределах от 0,2 до 0,5. При указанных значениях оптической плотности относительная ошибка определения концентрации на всех типах приборов будет минимальной. Относительная ошибка достигает минимума при оптической плотности, равной 0,4.

3.3.Спектрофотометрия

3.3.1. Спектрофотометрия: понятие, стадии исследования, поглощение многоатомными молекулами

Спектрофотометрия – это фотометрический метод анализа с использованием монохроматического излучения (излучение одной длины волны).

Степень монохроматичности потока электромагнитного излучения определяют минимальным интервалом длин волн, который выделяется используемым монохроматором (светофильтром, дифракционной решеткой или

29

призмой) из сплошного потока электромагнитного излучения.

К спектрофотометрии относят также область измерительной техники, объединяющую спектрометрию, фотометрию и метрологию и занимающуюся разработкой системы методов и приборов для количественных измерений спектральных коэффициентов поглощения, отражения, излучения, спектральной яркости как характеристик сред, покрытий, поверхностей, излучателей.

Стадии спектрофотометрического исследования:

1)проведение химической реакции для получения систем, удобных для проведения спектрофотометрического анализа;

2)измерения поглощения полученных растворов.

Поглощение многоатомными молекулами является более сложным процессом, чем поглощение атомами, так как число возможных энергетических состояний сильно увеличивается. Общую энергию молекулы можно представить следующим образом:

Е = Еэл + Екол + Евр, (1)

где Еэл — энергия, связанная с разными орбиталями внешних электронов молекулы; Екол — энергия межатомных колебаний всей молекулы; Евр — энергия, которая приобретается молекулой при ее вращении вокруг центра тяжести.

Слагаемые в данном уравнении расположены в порядке уменьшения энергии; в среднем энергия каждого последующего слагаемого отличается от энергии предыдущего на два порядка.

Влияние особенностей излучения на спектр поглощения Чисто вращательный спектр поглощения, свободный от электронных

и колебательных переходов, можно получить под действием микроволнового излучения, энергия которого меньше энергии инфракрасного излучения.

В инфракрасной области, где энергия излучения слишком мала для электронных переходов, наблюдается колебательная абсорбция. При этом в спектре появляются узкие, близко расположенные пики поглощения, возникшие в результате переходов на разные колебательные квантованные уровни. Изменения вращательных уровней могут вызвать появление серии пиков для каждого вращательного состояния; однако в случае жидких или твердых образцов вращение затормаживается или предотвращается и влияние этих небольших изменений энергии не проявляется. Число колебательных состояний молекулы в значительной степени определяется числом атомов и, следовательно, числом образованных ими связей. Например, масляный альдегид (СН3СН2СН2СНО) имеет 33 энергетически различных колебательных состояния. Ковалентные связи «металл-лиганд» также чувствительны к длинноволновому инфракрасному излучению.

Для поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях первое сла-

гаемое в формуле (1), как правило, больше двух других, и для переходов внешних электронов обычно требуется энергия видимого и ультрафиолетового излучений. Молекулярные спектры поглощения характеризуются поло-

30