Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические методы анализа. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
А. И. ПАВЛОВ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2013
1
УДК 541(075)
Рецензенты: д-р хим. наук, профессор Ю. С. Тверьянович (СПбГАСУ);
д-р хим. наук, проф. М. Д. Бальмаков (СПбГАСУ)
Физико-химические методы анализа: учеб. пособие / А. И. Павлов;
СПбГАСУ. – СПб., 2014. – 64 с.
ISBN 978-5-9227-0468-7
Пособие составлено в соответствии с современным уровнем химической науки и требованиями, предъявляемыми к подготовке высококвалифицированных специалистов.
Рассмотрены основные физико-химические методы исследования веществ, в том числе и стройматериалов. Приведены основные правила, законы
, формулы. Даны примеры использования того или иного метода для
анализа веществ.
Предназначено для студентов специальности «Техносферная безопасность», а также для студентов всех специальностей, обучающихся в магистратуре, интересующихся наукой и современными методами исследования веществ.
Табл. 3. Ил. 22. Библиогр.: 7 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN
978-5-9227-0468-7
© Павлов А. И., 2013
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2013
2 3
ВВЕДЕНИЕ
Физико-химические методы анализа (ФХМА) занимают значительное место в арсенале средств, используемых в современной
науке для изучения окружающей нас материи. В настоящем пособии даны основы некоторых наиболее распространенных физикохимических методов анализа, указаны области его применения.
В химических методах анализа в качестве аналитического сигнала используется либо масса осадка
методы), либо объем раствора, израсходованного на реакцию (титриметрический или объемный методы). При всех их достоинствах
(высокая точность, малая погрешность при несложном оборудовании и невысокой квалификации оператора) химические методы анализа часто не отвечают запросам практики. Так, эти методы анализа
имеют сравнительно невысокий предел обнаружения (0,1–1 %),
их выполнения часто требуется много времени и необходим перевод
анализируемого вещества в раствор.
Достоинства физико-химических методов анализа состоят в том,
что многие из них имеют более низкий по сравнению с химическими
методами предел обнаружения (10
прессивностью, позволяют проводить анализ на расстоянии, автоматизировать процесс, выполнять его без разрушения анализируемого
образца. Погрешность ФХМА в среднем составляет 2–5 %. Однако
следует отметить, что при низких концентрациях определяемого вещества (< 1 %) химические методы анализа вообще не пригодны.
Общее число ФХМА довольно велико (несколько десятков), но
наиболее распространены спектральные, оптические,
ческие и хроматографические методы.
Самой многочисленной по количеству методов и практическому применению является группа спектральных и оптических методов анализа, которая основана на измерении различных эффектов,
возникающих при взаимодействии электромагнитного излучения
с веществом. Группа электрохимических методов основана на зави-
(гравиметрические или весовые
для
–5
–10
–10
моль/дм3), обладают экс-
электрохими-
симости электрохимических свойств анализируемой системы (электропроводности, потенциалов и др.) от природы и концентрации
растворенного вещества.
Группа хроматографических методов основана на различии в распределении компонентов смеси между двумя средами, и в зависимости
от агрегатного состояния этих фаз они подразделяются на мето-
ды газовой, газожидкостной и жидкостной хроматографии.
Автор строго придерживается Международной системы единиц
(СИ). Использованы принятые стандарты на обозначения физических величин, также приведены обозначения физических величин
в других системах единиц, если такие единицы часто применяются
на практике.
Пособие может быть полезным
всем, кто интересуется химической наукой и, в частности, методами анализа материи, а также может быть использовано студентами всех специальностей и особенно
специальности «Безопасность жизнедеятельности» для подготовки
к зачетным занятиям и экзамену по химии.
Автор выражает благодарность рецензентам пособия за полезные
советы и замечания.
4 5
Глава 1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР
Спектральные методы анализа основаны на использовании различных явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения. К характеристикам излучения относятся частота излучения и длина волны.
Частота колебаний (ν – греч. ню) показывает число колебаний
в 1 секунду и измеряется в герцах (Гц). Килогерц 1 кГц = 10
мегагерц 1 МГц = 10
частотой 4 · 10
14
6
Гц. Например, красный свет характеризуется
Гц, зеленый – 6 · 1014 Гц.
Длина волны (λ – лямбда) показывает наименьшее расстояние
между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Это линейная
Области электромагнитного излучения
Область электромагнитного излучения Интервал длин волн
Ультрафиолетовое излучение (УФ)
Дальняя УФ область
Ближняя УФ область
Видимый свет
Фиолетовая область
Синяя область
Зеленая область
Желтая область
Оранжевая область
Красная область
Инфракрасное излучение (ИК)
Ближняя ИК область
Дальняя ИК область
Гамма-излучение
Рентгеновское излучение
Микроволновое излучение
Радиоволны
10–400 нм
10–200 нм
200–400 нм
400–760 нм
400–460 нм
460–500 нм
500–560 нм
560–580 нм
580–640 нм
640–760 нм
6
760–10
760–2500 нм
2500–10 000 нм
10
10
10
−6
–0,1 нм
−2
–10 нм
−3
м–1 м
> 1 м
нм
3
Гц,
Таблица 1
единица и измеряется в метрах и его долях. Например, 1 см = 10–2 м,
1 мм = 10
–3
(Å) равен 10
м, 1 микрометр (мкм) = 10–6 м, 1 нм = 10
–10
м.
–9
м, 1 ангстрем
В зависимости от длины волны можно выделить следующие об-
ласти электромагнитного излучения.
Например, видимый спектр может иметь следующий вид (рис. 1).
Рис. 1. Схема получения видимой области спектра
Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением
ν = с/λ, где с – скорость света (3 · 10
8
м/с).
6 7
Глава 2
ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Инфракрасная спектроскопия (ИКС, ИК-спектроскопия) в настоящее время широко используется для определения качественного
и количественного составов вещества. Она является эффективным
методом исследования строения различных органических и неорганических соединений.
В отличие от ряда других методов при использовании метода
инфракрасной спектроскопии исследуемая система подвергается
слабым внешним воздействиям, поэтому информация, полученная
с
помощью ИКС, относится к системе, не претерпевшей изменений
в результате этих воздействий.
К достоинству метода следует отнести относительную простоту
эксперимента, высокую избирательность, возможность исследовать
не только кристаллические, но и аморфные вещества, а также образцы, такие как ткани, каучуки, пластмассы и т. п.
Метод ИК-спектроскопии позволяет получить обширные и
нообразные сведения о строении веществ, о влиянии атомных группировок на соединения, в состав которых они входят. Особенно
широко используется этот метод для решения такой актуальной проблемы, как изучение структуры поверхностных слоев на металлах
при исследовании сверхтонких поверхностных слоев (с толщины
порядка монослоя). В то же время имеется
информации о строении вещества с различной глубины исследуемого образца.
Достоинством ИК-спектроскопии является возможность использования ее при анализе многокомпонентных смесей, а также для количественного анализа.
Инфракрасные лучи были открыты в 1800 г. немецким астрономом Уильямом Гершелем. Однако лишь в 1892 г. Уильям Эбней,
британский химик и астроном
красного поглощения веществом определяется типом атомов и их
, первым заметил, что характер инфра-
возможность получения
раз-
расположением в молекулах. В самом начале ХХ в. американский
физик Кобленц сконструировал спектрометр и зарегистрировал инфракрасные спектры поглощения более ста твердых веществ, жидкостей и газов. С развитием современных инструментальных методов
и методов обработки информации ИКС становится все доступнее
при повышении информативности. Сейчас существует множество
атласов и таблиц, позволяющих полностью
расшифровать состав
любой макромолекулы.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом приводит к изменению энергии молекулы. Этот эффект проявляется
в спектре вещества. Полная энергия молекулы состоит из энергии колебательной, вращательной, электронной и энергии электромагнитного спинового взаимодействия. Молекула исследуемого вещества
поглощает не все частоты инфракрасного излучения, а только те,
энергия
которых точно соответствует разности между двумя уровнями энергии связи, т. е. амплитуда данного колебания возрастает скачками. Таким образом, при облучении образца инфракрасным светом
с непрерывно меняющейся частотой молекулой поглощаются только
определенные участки спектра, вызывая растяжение или изгиб соответствующих связей. Луч, проходящий через вещество, ослабляется
в области поглощения. Регистрируя
интенсивность прошедшего излучения в зависимости от длины волны или волнового числа, получают кривую, на которой видны полосы поглощения. Это и есть
инфракрасный спектр.
Виды колебаний трехатомной линейной молекулы СО
приведе-
2
ны на рис. 2. На рис. 3 дана схема колебаний в нелинейной трехатомной молекуле Н
О.
2
Не все колебания сопровождаются поглощением инфракрасного излучения, т. е. активны в инфракрасном спектре поглощения.
Поглощение инфракрасного излучения обусловлено только теми
Рис. 2. Схема колебаний атомов трехатомной линейной молекулы СО
8 9
2
☻ ☻ ☻
☺ ☺ ☺ ☺ ☺ ☺
ν
3750–3250 см
Рис. 3. Схема колебаний атомов трехатомной нелинейной молекулы Н2О
ν3 ν
1
–1
3650–3150 см–1 1650–1600 см
2
–1
колебаниями, которые связаны с изменением дипольного момента.
В рассмотренных выше примерах активными будут колебания ν
и ν
для нелинейной трехатомной молекулы Н2О, ν2 и ν3 для линей-
3
ной трехатомной молекулы СО
активно. Молекулы типа N
. Колебание ν1 молекулы О=С=О не-
2
, O2, H2 не дают полос поглощения в ИК-
2
, ν2
1
спектре.
Все приборы для исследования ИК-спектров состоят из источников излучения, монохроматоров, приемников с усилителями и регистрирующих устройств. Источник ИК-излучения должен давать
сплошной спектр. В настоящее время источниками для получения
непрерывного ИК-спектра в диапазоне, представляющем интерес
для химика, служат тепловые
источники, излучаемая мощность которых является функцией температуры и излучательной способности (рис. 4, 5).
Исследование веществ методом ИК-спектроскопии включает три
основных этапа: приготовление образца, регистрация и интерпретация спектра. Методом ИК-спектроскопии можно исследовать ве-
Рис. 4. Исследовательский ИК-спектрометр Varian Scimitar 1000 FT-IR
Рис. 5. ИК-спектрометр M500-GRADIENT
щества в любом агрегатном состоянии. Растворы, газы помещаются
в специальные кюветы. Толщина слоя для газов – до 25 см, для растворов – 0,5 мм.
Определенные требования предъявляются к растворителям, применяемым в ИК-спектроскопии. Растворители не должны влиять на
материал кюветы и спектр исследуемого вещества, но должны обладать хорошим пропусканием, по меньшей мере
, в одной области
длин волн. Чаще всего в качестве растворителей используют четыреххлористый углерод или сероуглерод.
Существует несколько способов приготовления проб твердых образцов для снятия ИК-спектров: слой вещества наносят на соляную
(NaCl) подложку, приготовляют таблетки из смеси вещества с бромистым калием или суспензию в высокоочищенном минеральном
масле (вазелиновом
, парафиновом). Толщина поглощающего слоя
не должна превышать 0,05 мм.
Качественный анализ
Качественный анализ по ИК-спектрам проводится для идентификации чистых веществ или для определения степени чистоты. Также
к области качественного ИК-спектрального анализа относится установление структуры вещества, например, при изучении природных
соединений и синтетических продуктов.
ИК-спектр молекулы представляет собой
ряд узких полос поглощения, каждая их которых соответствует определенному колебанию
какой-либо группы атомов (рис. 6). У сложных многоатомных молекул количество основных колебаний велико (20 и более). Путем
сопоставления ИК-спектров, структуры химического соединения
10 11
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]