Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Фотометрия.docx
Скачиваний:
465
Добавлен:
24.03.2016
Размер:
1.59 Mб
Скачать

Абсорбционные методы. Фотометрия

Рассматриваемые методы относятся к физическим (УФ- и ИК-спектрофотометрия) или к физико-химическим (фотоэлектроколориметрия). Они широко используются как для установления структуры новых биологически активных веществ, так и на различных стадиях контроля качества лекарственных средств.

1.2.1 Общие теоретические положения. Электромагнитный спектр и его характеристика

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу: волновую и корпускулярную. Скорость распространения Электромагнитных волн в вакууме является константой, численное значение которой составляет 3·1010 см/сек. Хотя эта величина и является постоянной, частота и длина волны излучения могут быть переменными. Между этими величинами существует зависимость, выражаемая уравнением:

С = λ · ν (1), где

С – скорость света в вакууме;

ν – частота колебаний, имеет размерность С-1 или Гц (герц);

λ – длина волны излучения, выражаемая в долях метра: см, мкм (10-6), нм (10-9 м) и ангстремах (Å = 10-10 м);

В УФ- и видимой областях длину волны обычно выражают в нм (нанометрах), в ИК-области – мкм (микрометрах) или волновых числах, ν’.

Волновое число – это число волн, приходящееся на 1 см длины светового луча, оно прямо пропорционально частоте, а, значит, и энергии квантов:

ν’ = =· ν (2)

ν’ имеет размерность см-1 (обратные сантиметры).

Из уравнения (1) следует, что существует обратно пропорциональная зависимость между частотой и длиной волны.

Испускание и поглощение электромагнитного излучения происходит квантами, энергия которых описывается уравнением:

ΔЕ = h · ν = h · (3), где

h – постоянная Планка (6,5 · 10-27 эрг/сек).

Из уравнения (3) следует, что энергия кванта пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна длине волны.

Электромагнитные волны охватывают гораздо больший диапазон длин волн, чем воспринимает человеческий глаз. Длины волн измеряются от километров для радиоволн до величины порядка 10-8 см для рентгеновских лучей, но не следует думать, что даже эти величины являются верхней и нижней границами: γ-лучи имеют еще более короткие волны, чем рентгеновские, тогда как на другом конце спектра радиоволны постепенно приобретают характер переменных электрических токов.

Основные области электромагнитного спектра, расположенные в порядке уменьшения энергии (увеличения λ) представлены в табл. 1.

Из таблицы 1 и уравнения (2) следует, что с уменьшением λ увеличивается Е электромагнитного излучения, что определяет характер взаимодействия электромагнитных волн с исследуемым веществом.

Использование указанного в таблице интервала спектра в аналитических целях обусловлено тем, что излучение в каждой из областей обладает энергией, соизмеримой с энергией связей химических соединений. Более коротковолновое излучение может приводить к разрушению связей в молекулах, а более длинноволновое слабо взаимодействует на химические связи и поэтому не дает информации о строении молекулы.

Каждый из интересующих нас процессов возбуждения молекул квантован, то есть возбужденное состояние отделено от основного состояния дискретными, определенными количествами энергии. Поэтому молекула не может поглотить все «типы» частот спектра электромагнитного излучения, она может поглощать только те частоты, которые соответствуют энергии (ΔЕ), требующейся для ее возбуждения при переходе с одного на другой, более высокий энергетический уровень. Это, в свою очередь, позволяет нам отнести определенные частоты поглощения к определенным типам переходов.

Каждая основная область электромагнитного спектра связана, по крайней мере, с одним типом переходов. Например, поглощение в видимой и ультрафиолетовой областях приводит к переходам электронов из основного электронного состояния в возбужденное электронное состояние, а поглощение инфракрасного излучения определенной частоты вынуждает связанные атомы колебаться относительно их средних положений.

Как происходят взаимодействие вещества с электромагнитным излучением? В соответствии с квантово-механическими представлениями электроны в молекулах органических соединений могут располагаться на связывающих, несвязывающих и разрыхляющих орбиталях. На связывающих орбиталях располагаются электроны, участвующие в образовании валентных связей – σ, π-электроны. σ-электроны участвуют в образовании простых (одинарных связей) π-кратных (двойных и тройных). На несвязывающих орбиталях располагаются электроны, не участвующие в образовании химических связей – это n-электроны; ими являются свободные электроны пары гетероатомов – O, N, Hal. Расположение электронов на связывающих и несвязывающих орбиталях соответствует основному состоянию молекулы. Нахождение электронов на разрыхляющих – возбужденному, которое возникает при поглощении молекулой определенного количества энергии. При возбуждении возможен переход электронов с одних орбиталей на другие, что можно выразить схемой, представленной на рис. 1.

С точки зрения квантовой механики разрешенными являются следующие переходы:

σ → σ* n → σ*π → π*n → π*

Различные электронные переходы требуют неодинаковой энергии, поэтому полосы в спектре поглощения располагаются при разных длинах волн. Наибольшей энергии требуют σ → σ* переход, связанный с возбуждением внутренних электронов σ- связи. Он соответствует поглощению в далекой УФ-области, такие переходы наблюдаются в насыщенных соединениях – алканах (область 160-180 нм).

Переход n → σ* связан уже с меньшими затратами энергии, полосы поглощения располагаются в области 200-300 нм. Еще меньшая энергия требуется для перехода на разрыхляющих π* - орбиталь; переходы n → π* и π → π* встречаются в молекулах соединений с сопряженными связями, в том числе в молекулах ароматических соединений.

Таким образом, в общем случае энергия разрешенных правилами отбора электронных переходов системы возрастает в последовательности:

n → π* < π → π* < n → σ* < σ → σ*

Следовательно, существенными элементами, обуславливающими наличие электронных спектров органических молекул, является кратная связь и неподеленная электронная пара. Их наличие, многочисленные сочетания в молекулах с разнообразными заместителями объясняют совокупность электронных спектров органических соединений. Группировки, содержащие в своем составе сопряженные двойные связи и неподеленные пары электронов, называются хромофорами.

Электронные переходы, вызванные поглощением определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием определенных полос поглощения в электронных спектрах атомов или молекул.

Природа полос поглощения в УФ (200-400 нм) и видимой (400-800 нм) областях спектра одинакова и связана, главным образом, с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. Вещества, поглощающие только в УФ-области, для человеческого глаза являются бесцветными.

Путем изучения модельных соединений были определены длины волн УФ- и видимого света, поглощаемые тем или иными структурными элементами (хромофорами). Ориентировочные значения максимумов поглощения некоторых хромофоров приведены в табл. 2.

На положение максимума поглощения хромофоров влияют и другие группы, усиливающие светопоглощение хромофорами. Такие группы называются ауксохромами. Они могут быть электродонорными (-ОН, -NН2, - ОСН3, -NHCH3, -N(СН3)2) и электроноакцепторными (-SO2NH2, -COOH, -NO2, простая и сложноэфирная группы).

При облучении исследуемого вещества электромагнитным излучением с постепенно изменяющейся λ (или энергией) можно проследить изменение интенсивности его поглощения. Графическое изображение этой зависимости – называется спектром. Он может быть построен как график зависимости оптической плотности (D), коэффициента поглощения (или его логарифма) от длины волны света, падающего на исследуемый образец. Область интенсивного поглощения в нем называется полосой, максимумом поглощения. Длина волны, при которой наблюдается максимум, обозначается λmax, ее называют также аналитической длиной волны. В спектрах может наблюдаться от одного до нескольких максимумов, соответствующих различным типам электронных переходов.

Поглощение называют характеристическим, если оно вызывается определенной группой атомов, причем характер поглощения относительно мало изменяется с изменением остальной части молекулы.

Наличие в спектрах характеристических полос поглощения позволяет обнаружить в веществе определенные структурные элементы и, таким образом, сделать вывод о строении органического соединения.

Вид спектральной кривой зависит от растворителя, от наличия в молекуле исследуемого вещества тех или иных заместителей, от поведения вещества в растворе (в частности, от способности образовывать внутри- и межмолекулярные водородные связи, от наличия или отсутствия динамической изомерии и т.д.).

Все эти факторы могут вызвать сдвиг λmax и изменение интенсивности поглощения. Для характеристики подобных изменений применяют специальные термины.

Если полоса поглощения смещается в сторону более длинных волн, говорят о батохромном смещении или углублении окраски (красное смещение), а если полоса поглощения сдвигается в сторону более коротких волн, эффект называется гипсохромным или повышением окраски (голубое или синее смещение).

Таблица 2