Метрологічні характеристики спектрофотометричного методу

Нижня границя визначуваних концентррацій. Мінімальне значення оптичної густини, яке можна виміряти з необхідною точністю (s_r < 0,33), становить порядку 0,01, а величини l, використовувані в аналітичній практиці, 1 см. Звідси мінімальні значення концентрацій, зумовлених спектрофотометричним методом, становлять 10^–7 М (у більшості випадків вимірюють концентрації 10^–6–10^–4 М, або 10^–1–10¹ мкг/мл). Спектрофотометричний метод відноситься до среднечутливих.

Відтворюваність. Випадкові погрішності, що зумовлюють відтворюваність результатів фотометричних визначень, викликані погрішностями при готуванні аналізованих розчинів; повнотою переведення визначуваного компонента у фотометрируєму сполуку; впливом сторонніх компонентів тощо.

Для визначення концентрації з погрішністю, що не перевищує подвоєної мінімальної, треба вимірювати оптичну густину в діапазоні 0,1–1,0. При роботі на приладах з менш монохроматичним випромінюванням, чим на спектрофотометрах (наприклад, на фотоэлектроколориметрах), діапазон звужується до 0,1−0,7. При вимірі дуже низьких або дуже високих значень Т погрішність різко зростає.

Селективність. Найважливішим фактором, що обмежує селективность у спектрофотометрії, є спектральна ширина молекулярних смуг поглинання в розчинах (яка досягає десятків нанометрів) і пов'язана із цим висока ймовірність спектральних перешкод − перекривання спектрів компонентів, поява аддитивних систематичних погрішностей (фізико-хімічні перешкоди в спектрофотометрії грають звичайно меншу роль). Крім того, спектр поглинання комплексу часто зумовлений поглинанням реагенту. Тому ці методи є неселективними. Селективність підвищують на стадії пробопідготовки − вибором реагенту, селективно взаємодіючого з визначуваною речовиною з утворенням пофарбованого продукту, а також умов визначення (варіювання рН, маскування), розділенням компонентів.

Метод молекулярної абсорбційної спектроскопії широко використовується при аналізі всіх типів вод на вміст катіонів металів та їхніх комплексів, аніонів. Наприклад, їм визначають домішки іонів заліза, міді, нікелю, фосфат-, сульфат-, хромат і інші іони в стічних і природних водах.

3. Інфрачервона спектроскопія Походження іч-спектрів

Якщо молекула поглинає фотон з енергією менше 80 кДж/моль, то цієї енергії вистачає лише на зміну коливань атомів, але не на електронний перехід, і молекула переходить із одного коливального стану в інший, що відповідає спектральній лінії ІЧ-області. Для зображення ІЧ-спектрів використовують залежність пропущення Т у відсотках від частоти (мал. 4.).

Рис. 3. ІЧ-спектр полістиролу

Розрізняють кілька типів коливань атомів у багатоатомній молекулі: валентні (симетричні і антисиметричні) і деформаційні різних видів (мал. 5 а – в). При валентних коливаннях змінюється довжина зв'язків (відстань) між атомами, при деформаційних коливаннях − кут між зв'язками без зміни їх довжини.

Рис. 4. Коливання атомів у трьохатомній молекулі SО₂: а – валентно-симетричні; б – валентно-антисиметричні; в – деформаційні

Необхідна умова коливального переходу – зміна дипольного моменту молекули при коливаннях атомів. Симетрична молекула, що не має дипольний момент, не може поглинути ІЧ-випромінювання. Приклади таких молекул – двохатомні молекули з ковалентним зв'язком (Н₂, О₂, галогени, молекули з симетрично валентними коливаннями атомів і т.д.).

У деяких молекул дипольний момент зۥявляється при зміні типу коливань атомів (при поляризації).

Коливальні переходи обовۥязково супроводжуються обертальними, тому коливальна спектральна лінія перетворюється в смугу, що складається з безлічі ліній, а ІЧ-спектр є набором смуг поглинання.

Ширина коливальних смуг менше електронних, оскільки різниця енергій обертальних підрівней менше, ніж коливальних.

Із всіх коливальних переходів найбільш імовірним є перехід на найближчий коливальний підрівень. Йому відповідає спектральна лінія, яка називається основной. Менш імовірні переходи на більше високі коливальні підурівні. Їм відповідають спектральні лінії − обертони. Їх частота в 2, 3 і т.д. раз більше, ніж частота основної лінії, а інтенсивність набагато менше.

Кожний тип коливань характеризується певною енергією. Валентні коливання відповідають більше високим енергіям, чим деформаційні, і, отже, смуги валентних коливань лежать у більше короткохвильовій області.

У табл. 1 наведені довжини хвиль і частоти смуг поглинання для деяких найбільш відомих зв'язків і груп. Положення смуг у спектрах речовин допомагає встановити наявність тої або іншої функціональної групи в сполуці. Однак присутність у молекулі інших атомів може викликати певний зсув смуги. Таким чином, кожна сполука буде мати свій характерний ІЧ-спектр.

Таблиця 1. Положення смуг поглинання в ІЧ-області

Зв'язок, група	Вид коливань	Інтенсивність	Довжина хвилі, мкм	Хвильове число, см–1
С– Н	Валентні	Велика	3, 0-3,7	2700-3300
С– Н	Деформаційні	Велика	6, 8-7,7	1300-1500
О– Н	Валентні	Велика	2, 7-3,3	3000-3700
О-Н	Деформаційні	Середня	6, 9-8,3	1200-1500
С=С	Валентні	Середня	5, 9-6,3	1600-1700
С=О	»	Середня	2, 8-3,0	3300-3600
С=О	»	Слабка	1, 9-2,0	5000-5300
С=N	»	Середня	5, 9-6,3	1600-1700

На положення смуг можуть вплинути умови експерименту (наприклад, агрегатний стан, розчинник) і реєстрації спектра, тому віднесення смуг поглинання до того або іншого зв'язку є важким завданням. Невідому сполуку ідентифікують, порівнюючи його спектр зі спектрами відомих сполук, знятих у тих же умовах. ІЧ-Спектри багатьох сполук зареєстровані й зібрані в спеціальних атласах, якими користуються при ідентифікації сполук і аналізі сумішей речовин.

Будова ІЧ-спектрофотометрів

Для роботи в ІЧ-області використовують ІЧ-спектрофотометри. Основними вузлами ІЧ-сСпектрофотометра є джерела випромінювання (наприклад, у ближньої ІЧ-області використовують лампу накалювання), монохроматори (призми з монокристаллів речовин, прозорих у досліджуваній області, дифракційні решітки й інтерферометри), кювети й детектори.

Скляні й кварцові кювети й водні розчини не використовують, оскільки вода, скло й кварц поглинають ІЧ-випромінювання. Замість них підбирають інші розчинники або знімають спектр твердої речовини, розтираючі її з вазеліном або іншим твердим матеріалом. Кювети виготовляють із оптичного скла, пластинок хлориду натрію, закріплених у металевому кожусі для неводних зразків, для роботи з деякими розчинами використовують пластини із хлориду срібла. Якщо тверда проба не розчинна у звичайних розчинниках, її суспендують у вазеліні, інших маслах або змішують із порошком броміду калію й пресують у вигляді таблетки. Суспензію вводять у проміжок між пластинами із хлориду натрію, а таблетку поміщають прямо в кюветне відділення.

Детектування сигналу в ІЧ-області засновано на виділенні теплоти при поверненні молекул зі збудженого коливального стану в основне. Для цього теплову енергію перетворять в електричний сигнал, частіше за допомогою термопари.

Застосування ІЧ-спектроскопії. ІЧ-спектрометрія залишається неперевершеним методом ідентифікації й дослідження будови органічних і деяких неорганічних сполук.

При ідентифікації знімають спектр досліджуваної речовини, виписують частоти смуг поглинання й оцінюють їх інтенсивність у максимумах поглинання. Отримані дані порівнюють із табличними, користуючись атласами спектрів.

Метод широко застосовують при дослідженні різноманітних органічних компонентів ґрунтів, з яких більшу частину становлять гумусові кислоти − азотвмісні оксикарбонові полікислоти.