1.5. Фотоколориметрический метод анализа.

Фотоколориметрическим называется метод анализа, основанный на измерении поглощения света веществом. В самом общем виде энергия одной молекулы за вычетом кинетической энергии ее поступательного движения складывается из вращательной энергии молекулы, колебательной энергии составляющих ее атомов, энергии электронов, входящих в электронные оболочки атомов и энергии, заключенной в ядрах атомов:

ε = ε_{вращат.} + ε_колеб. + ε_{электр.} + ε_ядер .

Взаимодействие квантов электромагнитного излучения с молекулами вещества приводит к изменению их энергетического состояния (энергия ядер при этом остается постоянной и поэтому Δε_ядер = 0):

Δε = Δε_{вращат.} + Δε_колеб. + Δε_{электр.}.

Изменение энергии одного моля таких молекул в N_A = 6.0210²³ раз больше и также является суммой:

ΔE = Δε ·N_A = ΔE_{вращат.} + ΔE_колеб. + ΔE_{электр.} .

Вращательные уровни энергии молекул расположены достаточно близко друг к другу, поэтому величина ΔE_{вращат.} мала и составляет менее ~0.5 кДж/моль. Величины ΔE_колеб. и ΔE_{электр.} значительно больше и составляют ~6  8 кДж/моль и ~120  800 кДж/моль, соответственно.

Поглощение энергии квантов микроволнового излучения с длиной волны более ~300000 нм и энергией не более ~0.5 кДж/моль увеличивает лишь энергию вращательного движения молекул. В соответствии с условием резонанса поглощаются только те кванты, энергия которых удовлетворяет условию

hν = ΔE .

При этом возникают вращательные спектры поглощения молекул.

Энергии квантов инфракрасного излучения достаточно для изменения как вращательной, так и колебательной энергии молекул, поэтому при облучении вещества таким излучением возникают вращательно-колебательные, или ИК-спектры.

К ванты видимого света (длина волны от ~400 до ~760 нм) и ультрафиолетового излучения (длина волны менее ~400 нм) имеют энергию достаточную для увеличения энергии электронных оболочек молекул. В самом общем виде энергетические уровни электронов в молекуле можно представить следующим образом.

Если внешние электроны в молекуле находятся только на связывающих молекулярных орбиталях, как в молекулах насыщенных углеводородов, при поглощении энергии происходит переход одного из них на разрыхляющую ^*молекулярную орбиталь. Величина ΔE для  − ^* перехода довольно велика, поэтому в данном случае поглощаются кванты только с очень большой энергией. Такой энергии соответствует жесткое ультрафиолетовое излучение с высокой частотой и малой длиной волны (λ_макс. < 15010^-9 м, или 150 нм), практически недоступной для серийных спектрометров. Если в молекуле вещества имеются группировки с заполненными связывающими молекулярными орбиталями, такие как C=C, N=N, N=C, C=O, C=S и т.д., при поглощении квантов электромагнитного излучения происходит переход одного из электронов на разрыхляющую молекулярную орбиталь. Величина ΔE в этом случае значительно меньше чем для  − ^* перехода, поэтому такие молекулы поглощают излучение с большей длиной волны, доступной для измерений, "видимой" для спектрометров. Такие группировки называются хромофорами (дословно  придающими окраску).

Формула	λмакс. , нм	Формула	λмакс. , нм
CH2=CH2	165		200
CH2=CHCH=CH2	217		286
CH2=CHCH=CHCH=CH2	250		375

Чем больше в молекуле сопряженных друг с другом хромофоров, тем меньше величина ΔE, тем больше длина волны поглощаемого излучения.

Если кроме хромофорных групп в молекуле имеются сопряженные с ними группировки, содержащие заполненные электронами несвязывающие n молекулярные орбитали (свободные электронные пары), появляется возможность для n перехода. Поскольку ΔE для него довольно мала, то длина волны поглощаемого излучения в таких молекулах значительно увеличивается. Группировки, сдвигающие поглощение в длинноволновую область, называются ауксохромами. Типичными ауксохромами являются атомы азота, входящие в аминогруппы, спиртовые и эфирные атомы кислорода, атомы галогенов и т.д.:

то есть группировки NH₂, OH, OR, Cl и другие. Типичным примером влияния ауксохрома на спектр поглощения молекулы является введение гидроксильной группы в молекулу нитробензола. Под влиянием ауксохрома OH полоса поглощения нитробензола смещается в длинноволновую область от 250 нм для нитробензола до 320 нм для п-нитрофенола:

.

Согласно закону светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера степень уменьшения интенсивности света пропорциональна числу поглощающих свет частиц. Если выделить элементарный объем с площадью S=1 см² и толщиной dl см, то входящий в него поток света с интенсивностью I Дж/см² уменьшится на величину dI:

где dN-число частиц в элементарном объеме dV = Sdl. Так как S=1 см², то dV = dl см³. Если концентрация поглощающих свет частиц равна C моль/л, то величина dN = CN_AdV 10^-3 частиц (N_A = 6.0210²³ моль^-1  число Авогадро) и значит

.

При прохождении света через слой среды толщиной l его интенсивность уменьшится от I_o до I . После интегрирования от I_o до I и от 0 до l можно получить

; или .

Если обозначить  оптическая плотность среды, в логарифмическом масштабе показывающая во сколько раз уменьшилась интенсивность света после прохождения через среду, а  молярный коэффициент экстинкции, численно равный оптической плотности среды с толщиной слоя 1 см и концентрацией частиц 1 моль/л, то закон светопоглощения можно записать как

Оптическая плотность среды пропорциональна мольной концентрации частиц поглощающих свет и толщине поглощающего слоя. Величина молярного коэффициента экстинкции зависит от свойств частиц и длины волны света. Зависимость коэффициента экстинкции от длины волны является характеристикой данного вещества и называется его электронным спектром поглощения.

П ри постоянной толщине поглощающего слоя (l) оптическая плотность D раствора вещества при данной длине волны пропорциональна его концентрации. График зависимости D от C называется калибровочным. Его строят, измеряя оптические плотности растворов с известной концентрацией вещества. Чаще всего график является линейным лишь в достаточно разбавленных растворах, в которых закон Бугера-Ламберта-Бера выполняется точно (ε = const). При относительно больших концентрациях вещества молярный коэффициент экстинкции не остается постоянным и линейность графика нарушается. Калибровочные графики используют для определения концентрации вещества (_Cx) в растворе путем измерения его оптической плотности (D_x). В области выполнения закона Бугера-Ламберта-Бера более удобным оказывается не графическое определение концентрации, а ее вычисление с использованием молярного коэффициента экстинкции, определяемого как тангенс угла наклона линейной части калибровочного графика:

.

Для повышения чувствительности фотоколориметрического метода и увеличения его точности измерения проводят при длине волны, соответствующей максимальному значению коэффициента экстинкции.