3.2.3. Теоретические основы фотометрических методов

В аналитической абсорбционной спектрофотометрии исполь­зуется поглощение монохроматического света. Монохроматическим называется излучение, характеризующееся только одной длиной волны. Для разложения полихроматического излучения на моно­хроматические пучки в случае видимого и ультрафиолетового из­лучения используются призмы и дифракционные решетки спектро­фотометров.

Спектрофотометрический и калориметрический методы, являясь разделами абсорбционного анализа, основаны на фи­зическом свойстве веществ, заключающемся в избирательном поглощении ими монохроматического потока световой энер­гии. Это методы количественного анализа, но они не позво­ляют непосредственно измерять массу вещества, как это имеет место в весовом и объемном анализе. При помощи спектрофотометрического и колориметрического методов из­меряется «светопоглощение» раствора или интенсивность его окраски, которые непосредственно связаны с концентра­цией вещества в растворе, то есть с массой вещества. Таким образом, мы измеряем доступный параметр, косвенно свя­занный с массой.

Монохроматический поток световой энергии, попадая на объект, частично поглощается, отражается и проходит через слой вещества. Интенсивность первоначального монохрома­тического излучения при прохождении через кювету с погло­щающим раствором разлагается на сумму интенсивностей излучений  прошедшего через объект (кювету с раствором), поглощенного объектом и отраженного стенками кюветы и растворителем, применяемым для растворения объекта:

,

где I₀ – интенсивность первоначального монохроматического излучения, падающего на объект; I_t –_­­­­­­­­­­­­­­ интенсивность монохроматического излучения, прошедшего через объект; I_a – интенсивность поглощенного объектом монохроматиче­ского излучения; I_r – интенсивность монохроматического из­лучения, отраженного стенками кюветы и растворителем.

Величина I_r слагается из двух величин: I_r1 – интенсив­ности монохроматического излучения, отраженного стенками кюветы и I_r2 – отраженного растворителем. Измерение интенсивности потока световой энергии, про­шедшего через исследуемый раствор, всегда производится относительно раствора сравнения или «нулевого» раствора, при приготовлении и исследовании которого используется ра­створитель и кюветы, аналогичные применяемым для приго­товления и исследования испытуемого раствора. Таким обра­зом, величина I_r может быть в целом исключена. По той же причине мы не принимаем во внимание поглощение светового потока стенками кюветы.

Зависимость между ослаблением интенсивности направ­ленного параллельно монохроматического потока световой энергии и толщиной поглощающего слоя, установленная Бугером в 1729 г., подтвержденная Ламбертом в 1760 г., и составляет сущность первого закона светопоглощения:

Относительное количество поглощенного пропускающей средой света не зависит от интенсивности падающего излуче­ния. Каждый слой равной толщины поглощает равную долю проходящего монохроматического потока световой энергии.

Второй закон светопоглощения дан Бером в 1852 г. и вы­ражает связь между интенсивностью монохроматического по­тока световой энергии и концентрацией вещества в погло­щающем растворе:

Поглощение потока световой энергии прямо пропорцио­нально числу молекул поглощающего вещества, через кото­рое проходит поток световой энергии.

Объединенный закон Бугера – Ламберта – Бера выражается следующим уравнением:

(3.4)

или

, (3.5)

так как k=ec, где е называют молярным коэффициентом по­глощения. Если концентрация раствора составляет 1 моль/л и l=1 см, то е=D. Величину D называют оптической плотностью поглощающего вещества:

. (3.6)

Таким образом, закон Бугера – Ламберта выражает про­цесс светопоглощения при постоянной концентрации веще­ства в растворе и различной толщине слоя, и закон Бера – ту же зависимость при постоянной толщине слоя испытуемого раствора и различной концентрации вещества в растворе.

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

. (3.7)

Оптическая плотность D и пропускание (прозрачность) Т связаны уравнением:

D= - lgT . (3.8)

Обычно величину Т выражают в процентах, тогда

. (3.9)

Величины D и T зависят от длины волны и концентрации вещества в растворе (рис.3.1 и 3.2).

Прямолинейная зависимость оптической плотности и про­пускания от концентрации вещества в растворе имеет место при условии подчинения растворов закону светопоглощения (рис.3.2). При этом кривые спектров поглощения (D-, Т-) имеют одну и ту же форму независимо от толщины слоя раствора или концентрации вещества в растворе (рис.3.1) и характеризуются сохранением положения макси­мума при одной и той же длине волны.

П рямо пропорциональная зависимость между величинами, характеризующими процесс светопоглощения (D или T), толщиной поглощающего слоя и концентрацией вещества в растворе может быть получена только при постоянном мо­лярном коэффициенте поглощения (е) для ряда растворов с различной концентрацией одного и того же вещества.