Фотометрические методы анализа. Цветность веществ

В фотометрических методах используют избирательное поглощение света молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энергия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате поглощения излучения молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией E₁ в более высокое энергетическое состояние Е₂. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул. Причем поглощение света происходит только в том случае, когда энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ∆Е между квантовыми энергетическими уровнями в конечном (E₂) и начальном (E₁) состояниях поглощающей молекулы:

hv = ∆Е = Е₂ – E₁

Здесь h – постоянная Планка (h = 6,625•10^–34 Дж•с); v – частота поглощаемого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выражается отношением скорости распространения излучения с (скорости световой волны в вакууме с = 3•10¹⁰ см/с) к длине волны λ; v = с/λ. Частота излучения v измеряется в обратных секундах (с^–1), герцах (Гц). 1 Гц = 1 с^–1. Длина волны λ измеряется в ангстремах (1 Е = 1•10^–8 см), микрометрах или микронах (1 мкм = 1 мк = 1•10^–6 м), нанометрах или миллимикронах (1 нм = 1 ммк = 10 Е = 1•1^–9 м).

Энергия излучения характеризуется электромагнитным спектром, охватывающим область от километровых радиоволн до десятых долей ангстрема γ-излучения и космических лучей. Для характеристики участка спектра часто используют также волновое число θ, которое показывает, какое число длин волн приходится на 1см пути излучения в вакууме, и определяется соотношением: θ = 1/λ.

Цвет вещества определяется совокупностью явлений рассеяния и поглощения света его частицами. В случае селективного поглощения света частицами на каком-либо участке видимой области спектра электромагнитных колебаний рассеянный свет, попадающий в органы зрения человека, вызывает ощущения цвета. Видимая область спектра приходится на интервал частот электромагнитных колебаний от 4,0*10¹⁴ до 7,9*10¹⁴с-1 (длины волн 760—380 нм). Объект, равномерно рассеивающий либо полностью или частично поглощающий свет во всей видимой области спектра, является бесцветным (белым, черным или серым). Если вещество поглощает какую-то часть спектра, то оно будет окрашено в цвет, дополнительный к поглощенному (таблица 1). Дополнительными называют цвета, способные при сложении давать белый цвет.

Таблица 1. Зависимость цвета вещества от характеристик поглощенного света

Природа полос поглощения в ультрафиолетовой (10–400 нм) и видимой (400–760 нм) областях спектра одинакова и связана главным образом с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. В инфракрасной области (0,8–1000 мкм) она в большей степени связана с колебаниями атомов в молекулах поглощающего вещества.

В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе различают спектрофотометрический метод – анализ по поглощению монохроматического света и фотоколориметрический – анализ по поглощению полихроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра. Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.