Оптические методы. СветопоглОщение

Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами, составляют обширную группу оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализируемых веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:

1. Атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.

2. Молекулярный абсорбционный анализ, основанный на изучении поглощения света молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спетрофотометрия, фотоколориметрия, фотометрия, ИК-спектроскопия).

3. Анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия).

4. Люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.

Все эти методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они и имеют существенные различия.

Из вышеперечисленных методов чаще других находит применение группа фотометрических методов анализа, в которую входят: спектрофотометрия, фотоколориметрия, фотометрия.

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 излучаемого светового потока молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией E ₁ в более высокое энергетическое состояние Е ₂. 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 Δ Е между квантовыми энергетическими уровнями в конечном (E ₂) и начальном (E ₁) состояниях поглощающей молекулы:

hv = Δ Е = Е ₂ – E ₁.

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 (скорость 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) или герцах (Гц). 1 Гц = 1 с^–1.

Длина волны λ измеряется в ангстремах (1 Å = 1×10^–8 см), микрометрах или микронах (1 мкм = 1 мк = 1×10^–6 м), нанометрах или миллимикронах (1 нм = 1 ммк = 1×10^–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 1 см пути излучения в вакууме, и определяется соотношением: θ = 1/λ.

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 фотометрический – анализ по поглощению полихроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра. Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.

Фотометрические методы подразделяют на прямые и косвенные. В прямых методах определяемый ион М с помощью реагента R переводят в светопоглощающее соединение MR, а затем измеряют интенсивность светопоглощения раствора этого соединения. При косвенных определениях используют вспомогательные соединения, которые при взаимодействии с определяемым веществом либо разрушаются сами, либо образуют новые светопоглощающие соединения.

Данная группа методов основана на количественном определении компонентов, способных поглощать свет. Хорошо поглощают свет окрашенные растворы. Поэтому при выполнении фотометрического анализа определяемые компоненты при помощи химических реакций переводят в соединения, дающие стойкие цветные реакции.

Различают три группы способов измерения концентрации окрашенного соединения в растворе:

- визуальный, путем сравнения интенсивности окраски исследуемого раствора с эталонными растворами, концентрации которых известны;

- поглощение света измеряют при помощи приборов с фотоэлементами – фотометрами (ФЭК);

- поглощение света измеряют при помощи приборов – спектрофотометров. В них кроме фотоэлемента, с помощью которого измеряют ослабление интенсивности светового потока, имеется призма или дифракционная решетка, а также щель, что позволяет выделить узкий участок спектра, а именно тот, с которым оптически реагирует окрашенное вещество.