Способы определения концентраций
1) Метод градуировочного графика.
2) Метод добавок.
3) Дифференциальный метод - для снижения случайной погрешности измерения в области больших и малых значений А.
В этом методе в кювету сравнения помещают не растворитель или холостой раствор, а раствор определяемого вещества с известной концентрацией. Настройку прибора на нуль проводят с помощью поглощающих растворов. Причем в качестве раствора сравнения может быть выбран как первый раствор серии эталонов, так и любой из них. В последнем случае говорят о методе двухсторонней дифференциальной спектрофотометрии.
ИК-спектроскопия
Метод ИК-спектроскопии так же, как и спектрофотометрия, является молекулярным абсорбционным методом.
Если молекула поглощает фотон с энергией менее 80 кДж/моль, то этой энергии хватает лишь на изменение колебаний атомов, но не на электронный переход. Молекула переходит из одного колебательного состояния в другое, а соответствующая спектральная линия поглощения лежит в ИК-области.
Необходимое условие колебательного перехода – изменение дипольного момента молекулы при колебаниях атомов. Симметричная молекула, не обладающая дипольным моментом, не может поглотить ИК-излучение. Примеры таких молекул – двухатомные молекулы с ковалентной связью (Н2, N2, галогены и т.д.).
Колебательные переходы обязательно сопровождаются вращательными, поэтому колебательная спектральная линия превращается в полосу, состоящую из множества линий, а ИК-спектр представляет собой набор полос поглощения.
частота
интенсивность поглощения ИК-излучения - пропускание Т в процентах.
ИК-спектр вещества – неповторим и индивидуален только для данного вещества.
Спектры содержат определенные полосы, характерные для колебаний определенных атомов или групп атомов в молекуле.
Частоты, соответствующие этим полосам, называют характеристические. Различные молекулы, содержащие одну и ту же связь или одну и ту же атомную группировку, будут давать в ИК-спектре полосы поглощения в области одной и той же характеристической частоты. Например, полосы в области спектра 3000 – 3600 см-1 могут быть приписаны только О–Н или N–H связям. Отсутствие полос в этой области спектра свидетельствует об отсутствии этих групп в веществе.
Неизвестное соединение идентифицируют, сравнивая его спектр со спектрами известных соединений, снятых в тех же условиях. ИК-спектры множества соединений зарегистрированы и собраны в специальных атласах.
ИК-спектроскопия остается непревзойденным методом идентификации и исследования строения органических и некоторых неорганических соединений. По ИК-спектрам можно судить о составе сложных смесей органических веществ. Так, метод широко применяют при исследовании органических компонентов почв, из которых большую часть составляют гумусовые кислоты – азотсодержащие оксикарбоновые кислоты
Блок-схема ИК-спектрометра
| 1 – источник ИК-излучения | · штифт Нернста (стержень из смеси оксидов РЗЭ - церий, цирконий, торий, иттрий) - нагревают до 1500°С (1 – 15 мкм); · глобар – стержень из карбида кремния, нагреваемый до 1300°С (до 30 мкм). |
| 2 – зеркала | |
| 3 – модулятор | |
| 4 – кювета 5 – кювета сравнения | В отличие от спектрофотометров для УФ- и видимой областей пробу помещают перед монохроматором, что уменьшает рассеянное излучение. В ИК-области нельзя использовать стеклянные и кварцевые детали и нельзя работать с водными растворами, поскольку вода, стекло и кварц поглощают ИК-излучение Пробу растирают с вазелиновым маслом или готовят таблетки с KBr. Кюветы изготовляют из LiF, NaCl, KBr (прозрачны в ИК-области). Для работы с органическими растворами используют две пластинки из хлорида натрия, закрепленные в металлическом кожухе. Для работы с водными растворами используют пластины из хлорида серебра. Твердые соединения растворяют в органическом растворителе, не поглощающем в исследуемой области спектра (CCl4, CHCl3, CS2). Если твердая проба не растворима в обычных растворителях, ее суспендируют в вазелине, нуйоле и других маслах или смешивают с порошком бромида калия и прессуют в виде таблетки. Суспензию вводят в промежуток между пластинами из хлорида натрия, а таблетку помещают прямо в кюветное отделение |
| 6–монохроматор | призмы из монокристаллов NaCl, KBr, CsBr, а также дифракционные решетки |
| 7– детектор | Детектирование сигнала в ИК-области основано на выделении теплоты при возвращении молекул из возбужденного колебательного состояния в основное. · термопара (термоэлементы) - используется термо-ЭДС, возникающая при изменении температуры спая между металлами и сплавами (например, медь – константан, серебро – висмут) под действием ИК-излучения; · болометр - изменение электросопротивления материала при нагревании; · термистор |
| 8 – индикатор |
ИК-излучение подчиняется законам светопоглощения, что можно использовать для количественного определения веществ, обычно применяют метод градуировочного графика.
При получении значения Т, особенно для смеси веществ, часто пользуются методом базисной линии, поскольку фон в ИК-области может быть достаточно высоким.
Люминесцентный анализ
Люминесцентный метод анализа основан на измерении интенсивности свечения атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц при их возбуждении различными видами энергии, чаще всего квантами УФ- и видимого излучения.
В зависимости от способа возбуждения частиц различают:
| Способ возбуждения | Вид люминесценции |
| Электромагнитное излучение (УФ, видимый свет) | Фотолюминесценция |
| Энергия химических реакций | Хемилюминесценция |
| Энергия химических реакций, протекающих в живых организмах | Биолюминесценция |
| Рентгеновское излучение | Рентгенолюминесценция |
| Электрическая энергия | Электролюминесценция |
Люминесценция – один из самых чувствительных методов анализа – применяется для определения следовых количеств элементов, этот метод позволяет определять от 10 до 10–4 мкг/мл вещества
Метод используют для обнаружения и определения многих неорганических (редкоземельных элементов, а также малых количеств примесей в полупроводниковых материалах) и органических соединений (витамины, лекарства, наркотики).
Молекула поглощает квант света и переходит из основного состояния S0 в возбужденное электронное состояние S1.
Cхема энергетических переходов молекулы, иллюстрирующая возникновение флуоресценции (а) и фосфоресценции (б)
При комнатной температуре молекулы находятся в основном колебательном состоянии. Переходя в возбужденное состояние, молекула попадает на один из его колебательных уровней. Затем за 10-12с происходит переход электрона на нижний колебательный подуровень возбужденного состояния (короткая волнистая стрелка). Этот процесс называют колебательной релаксацией. Возвращение молекулы из нижнего колебательного состояния S1 в невозбужденное состояние S0 может произойти тремя путями:
1) потеря молекулой энергии в виде теплоты в результате столкновений с другими частицами (длинная волнистая стрелка на рисунке а);
2) возвращение молекулы на любой колебательный подуровень основного состояния с испусканием энергии в виде кванта света без изменения спина электрона – флуоресценция (длинная стрелка на рисунке а);
3) переход молекулы из возбужденного состояния S1 в метастабильное состояние Т1, а затем в основное S0 либо в результате внутренней конверсии с выделением теплоты (длинная волнистая стрелка на рисунке б), либо с выделением кванта света – фосфоресценция (длинная стрелка на рисунке б). Флуоресценция наблюдается гораздо чаще фосфоресценции, особенно в жидких растворах. Интенсивная фосфоресценция наблюдается у органических соединений в замороженном или в стекловидном состоянии, когда диффузия минимальна.
Основные закономерности молекулярной люминесценции.
1. Независимость спектров люминесценции от длины волны возбуждающего света. Это понятно, если вспомнить, что излучение всегда происходит с низшего колебательного уровня первого возбужденного состояния независимо от того, какой квант поглощается молекулой и на какой энергетический уровень она при этом перейдет.
2. Закон Стокса – Ломмеля спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн
Потеря части энергии поглощаемых квантов света на безизлучательные процессы приводит к тому, что испускаемый квант имеет меньшую энергию и, следовательно, бόльшую длину волны, чем поглощенный
3. Правило зеркальной симметрии В.Л. Левшина - спектры поглощения и люминесценции зеркально симметричны относительно прямой, проходящей через точку пересечения перпендикулярно оси частот.
Интенсивность люминесценции при постоянстве квантового выхода люминесценции Вкв и интенсивности возбуждающего излучения:
Ilum = kC,
где С – концентрация флуоресцирующего вещества.
При большой концентрации эта прямолинейная зависимость может не выполняться, наблюдается явление тушения люминесценции. Уменьшение квантового выхода люминесценции называют тушением.
Причины тушения:
– концентрационное тушение вследствие химических изменений в системе. Например, в результате агрегации молекул могут получиться ассоциаты, не обладающие способностью люминесцировать либо имеющие другие измененные спектральные характеристики.
– температурное тушение, которое обусловлено увеличением колебательной энергии молекул и возрастанием вероятности безизлучательного перехода.
– тушение в присутствии примесей. Например, железо, никель и кобальт оказывают сильное тушащее действие на свечение кристаллофосфоров (CaSO4, CaS, SrS, ZnS, CdS и др.) в концентрации 10-5 – 10-6 %. Их называют люминесцентными ядами. Наблюдаемый эффект дает возможность определять железо, никель и кобальт с высокой чувствительностью. Люминесценцию кристаллофосфоров применяют в аналитической практике как высокочувствительный и селективный метод определения лантанидов, урана, некоторых d-переходных элементов.
Приборы для люминесцентного анализа называются флуориметры.Особенность – люминесценцию регистрируют под прямым углом
Блок-схема флуориметра
1 – источник (ртутно-кварцевая лампа);
2 – первичный светофильтр - пропускает излучение с длинами волн возбуждения;
3 – кювета с пробой;
4 – вторичный светофильтр - пропускает люминесцентное излучение и задерживает возбуждающее и рассеянное излучение;
5 – детектор (фотоумножитель)