Основной закон светопоглощения (закон Бугера – Ламберта – Бера)

Молекулярные спектральные методы анализа

ПЛАН:

1. Классификация спектральных методов анализа

2. Спектрофотометрический метод анализа.

3. ИК-спектроскопия

4. Люминесцентный метод анализа

Классификация методов спектрального анализа

Все спектральные методы анализа основаны на использовании различных явлений, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения.

Классификация методов спектрального анализа:

І. В зависимости от того, что определяют (или с чем взаимодействует свет):

Атомный – устанавливает, какие элементы входят в состав анализируемой пробы и определяет концентрацию элементов в пробе.

Молекулярный спектральный анализ устанавливает природу индивидуального соединения, расшифровывает структуру молекулы, идентифицирует и определяет индивидуальные компоненты смеси.

ІІ. В зависимости от вида электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого веществом, спектральные методы делят:

Классификация методов спектрального анализа

Длина волны	Вид электромагнит-ного излучения	Взаимодействие с веществом	Метод анализа
10–4–10–2 нм	γ - излучение	возбуждение ядер	активационный анализ
10–2-10 нм	рентгеновское излучение (X-ray)	возбуждение внутренних электронов	рентгеновская спектроскопия
100-400 нм	ультрафиолет	возбуждение валентных электронов	атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный, спектрофотометрия
400-760 нм	видимое излучение	возбуждение валентных электронов	атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный, спектрофотометрия
760 нм-1000 мкм	ИК-излучение	колебания молекул	ИК-спектроскопия
0,1-100 см	микроволны	вращение молекул, магнитные дипольные переходы	ЭПР-спектроскопия
1-1000 см	радиоволны	магнитные дипольные переходы	ЯМР-спектроскопия

ІІІ. Методы анализа по спектрам поглощения называют абсорбционными. Методы анализа по спектрам испускания – эмиссионными или флуоресцентными.

Спектрофотометрический метод анализа

Спектрофотометрический метод относится к молекулярным абсорбционным методам.

Молекулярная абсорбционная спектроскопия основана на поглощении электромагнитного излучения веществами.

Спектроскопию в видимой и УФ-областях традиционно называют спектрофотометрией. Энергия фотонов в этих областях спектра достаточна для переходов электронов в молекуле с одного энергетического уровня на другой.

Фотометрические методы разработаны для определения практически всех элементов.

При мониторинге окружающей среды этим методом проводят определение микроэлементов в почвах, водах, живых организмах, растениях.

Определение пигментов в моче, крови (порфирин, урохром, уробилин) в клинических лабораториях проводят фотометрическим методом. Желчный пигмент билирубин извлекают спиртом и определяют фотометрическим методом после обработки диазореактивом Эрлиха (сульфаниловая кислота). Содержание железа в крови (гемоглобин) оценивают фотометрически по интенсивности красной окраски комплекса железа с о-фенантролином.

Количественно поглощение системой излучения описывается законами

Бугера – Ламберта – Бера и аддитивности.

Основной закон светопоглощения (закон Бугера – Ламберта – Бера)

Закон связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя.

Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивность света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель

Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:

,

где I и I₀ – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.

Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:

Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:

,

или ,

или A = εlc,

где ε – молярный коэффициент поглощения;

l – толщина светопоглощающего слоя;

с – концентрация раствора.

Физический смысл ε - молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см и имеет смысл чувствительности определения.

Наибольшая относительная погрешность наблюдается при очень малых и очень больших значениях оптических плотностей - оптимальные значения А 0,1- 1, минимальная ошибка измерения при А_опт=0,434.

Закон аддитивности:

поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность А:

А = А₁ + А₂ +….+ А_к.

Ограничения и условия применимости закона Бугера – Ламберта – Бера:

1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы подчеркнуть это ограничение, в выражение закона вводят индексы:

.

2. Коэффициент ε зависит от показателя преломления среды. Изменение показателя преломления в высококонцентрированных растворах может явиться причиной отклонений от основного закона светопоглощения.

3. Температура при измерениях должна оставаться постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов.

4. Пучок света должен быть параллельным.

5. Прямолинейная зависимость оптической плотности от концентрации соблюдается только для систем, в которых светопоглощающими центрами являются частицы лишь одного сорта. Например, при разбавлении раствора дихромата калия происходит не просто уменьшение концентрации иона дихромата, а протекают процессы химического взаимодействия:

Cr₂O₇^2– + H₂O = 2HCrO₄^– = 2CrO₄^2– + 2H⁺.

Вместо дихромат-ионов в растворе появляются гидрохромат- и хромат-ионы. Так как и различны, зависимость оптической плотности от общей концентрации хрома в растворе не будет линейной.

6. Интенсивность рассеянного света, возникающего в оптической системе прибора, должна быть сведена до минимума за счет ограничений при изменении ширины щели в разных участках спектра.

Блок-схема прибора для спектрофотометрического метода анализа