ФХМА_Лекция-03,04-2020_СФ-аппаратура,применение

1.

Физико-химические
методы анализа

2.

Лекция № 3
Спектрофотометрия

3.

Вопросы для рассмотрения
1. Аппаратура для измерения поглощения света.
2. Погрешности фотометрических измерений.
3. Характеристики фотометрического метода.
4. Условия и последовательность
фотометрического определения вещества.
5. Способы определения концентрации в
фотометрии.
6. Взаимосвязь оптических свойств со структурой
соединений.
7. Основные области применения
спектрофотометрии.

4.

Аппаратура для измерения
поглощения света
Основные узлы абсорбционных
приборов:

5.

Аппаратура для измерения
поглощения света может быть
однолучевой и двухлучевой.
Двухлучевая схема:

6.

Материалы и типы узлов в приборах
Материал оптических деталей не
должен поглощать излучение в
исследуемой области спектра, т.е.
должен быть прозрачным!

7.

Источники излучения – вольфрамовые,
галогеновые, дейтериевые лампы
Лампу с вольфрамовой нитью (обычная электролампа)
наиболее целесообразно использовать в ближней УФ,
видимой и ближней ИК–областях (350-3000 нм).
В УФ–области применяют водородные, дейтериевые,
ксеноновые лампы, излучающие свет с длинами волн
менее 350 нм. Это газоразрядные трубки, представляющие
собой баллоны из кварца, заполненные газом под
высоким (несколько атмосфер) давлением.
В результате электроразряда молекулы газа возбуждаются
(частично диссоцируют) и возвращаются в исходное
состояние, испуская непрерывный спектр.

8.

Кривая испускания вольфрамовой
лампы:

9.

Монохроматор и светофильтры
Для выделения нужной длины волны из
непрерывного спектра источника пригодны
все типы диспергирующих устройств.
В зависимости от способа монохроматизации
различают два класса абсорбционных
приборов: фотометры и спектрофотометры.
В фотометрах используют светофильтры,
в спектрофотометрах – призмы и
дифракционные решетки.

10.

Соотношение ширины спектральной
полосы источника (1) и полос
поглощения (2, 3)

11.

Фотометр КФК-2
1 – шкала
регистрирующего
прибора
(микроамперметра);
2 – кнопка включения
прибора в сеть;
3 – блок источника
излучения;
4 – ручка
переключения
светофильтров;
5 – ручка перемещения
кювет;
6 – ручка
переключения
фотоприемников;
7 – ручки установки
100%-го
светопропускания;
8 – крышка кюветного
отделения.

12.

Типы кювет:

13.

Кюветы
Кювету с исследуемым раствором называют
рабочей,
а с раствором сравнения - кюветой сравнения;
обе эти кюветы должны быть по возможности
идентичными.
Основное требование к кюветам – прозрачность в
области спектра, в которой ведется измерение
оптической плотности.
Для работы в видимой области кюветы
изготавливают из стекла, а в ультрафиолетовой –
из кварца.

14.

Диапазоны прозрачности
некоторых материалов

15.

Кюветы
Кюветы бывают прямоугольными и
цилиндрическими.
На грани кюветы указывают расстояние между
внутренними стенками. Обычно каждый оптический
прибор снабжен набором кювет толщиной от 0,5 до
5 см (при работе на спектрофотометрах наиболее
употребимы кварцевые кюветы толщиной 1 см).
Для проведения некоторых работ требуются
кюветы специальной конструкции. Так, при
исследовании кинетики реакций применяют
термостатированные кюветы, в автоматических
установках – проточные.

16.

Детекторы
Для приема сигнала в видимой и УФ – областях обычно
применяют фотоэлементы, ФЭУ (фотоэлектронные
умножители), фотодиоды, диодные линейки.
В частности, применяют сурьмяно–цезиевый (180–650 нм)
и кислородно–цезиевый (600 – 1100 нм) фотоэлементы.
При небольших световых потоках, попадающих на
детектор (например, если раствор сильно поглощает свет
и через него проходит лишь небольшая доля исходного
потока), используют счетчики фотонов, которые в
сочетании с электронным устройством позволяют
фиксировать импульсы от отдельных фотонов.

17.

Схема спектрофотометра с диодной линейкой

18.

Распространённые растворители,
в порядке возрастания полярности

19.

Погрешности
фотометрических измерений
При измерении оптической плотности, как и при любом
измерении, неизбежна некоторая погрешность, зависящая
от параметров прибора и области шкалы, в которой
производят измерения.
Наибольшая относительная погрешность наблюдается в
начале и в конце шкалы, т.е. при очень малых и очень
больших значениях оптической плотности.

20.

Погрешности
фотометрических измерений
Существует некоторое оптимальное значение оптической
плотности Аопт, при котором ошибка минимальна.
Показано, что Аопт = 0,434 (Т = 36,8%),
при этом предполагается, что абсолютная погрешность
измерения постоянна во всем интервале значений А.
Относительная погрешность определения концентрации
обусловлена погрешностью измерения А.
Для измерения концентрации с погрешностью, не превышающей
удвоенной минимальной, нужно проводить измерение А в
интервале 0,1 – 1,0.
Для снижения случайной погрешности измерения в области
больших и малых значений А существуют специальные приемы,
например – дифференциальный метод анализа.

21.

Погрешность фотометрических измерений:
зависимость относительной погрешности
определения концентрации от оптической плотности:

22.

Характеристики
фотометрического метода
1. Чувствительность
- выражается углом наклона градуировочного
графика.
Тангенс угла наклона пропорционален молярному
коэффициенту поглощения .
Чем больше значение вещества, тем чувствительнее
его определение. Часто определяемый элемент
переводят в другую форму, с тем чтобы повысить и
проводить измерения оптической плотности в
видимой области спектра.

23.

Характеристики
фотометрического метода
1. Чувствительность
Большинство аквакомплексов металлов и анионов
поглощают свет в УФ-области и имеют низкий
молярный коэффициент ( < 100). Обычно их
переводят в интенсивно окрашенные комплексы с
переносом заряда или соединения с органическими
лигандами, содержащими хромофорные группы.
Многие органические вещества обладают
интенсивным светопоглощением в УФ–области, что
позволяет определять их, не переводя в другую
форму.

24.

Характеристики
фотометрического метода
2. Воспроизводимость.
Все
растворы определяемых
веществ
нужно
разбавлять (или концентрировать) так, чтобы
измеряемая оптическая плотность не выходила за
диапазон 0,1 – 0,9.
Для
получения
воспроизводимых
результатов
желательно измерять оптическую плотность в
максимуме поглощения: случайное отклонение в ту
или другую сторону максимальной длины волны
незначительно скажется на среднем значении А,
особенно если полоса поглощения достаточна
широка.

25.

Характеристики
фотометрического метода
3. Предел обнаружения.

26.

Характеристики
фотометрического метода
4. Правильность.
Систематические погрешности в спектрофотометрии
могут возникнуть в связи с отклонениями от закона
Бугера – Ламберта – Бэра: с немонохроматичностью
светового потока и химическими взаимодействиями в
измеряемой системе,
а также при наличии примесей, которые поглощают
свет в данной области спектра.
Для снижения систематической ошибки существуют
специальные приемы, как, например, приготовление
холостого раствора, содержащего все компоненты,
кроме определяемого.

27.

Условия и последовательность фотометрического
определения вещества
1. Выбирают фотометрическую форму вещества, т.е.
соединение, в которое переводят вещество для измерения
оптической плотности, учитывая значение
и наличие других компонентов в анализируемом объекте;
2. Снимают спектр поглощения и выбирают оптимальную
длину волны, как правило, это максимум поглощения.
Однако если примесь при этой длине волны поглощает, то
лучше выбрать другую область спектра;
3. Исследуют влияние посторонних веществ на оптическую
плотность;

28.

Условия и последовательность фотометрического
определения вещества
4. Устанавливают область концентраций подчинения
закону Бугера – Ламберта – Бэра.
Для этого готовят серию растворов, содержащих
различные количества стандартного раствора
определяемого вещества.
Проводят фотометрическую реакцию в каждом
растворе, одновременно готовят холостой раствор.

29.

Условия и последовательность фотометрического
определения вещества
Подбирают кювету так, чтобы оптическая плотность
раствора с наименьшей концентрацией была не менее
0,05 – 0,1, а с самой высокой не более 0,8 – 1,0.
Измеряют оптическую плотность всех растворов.
Если график зависимости А от С представляет собой
прямую линию, то растворы подчиняются закону
Бугера – Ламберта –Бэра (полученную прямую можно
использовать в качестве градуировочного графика).

30.

Способы определения концентрации
• Визуальные методы (стандартных серий и
уравнивания окраски).
• Метод градуировочного графика.
• Дифференциальный метод.
• Метод добавок.
• Метод спектрофотометрического титрования.
• Метод базисной линии.
• Метод Аллена.

31.

Метод градуировочного графика
Готовят серию из 5 – 6 растворов определяемого вещества с
известной концентрацией, измеряют их оптическую плотность
при одних и тех же длине волны и толщине кюветы, строят
график зависимости оптической плотности А от концентрации С.
Если получается прямая линия, это означает, что растворы
подчиняются закону Бугера – Ламберта – Бера.
Находят уравнение градуировочной прямой вида А = а С + b по
МНК.
Используя полученное уравнение, можно рассчитать
концентрацию Сх исследуемого раствора, измерив его
оптическую плотность Ах:

32.

Дифференциальный метод
В этом методе при измерении оптической плотности в
кювету сравнения помещают не растворитель или
холостой раствор, а раствор определяемого вещества
с известной концентрацией.
Пусть С0 – концентрация раствора сравнения,
Сх – концентрация измеряемого раствора,
Ах – оптическая плотность раствора, измеренная
относительно раствора сравнения.

33.

Дифференциальный метод
Для нахождения Сх необходимо знать , или, иначе,
тангенс угла наклона градуировочной прямой.
Для построения градуировочной прямой готовят
серию стандартных растворов с известной
концентрацией, как в методе градуировочного
графика.
Если серия стандартных растворов подчиняется
закону Бугера – Ламберта – Бера, то график
зависимости оптической плотности, измеренной
относительно первого раствора серии с С = С0, от
концентрации будет представлять прямую линию,
начало которой по оси С смещено от нулевого
положения на С0.

34.

Дифференциальный метод
Дифференциальный способ измерения сводится к растяжению
измерительной шкалы прибора, т.к. он позволяет измерить
оптическую плотность сильно поглощающих растворов с
достаточно высокой точностью и его можно использовать для
определения сравнительно больших концентраций веществ.
При дифференциальном способе измерения повышается
воспроизводимость измерения A.

35.

Дифференциальный метод
В дифференциальном методе абсолютные
интенсивности световых потоков, прошедших через
раствор сравнения и исследуемый раствор,
значительно возрастают по сравнению с прямым
методом измерения.
Щель монохроматора, регулирующую световой поток,
при настройке по раствору сравнения на 100%-ное
пропускание (А = 0) раскрывают широко.
Отношение интенсивностей потоков остается
неизменным, но абсолютная разность возрастает.
Вероятность других погрешностей при этом методе
увеличивается из-за нарушения монохроматичности
потоков и увеличения рассеянного излучения.

36.

Метод добавок
Метод добавок особенно употребим при определении
веществ в присутствии примесей, которые могут
повлиять на поглощение исследуемого компонента.

37.

Метод спектрофотометрического титрования
Три основных варианта вида кривой титрования:
1. Титруемое вещество не поглощает свет при выбранной длине
волны, а титрант поглощает - а.
2. Поглощает титруемое вещество, но не титрант, оптическая
плотность сначала уменьшается, затем остается постоянной б.
3. Титруемое вещество и титрант поглощают при данной длине
волны - в.

38.

Метод спектрофотометрического
титрования
Титруемый раствор в прозрачном сосуде помещают на пути
светового потока, добавляют титрант порциями при
перемешивании и измеряют оптическую плотность после
каждого добавления.
В точке эквивалентности наблюдается резкий излом кривой
титрования. Для нахождения конечной точки титрования
проводят экстраполяцию прямолинейных участков кривых до
пересечения.
Спектрофотометрическое титрование – косвенный метод.
Применение метода позволяет исключить некоторые
погрешности прямого фотометрического метода, например,
присутствие других поглощающих веществ сказывается лишь
на абсолютных значениях оптической плотности, но не на
положении конечной точки титрования!

39.

Метод базисной линии и метод Аллена
Если в многокомпонентной системе нужно определить только
один компонент, то все остальные компоненты называют
примесями, составляющими фон.
При этом концентрация примеси может быть и минимальной и
очень большой – в последнем случае примесь называют
основой.
Например, при определении никеля в стали железо является
основой.
Многие методы предполагают предварительное отделение
мешающих компонентов или выделение определяемого
компонента.
Можно провести спектрофотометрический анализ без отделения
примесей, используя метод добавок, метод базисной линии и
метод Аллена.

40.

Метод базисной линии
Метод применяют в случае, если
определение вещества происходит
в присутствии примесей.
Снимают спектр поглощения
исследуемого вещества и проводят
прямую линию между минимумами
оптической плотности (или
максимумами пропускания).
Принимают отрезок ΑΒ за оптическую
плотность определяемого
вещества, а отрезок ВС – за
оптическую плотность фона.
Концентрацию определяемого
вещества рассчитывают по закону
Бугера-Ламберта-Бера: С = АВ / l.

41.

Метод Аллена
Метод Аллена заключается в
измерении оптической плотности
исследуемого раствора при трех
длинах волн: λ1, λ2 и λ3,
равноотстоящих друг от друга.
Концентрацию определяемого
вещества вычисляют no
формуле:
Для использования метода необходимо знать молярные
коэффициенты поглощения определяемого вещества при λ1,
λ2 и λ3. Условием применимости метода является линейный
характер поглощения примеси в интервале длин волн.

42.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
Способность поглощать излучение определенных
длин волн зависит от электронного строения
молекулы.
В спектрах соединений, содержащих одни и те же
структурные фрагменты, наблюдаются характерные
полосы поглощения.
Эти структурные фрагменты – группы атомов с
характерным электронным спектром поглощения –
называют хромофорами.

43.

Полосы поглощения некоторых хромофоров
Влияние сопряжения хромофорных групп
на оптические характеристики

44.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
В молекулах веществ присутствуют также атомы или
группы атомов (например, галогениды, гидроксиды и
др.), которые сами не участвуют в переходах, но влияют
на поглощение хромофора, их называют ауксохромами.
Ауксохромные группы не содержат кратных связей и не
имеют максимума поглощения в ближнем УФ.
Смещение максимума
поглощения
в замещённых
производных
бензола
(в водных растворах)

45.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
Влияние ауксохромов проявляется в СДВИГЕ
ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ хромофора или
ИЗМЕНЕНИИ ЕЕ ИНТЕНСИВНОСТИ.
Сдвиг в более коротковолновую область называют
ГИПСОХРОМНЫМ, в более длинноволновую БАТОХРОМНЫМ.
Увеличение интенсивности полосы называют
ГИПЕРХРОМНЫМ ЭФФЕКТОМ, а уменьшение –
ГИПОХРОМНЫМ.
На вид спектра может также повлиять взаимное
влияние двух хромофоров в одной молекуле.

46.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
В молекулах неорганических веществ в поглощении
излучения участвуют d- и f-электроны.
При поглощении излучения происходят переходы
электронов с нижней d-орбитали на верхнюю
d-орбиталь (d d*-переходы).
Например, эти переходы осуществляются в
комплексах ионов переходных металлов (Fe, Mn, Сr,
Ni, Cu, Ti, Co, U, Mo, W и др.), т.е. ионов с
незаполненными d-орбиталями.

47.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
В некоторых соединениях возможен перенос
электрона с орбитали, локализованной в одной
части молекулы, на орбиталь, локализованную в
другой ее части, – это переходы с переносом заряда.
Орбиталь, с которой удаляется электрон, называют
донорной, a на которую он переходит – акцепторной.
Различают переходы с внутримолекулярным
переносом заряда и переходы в комплексах с
переносом заряда (КПЗ). Соединения с переносом
заряда обычно интенсивно окрашены, их молярный
коэффициент светопоглощения ε 104.

48.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
В молекулах органических веществ в переходах могут
участвовать электроны трех типов:
-электроны, образующие одинарные ковалентные связи
(например, в молекулах углеводородов);
для возбуждения -электронов нужна большая энергия,
поэтому их линии поглощения лежат в далекой УФ
области
(λ < 180 нм);
n-электроны, не участвующие в образовании химических
связей, например, неподеленные электронные пары
атомов кислорода, азота, серы, галогенов; для
возбуждения n-электронов требуется энергия в видимой и
УФ областях спектра;
-электроны, участвующие в образовании двойных и
тройных связей; энергия их возбуждения невелика и
линии поглощения лежат в видимой и УФ областях.

49.

Взаимосвязь оптических свойств
со структурой соединений
В органических молекулах возможны четыре
типа электронных переходов:
*
n *
n *
*

50.

Полосы поглощения в УФ-области некоторых
углеводородов
Углеводород
Длина волны,
соответствующая
максимуму
поглощения, нм
Метан
125
Этан
135
Пропан
140
Циклопропан
190
Воздух (азот, кислород)
<180

51.

Полосы поглощения в УФ-области некоторых
углеводородов
Углеводород
Число сопряженных
связей
Длина волны,
соответствующая
максимуму
поглощения, нм
Этилен
1
162
Бутадиен
2
217
Бензол
3
184, 203, 255
Нафталин
5
228, 286, 314
Антрацен
7
258, 356, 380

52.

Основные области применения
спектрофотометрии
качественный и количественный анализ органических и
неорганических веществ, в том числе ионов металлов;
определение состава комплексных соединений;
с помощью СФ можно различать предельные и
непредельные соединения, цис- и транс-изомеры,
таутомеры, изолированные и сопряженные системы
хромофорных групп;
распознавание ароматических систем;
в сочетании с ВЭЖХ спектрофотометрия применяется
для идентификации и оценки степени чистоты
органических веществ;
обнаружение электронных эффектов, вызванных
наличием различных заместителей.

53.

Примеры реагентов для фотометрического
определения металлов

54.

Определение состава комплексных соединений
1. Метод изомолярных серий
Готовят серию растворов с переменными концентрациями
центрального иона и лиганда, при этом их суммарная
концентрация в каждом растворе одна и та же.
Чем менее устойчив комплекс, тем более сглажен максимум на
кривой.

55.

Определение состава комплексных соединений
2. Метод молярных отношений (метод насыщения)
Измеряют оптические плотности растворов с переменной
концентрацией одного из компонентов и постоянной для
другого (других).
Строят график зависимости А от отношения концентраций
компонентов в растворе.
Точка перегиба отвечает составу комплексного соединения.

56.

Спасибо
за внимание!