Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

Содержание
  1. Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия
  2. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
  3. Оглавление
  4. Аннотация
  5. The Summary
  6. Краткая историческая справка
  7. Понятие «спектральный анализ»
  8. Законы поглощения света
  9. Ограничения и условия применимости закона Бугера-Ламберта-Бера
  10. Молекулярный спектральный анализ
  11. Применение
  12. Принципиальная схема спектрометра
  13. Библиографический список
  14. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ
  15. 8. Молекулярная спектроскопия (фотометрия, спектрофотометрия)
  16. Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия (стр. 1 из 3)
  17. Аннотация
  18. Краткая историческая справка
  19. Понятие «спектральный анализ»
  20. Законы поглощения света
  21. ОФС.1.2.1.1.0003.15 Спектрофотометрия в УФ и видимой областях
  22. Измерение оптической плотности
  23. Приборы
  24. Идентификация
  25. Количественное определение
  26. Многокомпонентный спектрофотометрический анализ
  27. Производная спектрофотометрия
  28. Разрешающая  способность
  29. Методика

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

По дисциплине __________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Тема: Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

ВЫПОЛНИЛА: студ. ______________ /./

(подпись) (Ф.И.О.)

ОЦЕНКА: _____________

ДАТА: __________________

ПРОВЕРИЛ: доцент _____________ /./

(подпись) (Ф.И.О.)

Санкт-Петербург

2010

По дисциплине: _____________Методы контроля и анализа веществ __________________

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Студента группы .

(шифр группы) (Ф.И.О)

1. Тема проекта: Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия.

2. Выходные данные к проекту: методическое указание «Физико-химические методы анлиза» (Санкт-Петербург, 2000)

3. пояснительной записки: задание на выполнение работы, библиографический список.

4. Срок сдачи законченного проекта: 15. 12. 10

Руководитель проекта: доцент ____________ /. /

Дата выдачи задания: 15. 09. 10

Оглавление

Аннотация – 3 –

Краткая историческая справка – 3 –

Понятие «спектральный анализ» – 3 –

Законы поглощения света – 3 –

Ограничения и условия применимости закона Бугера-Ламберта-Бера – 3 –

Молекулярный спектральный анализ – 3 –

Применение – 3 –

Принципиальная схема спектрометра – 3 –

Библиографический список – 3 –

Аннотация

Данная пояснительная записка представляет собой отчет о выполнении курсового проекта. В ней рассматриваются основные вопросы молекулярной фотометрии и спектрофотометрии.

Страниц 15, рисунков 2.

The Summary

The given explanatory note represents the report on performance of the course project. In it are considered main questions of molecular photometry and spectrophotometric analysis.

Pages 15, figures 2.

Краткая историческая справка

Спектроскопия вообще и молекулярная спектроскопия в частности – это разделы физики, занимающиеся изучением качественного и количественного составов электромагнитного излучения, поглощенного, испущенного, рассеянного или отраженного веществом.

Электромагнитное излучение, разложенное по длинам волн или по энергии, образует спектр. В качестве объектов спектрометрического исследования могут быть использованы самые разнообразные вещества, находящиеся в любых агрегатных состояниях.

В простейшем случае это разреженный газ, среднее расстояние между молекулами которого настолько велико, что их можно рассматривать изолированно друг от друга. В наиболее сложном случае это конденсированное тело, в котором каждая образующаяся его частица находится под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия.

В связи с этим из спектроскопических данных можно получать информацию как о структуре и свойствах молекул, так и о силах межмолекулярного взаимодействия, а следовательно, и о строении вещества в целом.

В развитии спектроскопии как физического метода исследования веществ можно выделить два основных этапа. Первый этап представляет собой период эмпирического накопления фактов (разложение белого света в спектр с помощью призмы – Ньютон, 1666г.; наблюдение линий и полос поглощения – Волластон и Фраунгофер, 1802-1814гг.

), установления многих фундаментальных феноменологических закономерностей (связь между поглощательной и излучательной способностью вещества – Кирхгоф, 1859г.; влияние на спектральные линии внешних магнитных и электрических полей – Зееман, 1896г., Штарк, 1913г.

), а также попыток теоретического описания и интерпретации наблюдаемых зависимостей (классическая теория поглощения и дисперсии – вторая половина XIXв.; гипотеза квантов энергии – Планк, 1900г.).

Второй этап, начавшийся после формулировки Бором в 1913г. своих знаменитых квантовых постулатов и последовавшего за этим бурного развития квантовой теории, ознаменовался тем, что спектроскопия была поставлена на прочную научную основу.

Значительный вклад в это внесли русские и в особенности советские ученые (Рождественский, Вавилов, Басов, Прохоров и пр.).

В настоящее время спектроскопия и , в частности, молекулярная спектроскопия является одним из важнейших и перспективных физических методов исследования веществ, что делает ее особенно эффективной при решении разнообразных задач современной химии.

Понятие «спектральный анализ»

Под названием спектральный анализ понимают физический метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул.

Эти спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, колебаниями атомных ядер в молекулах и вращением молекул, а также воздействием массы и структуры атомных ядер на положение энергетических уровней.

Различные типы спектрального анализа следует рассматривать с трех позиций:

1. По решаемым задачам:

· Элементный – устанавливается состав пробы по элементам

· Изотопный – устанавливается состав пробы по изотопам

· Молекулярный – устанавливается молекулярный состав пробы

· Структурный – устанавливаются структурные составляющие молекулярного соединения

2. По применяемым методам:

· Эмиссионный, использующий спектры поглощения, главным образом атомов.

· Абсорбционный, использующий спектры поглощения, главным образом молекул и их структурных частей

· Комбинационный, использующий спектры комбинационного рассеяния твердых, жидких и газообразных проб, возбуждаемые монохроматическим излучением

· Люминесцентный, использующий спектры люминесценции вещества, возбуждаемые ультрафиолетовым излучением или катодными лучами

· Рентгеновский, использующий рентгеновские спектры атомов, получающиеся при переходах внутренних электронов в атомах, или дифракцию рентгеновых лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения структуры вещества

· Радиоспектроскопический, использующий спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с длинами волн больше 1 мм

3. По характеру получаемых результатов:

· Качественный, когда в результате анализа определяется состав без указания на количественное соотношение компонентов

· Полуколичественный, когда результат выдается в виде оценки содержания компонентов в некоторых более или менее узких интервалах концентраций в зависимости от применяемого метода приближенной количественной оценки

· Количественный, при котором выдается точное количественное содержание определяемых элементов или соединений в пробе.

Законы поглощения света

Молекулярный анализ с помощью спектров поглощения основан на использовании законов поглощения света. Формальное выражение этих законов одинаково для излучения любых частот, от инфракрасных до ультрафиолетовых.

Рассмотрим наиболее простой случай, когда лучи монохроматического света проходят через поглощающее вещество параллельным пучком, причем ослабление света определяется только числом поглощающих молекул, находящихся на пути лучей, и не зависит от абсолютной величины потока, а также от взаимного влияния молекул.

В более сложных случаях требуются дополнительные расчеты, при которых используются законы ослабления пучка параллельных лучей. Первый из законов поглощения, открытый французским ученым Бугером (1729г.) и подробно проанализированный Ламбертом (1760г.

) можно сформулировать следующим образом: каждый бесконечно тонкий слой внутри однородной среды поглощает определенную долю входящего в него потока излучения, пропорциональную его толщине. Вторая закономерность была установлена Бером (1852г.

): поглощение данным тонким слоем однородной среды пропорционально числу содержащихся в нем поглощающих молекул, а следовательно также числу их в единице объема среды, т.е. концентрации. Установленные опытным путем Бугером, Ламбертом и Бером закономерности можно выразить математическим выражением:

(1)

где – показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации вещества и на единицу толщины слоя, – константа, не зависящая от интенсивности падающего света и концентрации вещества (но зависящая от длины волны света). Физический смысл становится понятней, если принять см и моль/л, тогда . Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.

Интегрируя выражение (1) от 0 до , получим:

(2)

закон Бугера-Ламберта-Бера. Предположение о пропорциональности концентрации имеет приближенный характер. Оно справедливо для газов при малых давлениях и для растворов при малых концентрациях.

Когда происходит сближение молекул при увеличении давления газа или увеличении концентрации раствора С, показатель поглощения обычно начинает изменяться вследствие физико-химического взаимодействия молекул.

В случае невозможности установить значение С поглощение относят к слою единичной толщины, полагая , т.е. или (закон Бугера-Ламберта). В этом случае величину k называют показателем поглощения, отнесенным к слою единичной толщины.

Закон Бугера-Ламберта-Бера справедлив только для монохроматического излучения; кроме того, в качестве рассматривался световой поток, только что вступивший в исследуемый слой вещества, а в качестве – покидающий его.

обычно не равно интенсивности излучения , падающего на поверхность твердого образца или на поверхность кюветы с раствором, так же как не равно интенсивности излучения, вышедшего из твердого образца или из слоя раствора.

Это неравенство обусловлено уменьшением измеряемых величин и вследствие отражения при переходе излучения в среду с другим коэффициентом преломления. Кроме того, интенсивность может уменьшаться и вследствие поглощения окошками кюветы и растворителя.

Задача спектрофотометрии состоит в определении и по измеряемым значениям и . В случае твердых тел определяют при помощи измерения величин и для двух образцов различной толщины и . Если больше и , то при условии, что поверхности обоих образцов имеют одинаковые коэффициенты отражения: . Этот метод применим также при измерении поглощения жидкости.

В случае измерения поглощения растворами необходимо исключить также поглощение, обусловленное растворителем. Для этой цели обычно используют две тождественные кюветы. Одну из них заполняют раствором, а другую – растворителем.

Если отсутствует взаимодействие между исследуемым веществом и растворителем и если оптические параметры обеих кювет одинаковы, то измеренное отношение: для исследуемого растворенного вещества ( здесь – показатель поглощения растворителя, а – показатель поглощения исследуемого вещества).

В аналитической литературе также пользуются написанием Бугера-Ламберта-Бера в логарифмическом виде:

Если вместо натуральных логарифмов использовать десятичные логарифмы, то

или

где называют десятичным показателем поглощения на единицу концентрации С вещества. Эту величину называют также коэффициентом погашения или экстинкцией. Величины и связаны соотношениями и .

Отношение светового потока, прошедшего через тело, к потоку, упавшему на тело , называют коэффициентом пропускания и обозначают буквой Т.

Величину отношения потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него , называют коэффициентом поглощения. Обратный логарифм коэффициента пропускания называют оптической плотностью .

Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности, которое иногда называют законом аддитивности светопоглощения.

В соответствии с этим законом 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:

где – оптическая плотность вещества 1,2, n

Концентрацию вещества С выражают в различных единицах. Для газов (и растворов) ее можно выражать числом молекул в 1 см3 . Соответствующий этому случаю показатель поглощения называют молекулярным и относят к одной молекуле.

Концентрацию растворенного вещества выражают также числом С грамм-молей в 1 литре раствора. В этом случае показатель поглощения принято обозначать буквой и называть молярным показателем поглощения.

Численное соотношение между обоими коэффициентами можно получить из соотношения

Ограничения и условия применимости закона Бугера-Ламберта-Бера

Зависимость оптической плотности от концентрации графически выражается прямой линией, выходящей из начала координат. Опыт показывает, что линейная зависимость выполняется не всегда. При практическом применении закона Бугера-Ламберта-Бера необходимо учитывать следующие ограничения:

1. Закон справедлив для монохроматического света.

2. Коэффициент зависит от показателя преломления среды. Если концентрация раствора сравнительно невелика, его показатель преломления остается практически таким же, каким он был у чистого растворителя, и отклонений от закона по этой причине не наблюдается.

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

4. Пучок света должен быть параллельным.

5. Закон соблюдается только для систем, в которых светопоглощающими центрами являются частицы одного сорта.

Молекулярный спектральный анализ

Молекулярный спектральный анализ предполагает качественное и количественное определение молекулярного состава пробы по молекулярным спектрам поглощения и испускания. Эти методы применяются для промышленного контроля молекулярного состава проб, например, при производстве красителей, бензинов и т.д.

Молекулярные спектры очень сложны, так как возможны различные электронные переходы в молекулах (электронные спектры), колебательные переходы с изменением колебательных состояний ядер атомов, входящих в состав молекулы (колебательный спектр), и изменения вращательных состояний молекулы (вращательный спектр).

Эти спектры расположены в различных областях длин волн.

При проведении абсорбционного анализа по спектрам поглощения проба берется в газообразном, жидком или твердом состоянии, помещается между источником сплошного спектра (лампа накаливания для видимой области спектра, водородная или криптоновая лампа для ультрафиолетовой области, раскаленный штифт для инфракрасной области) и спектральным прибором. Спектр поглощения анализируется при помощи спектрометра или спектрофотометра.

Применение

Спектроскопия считается прикладной наукой и отличается большой информативностью. В молекулярной спектроскопии можно выделит следующие основные направления ее применения в науке и технике.

1. Идентификация веществ. Она основана на том, что каждое соединение, включая изомеры, имеет свой собственный и только ему присущий спектр. Это свойство используется для качественного анализа тех веществ, спектры которых уже известны.

2. Количественный анализ. Измерение интенсивности молекулярных спектров позволяет проводить с очень высокой чувствительностью количественный анализ различных веществ, не разрушая их.

3. Структурно-групповой (функциональный) анализ. Систематическое изучение спектров веществ с одинаковыми структурными группами показало, что в их спектрах имеются характерные полосы, с помощью которых можно решать обратную задачу – по характеристичным полосам определять в исследуемом соединении наличие той или иной структурной группы.

4. Определение строения молекул и вещества, т.е. пространственного расположения ядер и расстояний между ними.

5. Определение различных тепловых эффектов (напр., теплот испарения) по изменению интенсивности спектров в зависимости от температуры вещества.

6. Исследования межмолекулярного взаимодействия.

Принципиальная схема спектрометра

Фотометрическое измерение заключается в оценке различий в интенсивности двух потоков излучения: падающего на исследуемый объект и прошедшего через него на определенной длине волны. Приборы, на которых производят такие измерения, классифицируют по следующим основным принципам:

1. По спектральным областям, в которых они работают

2. По способу монохроматизации потока излучений:

· С высокой степенью монохроматизации (призменные и дифракционные монохроматоры)

· С низкой степенью монохроматизации (светофильтры)

3. По способу регистрации интенсивности излучения:

· Визуальные (спектроскопы)

· Фотографические (спектрографы)

· Фотоэлектрические (фотометры, спектрометры, спектрофотометры)

Спектральные приборы, основанные на фотоэлектрическом принципе регистрации спектров, называются спектрометрами (спектрофотометрами). Они получили широкое распространение. Спектрометр состоит из следующих основных узлов: источника излучения, монохроматора 1, кюветного отделения 2, анализатора 3, приемника излучения 4, усилителя 5, регистрирующего устройства 6.

Рис.1. Принципиальная схема спектрофотометра

Для УФ-области спектра в качестве источников излучения используются водородные или более мощные дейтериевые лампы, дающие спектр излучения в области 180-400 нм. Обычным источником видимого излучения от 360 нм до ближней ИК-области является лампа накаливания с вольфрамовой нитью.

В спектрофотометрах применяются как призменные, так и дифракционные монохроматоры. Для уменьшения рассеянного излучения используются двойные монохроматоры либо дополнительные светофильтры.

В качестве приемников в УФ- и видимой областях используют вакуумные фотоэлементы, а также твердотельные фотоэлементы. Для УФ-области (150-400 нм) приемником служит фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, в видимой и ближней ИК-областях (до 1200 нм) применяют элементы с кислородно-цезиевым фотокатодом.

При использовании такого типа приборов построение спектра поглощения по точкам требует большого числа измерений. Кроме того, однолучевые приборы не пригодны для измерения очень малых изменений поглощения.

Эти недостатки были устранены в более совершенных двулучевых схемах, которые предусматривают два равноценных пути прохождения излучения от одного и того же источника света. Один проходит через исследуемый образец, другой – через кюветы, содержащую раствор сравнения.

Оба потока измеряют по отдельности или с помощью двух приемников излучения, или на одном приемнике с модулятором.

Рис.2. Принципиальная схема двулучевого спектрофотометра

После монохроматора с помощью системы расщепления луч света делится пополам, а затем через модулятор попадает на образец и эталон. На фотоприемник поочередно направляются лучи, проходящие через образец и эталон.

При этом чаще всего используется дифференциальный метод регистрации поглощения или пропускания исследуемого образца относительно эталона.

Изменяя длину волны света с помощью монохроматора, получают спектр поглощения исследуемого образца.

Библиографический список

1. Бабушкин А.А., Бажулин П.А., Королев Ф.А и др. Методы спектрального анализа (под ред. Левшина В.Л.). М.: Издательство Московского университета, 1962

2. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. Ленинград: Издательство Ленинградского университета, 1987

3. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Оптические методы исследования молекулярных систем. Молекулярная спектроскопия. М.: Издательство Московского университета, 1994

4. Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия. М.: Издательство Московского университета, 1980

5. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Издательство «Наука», 1972

Источник: https://zinref.ru/000_uchebniki/02800_logika/011_lekcii_raznie_31/1786.htm

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ, метод исследования и анализа в-в, основанный на измерении спектров поглощения в оптич. области электромагн. излучения. Иногда под спектрофотометрией понимают раздел физики, объединяющий спектроскопию (как науку о спектрах электромагн.

излучения), фотометрию и спектрометрию [как теорию и практику измерения соотв. интенсивности и длины волны (или частоты) электромагн. излучения]; на практике спектрофотометрию часто отождествляют с оптич. спектроскопией. По типам изучаемых систем спектрофотометрию обычно делят на молекулярную и атомную. Различают спектрофотометрию в ИК, видимой и УФ областях спектра (см.

Инфракрасная спектроскопия, Ультрафиолетовая спектроскопия).

Применение спектрофотометрии в УФ и видимой областях спектра основано на поглощении электромагн. излучения соединениями, содержащими хромофорные (напр., С=С, С≡С, С=О) и ауксохромные (ОСН3, ОН, NH2 и др.) группы (см. Цветность органических соединений}. Поглощение излучения в этих областях связано с возбуждением электронов s-, p-и n-орбиталей осн.

состояния и переходами молекул в возбужденные состояния: s : s*, n : s*, p : p* и n : p* (переходы перечислены в порядке уменьшения энергии, необходимой для их осуществления; см. также Молекулярные спектры). Переходы s : s* находятся в далекой УФ области, напр. у парафинов при ~ 120 нм. Переходы n : s* наблюдаются в УФ области; напр., орг. соед.

, содержащие n-электроны, локализованные на орбиталях атомов О, N, Hal, S, имеют Полосы поглощения при длине волны ок. 200 нм. Линии, соответствующие переходам p : p*, напр., в спектрах гетероциклич. соединений проявляются в области ок. 250-300 нм и имеют большую интенсивность.

Полосы поглощения, соответствующие переходам n : p*, находятся в ближней УФ и видимой областях спектра; они характерны для соед., в молекулах к-рых имеются такие хромофорные группы, как С = О, C = S, N = N. Так, насыщ. альдегиды и кетоны имеют максимумы поглощения при длине волны ок. 285 нм.

Переходы типа n : p* часто оказываются запрещенными, и соответствующие полосы поглощения обладают очень малой интенсивностью.

Переходы типа p : p* могут сопровождаться переходом электрона с орбитали, локализованной гл. обр. на одной группе (напр., С=С), на орбиталь, локализованную на др. группе (напр., С=О).

Такие переходы сопровождаются переносом электрона с одного атома на другой и соответствующие спектры наз. спектрами с переносом заряда. Последние характерны для разл. комплексов (напр., арома-тич.

соединений с галогенами), интенсивно поглощающих в видимой и УФ областях.

Для ионов переходных металлов и их комплексных соед. характерны переходы с участием d-электронов, а для РЗЭ и актиноидов-переходы с участием f-электронов. Соответствующие соед.

в р-ре бывают интенсивно окрашенными, причем окраска (спектр поглощения) зависит от степени окисления катиона и устойчивости комплексного соединения.

Поэтому спектрофотометрию широко используют при исследовании и анализе комплексных соед. металлов.

Изолированные, не взаимодействующие между собой хромофоры в молекуле поглощают независимо. В случае к.-л. взаимод. между ними аддитивность спектров нарушается. По отклонениям от аддитивности можно судить о характере и величине взаимодействия.

Поскольку положение полос в спектре определяется как разность энергий основного и возбужденного состояний молекул, можно определять структуру энергетич. уровней молекул или по известной схеме энергетич. уровней определять положение полос поглощения. Любому электронному состоянию молекул соответствует набор разл. колебат. уровней энергии. Колебат.

структура полосы, соответствующей переходу между электронными уровнями, может отчетливо проявляться не только в спектрах газов, но и в спектрах нек-рых р-ров, что дает возможность получать дополнит. информацию о взаимод. молекул. Спектрофотометрич.

исследование спектров молекул в видимой и УФ областях позволяет установить вид электронных переходов и структуру молекул. При этом часто исследуют влияние разл. типов замещения в молекулах, изменения р-рителей, т-ры и др. физ.-хим. факторов.

В ИК области проявляются переходы между колебат. и вращат. уровнями (см. Колебательные спектры, Вращательные спектры). Среди частот колебаний молекул выделяют т. наз. характеристические, к-рые практически постоянны по величине и всегда проявляются в спектрах хим. соед.

, содержащих определенные функц. группы (вследствие чего эти частоты иногда называют групповыми; см. табл. на форзаце 2-го тома). Теория колебаний сложных молекул позволяет расчетным путем предсказать колебат. спектр соединений, т. е.

определить частоты и интенсивности полос поглощения.

Колебат. спектры молекул чувствительны не только к изменению состава и структуры (т.е. симметрии) молекул, но и к изменению разл. физ. и хим. факторов, напр.

изменению агрегатного состояния в-ва, т-ры, природы р-рителя, концентрации исследуемого в-ва в р-ре, разл. взаимод. между молекулами в-ва (ассоциация, полимеризация, образование водородной связи, комплексных соед., адсорбция и т. п.).

Поэтому ИК спектры широко используют для исследования, качеств. и количеств. анализа разнообразных в-в.

В ближней ИК области (10000-4000 см-1, или 1-2,5 мкм), где расположены обертоны и составные частоты осн. колебаний молекул, полосы поглощения имеют интенсивность в 102-103 раз меньше, чем в средней ИК области (4000-200 см-1). Это упрощает подготовку образцов, т.к. толщина поглощающего слоя м. б. достаточно большой (до неск. мм и более). Эксперим.

техника для работы в этой области относительно проста. Однако чувствительность и селективность определения отдельных соед. невелики. Тем не менее высокое отношение сигнал:шум (до 105) создает хорошие условия для количеств. анализа при содержании определяемого соед. ок. 1% и выше. Подобные анализы выполняются за 1 мин.

В дальней ИК области (200-5 см-1) могут наблюдаться чисто вращат переходы.

Интенсивность полосы поглощения молекулы определяется вероятностью соответствующего электронного (или колебательного) перехода. Для характеристики интенсивности полосы служит молярный коэф. поглощения e (см.

Абсорбционная спектроскопия), определяемый, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, как e = A/C*l, где А = = — lg(T)= — lg(I/I0), T-пропускание, I0 и I-интенсивности соотв.

падающего и прошедшего через в-во излучения, С-молярная концентрация в-ва, поглощающего излучение, l-толщина поглощающего слоя (кюветы), в см. Обычно e

Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4164.html

8. Молекулярная спектроскопия (фотометрия, спектрофотометрия)

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

Фотометрия– 1) общая для всех разделов прикладнойоптики научная дисциплина, на основаниикоторой производятся количественныеизмерения энергетических характеристикполя излучения; 2) раздел прикладнойфизики, занимающийся измерениями света.

Фото́метр —прибор для измерения каких-либо изфотометрических величин.

Видыфотометрических измерений. Основныевиды фотометрических измерений таковы:1) сравнение силы света источников; 2)измерение полного потока от источникасвета; 3) измерение освещенности взаданной плоскости; 4) измерение яркостив заданном направлении; 5) измерениедоли света, пропускаемой частичнопрозрачными объектами; 6) измерение долисвета, отражаемой объектами.

Прииспользовании фотометра осуществляютопределённое пространственное ограничениепотока излучения и регистрацию егоприёмником излучения с заданнойспектральной чувствительностью.

Освещённостьизмеряют люксметрами, яркость —яркомерами, световой поток и световуюэнергию — с помощью фотометраинтегрирующего. Приборы для измеренияцвета объекта называют колориметрами.

Спектрометр— оптический прибор, используемый длянакопления спектра, его количественногоподсчета и последующего анализа спомощью различных аналитических методов.Спектрометры могут различаться поспектральному диапазону, спектральнойчувствительности, оптической схеме.

Основноеназначение спектрометра — количественнаяинтерпретация получаемого спектра сцелью получения аналитических данных.В большинстве случаев аналитическиепрограммы сравнивают полученный спектрсо спектром вещества, чей состав известен.

Различают следующие типы спектрометров:рентгенофлуоресцентный спектрометр(РФА спектрометр), который нашел широкоеприменение благодаря гибкости, лёгкостикалибровки и хорошей точности, искровойоптико-эмиссионный спектрометр, лазерныйспектрометр, ИК спектрометр, спектрометриндуктивно-связанной плазмы,атомно-абсорбционныйспектрометр,масс-спектрометр, и другие.

Спектрофотометрия(абсорбционная) — физико-химическийметод исследования растворов и твёрдыхвеществ, основанный на изучении спектровпоглощения в ультрафиолетовой(200-400 нм), видимой (400-760 нм) иинфракрасной (>760 нм) областяхспектра.

Основная зависимость, изучаемаяв спектрофотометрии зависимостьинтенсивности поглощения падающегосвета от длины волны. Спектрофотометрияшироко применяется при изучении строенияи состава различных соединений(комплексов, красителей, аналитическихреагентов и др.

), для качественного иколичественного определения веществ(определения следов элементов в металлах,сплавах, технических объектах). Приборыспектрофотометрии — спектрофотометры.

Спектрофотометр(от спектр и фотометр) — прибор дляисследования спектрального состава подлинам волн электромагнитных излученийв оптическом диапазоне, нахожденияспектральных характеристик излучателейи объектов, взаимодействовавших сизлучением, а также для спектральногоанализа и фотометрирования.

Спектрофотометрымогут работать в различных диапазонахдлин волн – от ультрафиолетового доинфракрасного. В зависимости от этогоприборы имеют разное назначение.

Взависимости от вида поглощающих частици способа трансформирования поглощеннойэнергии различают:

атомно-абсорбционныйанализ–поглощение световой энергии атомамианализируемых веществ (используетсяпри определении ионов металлов: медь,никель, серебро и др.);

молекулярныйабсорбционный анализ– поглощение света молекуламианализируемого вещества в ультрафиолетовой,видимой и инфракрасной областях спектра(спектрофотометрия,фотоколориметрия, ИК – спектроскопия);

турбидиметрия,нефелометрия–поглощения и рассеяния световой энергиивзвешенными частицами анализируемоговещества (сульфаты, взвешенные вещества);

люминесцентный(флуорометрический) анализ–измерение излучения, возникающего врезультате выделения энергии возбужденнымимолекулами анализируемого вещества;

фотоколориметрияи спектрофотометрияоснованына взаимодействии излучения с однороднымисистемами, и их обычно объединяют в однугруппу фотометрическихметодов анализа.

Кнаиболее широко применяемым в анализахжидких сред относятся методы анализафотометриии спектрофотометрии.

Фотометрические(абсорбционные) методы анализаоснованы на избирательном поглощениисвета анализируемым веществом. Привзаимодействии со световой энергией ватомах поглощаю­щего веществапроисходит переход электронов на болееудален­ные от ядра энергетическиеуровни.

hν=∆Е=Е2– Е1

h– постоянная Планка h =6,625×10 -34дж/сек

ν– постоянная поглощаемого излучениясек-111Гц=1с-1

Электронныепереходы, вы­званные поглощениемстрого определенных квантов световойэнергии, характеризуются появлениемстоль же строго опреде­ленных полоспоглощения в электронных спектрахпоглощаю­щих атомов или молекул.

Такимобразом, каждое вещество об­ладаетспособностью поглощать лучистую энергиюв виде кван­тов энергии, соответствующихопределенным длинам волн.

Ли­нии илиполосы поглощения располагаются вультрафиолетовой (200—400 нм) , видимой(400—700 нм) или инфракрасной обла­стяхспектра (>700 нм) (например приборыТепловизора).

Взависимости от используемой аппаратурыв фотометриче­ском анализе различаютспектрофотометрическиеметоды ана­лизапо поглощению монохроматического света(т.е. с одинако­вой длиной волны) ифотоколориметрическиеметоды, когдаанализ осуществляется по поглощениюполихроматического (не­монохроматического)света, содержащего излучение различныхдлин волн.

Методанализа,основанный на переведении определяемогокомпонента в поглощающее свет соединениес последующим оп­ределением этогокомпонента путем измерения светопоглощенияраствора, называется фотометрическим.

Первоначальнофотометрический анализ был основан наоценке интенсивности окраски раствораданного вещества раз­личной концентрации;метод получил название колориметрия(отгреческого колор—цвет). При колориметрировании окра­шенныйраствор поглощает сплошное излучениенемонохрома­тического видимогоучастка спектра.

Споявлением приборов, регистрирующихсветопоглощение растворов с помощьюфотоэлементов,— фотоэлектроколориметровилифотоколориметров—метод стал называться фотоколо­риметрическимили фотометрическим.

Непутать калори́метри колори́метр!

Калори́метр(от лат. сalor-тепло)— прибор для измерения количестватеплоты, выделяющейся или поглощающейсяв каком-либо физическом, химическом илибиологическом процессе.

Колори́метр— прибор для измерения цвета в какой-либоцветовой шкале или для сравненияинтенсивности окраски исследуемогораствора со стандартным. Широкоприменяются в промышленности илабораторной практике.

Колориметрическийметод анализаоснован на изменении поглощения светавеществом. Сравнивают интенсивностьокраски исследуемого раствора с окраскойстандартного раствора, концентрациякоторого известна. Метод весьмачувствителен и применяется для определениямикроколичеств.

Вфотоколориметрах по­явилась возможностьчастичной монохроматизации спектрасве­тофильтрами. С помощью светофильтра выбирают участок спектрав той области длин волн, где поглощениесвета для данного раствора минимально.

Светофильтры для фотометрированиявыбирают так, чтобы максимум поглощенияраствора соответствовал максимумупропускания (минимуму поглоще­ния)светофильтра.

Фотометрическое определениеполучается тем точнее, чем более узкийучасток спектра удается выделитьсветофильтром (hν=λ=520определенная длина волны для нитритов).

Цвет растворов исоответствующих им светофильтров

Цвет раствора, нмОбласть максимальногопоглощения лучейЦвет светофильтра
Желто-зеленый400-450Фиолетовый
Желтый450-480Синий
Оранжевый480-490З Зелено-синий
К расный490-500Сине- зеленый
Пурпурный500-560Зеленый
Ф Фиолетовый560-575Желто-зеленый
Синий575-590Желтый
Зелено-синий590-625Оранжевый
Сине-зеленый625-700Красный

Приборы,позволяющие монохроматизировать световой луч, называются спектрофотометрами.Онипозволяют анализиро­вать не толькоокрашенные, но и бесцветные растворыпо по­глощению в видимой, ультрафиолетовойи инфракрасной обла­стях спектра.

Равенствуфототоков соответствует нулевоеположение гальванометра. Спектрофотометрыимеют вместо светофильтров кварцевуюпризму или ди­фракционную решетку изеркало-конденсатор, отклоняющее лучии направ­ляющие их на щель монохроматора.

Выходящий монохроматический пучоксвета проходит через исследуемыйраствор, линзу и падает на фотоэлемент.Возникающий фототок передается наприбор-индикатор (гальванометр): приравенстве световых потоков гальванометрпоказывает 0.

Спектрофотометры имеюткварцевую оптику, поэтому изучатьспектры поглощения можно в ультрафиолетовой,видимой и ближайшей инфракрасной областив интер­вале длин волн λ = 220н-1100 нм.

Высокаячувствительность и возможностьопределения почти всех элементов,позволила фотометрическому методуприменять их для определения как большихконцентраций компонентов (20—30%), так имик­ропримесей (10~3—10~4%).

Взависимости от используемой аппаратурыв фотометрическом анализе различаютспектрофотометрическийметод– анализ по поглощению монохроматического(немонохроматического) света в видимойобласти спектра. Оба метода основанына пропорциональной зависимости междусветопоглощением и концентрациейпоглощающего вещества.

Фотометрическиеметодыподразделяют на прямыеикосвенные.

Впрямыхметодах определяемый ион (М) с помощьюреагента (R)переводят в светопоглощающее состояние(MR),а затем измеряют интенсивностьсветопоглощения раствора этогосоединения.

Прикосвенныхопределениях используют вспомогательныесоединения, которые при взаимодействиис определяемым веществом либо разрушаютсясами, либо образуют новые светопоглощающиесоединения.

Спектрпоглощения (или,более корректно, абсолютныйспектрпоглощениявещества)представляет собой зависимость количествапоглощенного света от длины волны.

Такиеспектры для красителей в видимой области(400–700 нм) имеют иногда несколькомаксимумов. Спектры поглощения вультрафиолетовой (200–400 нм) и видимыхобластях отражают переходы связанныхи несвязанных электронов в молекуле.Это обычно делокализованные π-электроныдвойных С=С связей и неподеленные парыазота и кислорода.

Поскольку, как правило,все электроны в молекуле при комнатнойтемпературе находятся на нижнемэнергетическом уровне, спектры в этойобласти дают информацию об основном ипервом возбужденном электронныхсостояниях молекулы.

Ввиду того, чтодлина волны поглощенного светасоответствует определенному переходу,пики на спектрах поглощения веществаобусловлены присутствием в нем известныхструктур. Длина волны, при которойнаблюдается максимальное поглощениесвета, обозначается через λмакс.

Положениемаксимума спектра поглощения являетсяважной оптической характеристикойвещества, а характер и вид спектрапоглощения характеризуют его качественнуюиндивидуальность. Группа в молекуле,которая дает вклад в спектр ее поглощения,называется хромофором.Такой группойявляется, например, карбонильная группа>С=О, существующая у всех аминокислот.

Фотометрическиеметодыопределения концентрации растворовоснованы на сравнении поглощения припропускании света стандартными иисследуемыми растворами. Степеньпоглощения света фотометрируемымраствором измеряют с помощьюфотоколориметров и спектрофотометров.

Измерение оптической плотностистандартного и исследуемого окрашенныхрастворов всегда производят по отношениюк раствору сравнения (нулевому(контрольному) раствору).

В качествераствора сравнения можно использоватьаликвотную часть исследуемого раствора,содержащего все добавленные компоненты,кроме реагента, образующего с определяемымвеществом окрашенное соединение.

Еслидобавляемый реагент и все остальныекомпоненты раствора сравнения бесцветныи, следовательно, не поглощают лучей ввидимой области спектра, то в качествераствора сравнения можно использоватьдистиллированную воду.

Методградуировочного графика. Дляопределения содержания вещества методомградуировочного (калибровочного) графикаготовят серию из 5–8 стандартных растворовразных концентраций (не менее 3 параллельныхрастворов для каждой точки).

Привыборе интервала концентраций стандартныхрастворов руководствуются следующимиположениями:

а)он должен охватывать область возможныхизменений концентрации исследуемогораствора; желательно, чтобы оптическаяплотность исследуемого растворасоответствовала примерно серединеградуировочной кривой;

б)желательно, чтобы в этом интервалеконцентраций при выбранных толщинекюветы l и аналитической длине волны λ,(в большинстве случаев λ = λмакссветопоглощающего соединения) соблюдалсяосновной закон светопоглощения, т.е.график А = f(C) был линейным;

в)интервал рабочих значений λ, соответствующийинтервалу стандартных растворов, долженобеспечивать максимальную воспроизводимостьрезультатов измерений.

Присовокупности перечисленных условийизмеряют оптические плотности стандартныхрастворов относительно растворителяи строят график зависимости А = f(C).Полученная кривая называется градуировочнойили калибровочной и имеет вид прямойвыходящей из начала координат.

Экстраполировать калибровочную прямуюк значениям оптических плотностей,лежащим выше последней экспериментальнополученной точки, не рекомендуется.Периодически (раз в неделю или реже)калибровочную кривую проверяют по 2–3свежеприготовленным стандартнымрастворам. Калибровочные графики,построенные с реактивами разных партий,как правило, не совпадают.

Поэтому присмене реактивов график необходимопостроить заново. График, построенныйпри работе на одном приборе, нельзяиспользовать для расчетов результатов,полученных на другом.

Определивоптическую плотность опытного раствораАх, находят ее значение на оси ординат,а затем на оси абсцисс – соответствующееей значение концентрации Сх.

Этотметод применяют при выполнении серийныхфотометрических анализов. Он даетхорошие результаты при соблюденииосновного закона светопоглощения.

Вотличие от других фотометрическихметодов, метод градуировочного графикапозволяет определить концентрациюокрашенных растворов даже в тех случаях,когда основной закон светопоглощенияне соблюдается.

Для построенияградуировочной кривой в этих случаяхприготавливают значительно большеечисло стандартных растворов, отличающихсядруг от друга по концентрации не болеечем на 10%.

Такой градуировочный график,имеющий на пологом участке угол наклонане менее 15°, все же позволяет проводитьфотометрические измерения, несмотряна то, что между концентрацией раствораи его оптической плотностью нет линейнойзависимости. Воспроизводимостьопределений в этом случае ниже, чем вслучае линейной зависимости А = f(C).

Источник: https://studfile.net/preview/4614227/page:7/

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия (стр. 1 из 3)

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

По дисциплине __________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

ВЫПОЛНИЛА: студ. ______________ /./

(подпись) (Ф.И.О.)

ОЦЕНКА: _____________

ДАТА: __________________

ПРОВЕРИЛ: доцент _____________ /./

(подпись) (Ф.И.О.)

Санкт-Петербург

2010

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: _____________Методы контроля и анализа веществ__________________

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Студента группы .

(шифр группы) (Ф.И.О)

1. Тема проекта: Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия.

2. Выходные данные к проекту: методическое указание «Физико-химические методы анлиза» (Санкт-Петербург, 2000)

3. пояснительной записки: задание на выполнение работы, библиографический список.

4. Срок сдачи законченного проекта: 15. 12. 10

Руководитель проекта: доцент ____________ /./

Дата выдачи задания: 15. 09. 10

Аннотация

Данная пояснительная записка представляет собой отчет о выполнении курсового проекта. В ней рассматриваются основные вопросы молекулярной фотометрии и спектрофотометрии.

Страниц 15, рисунков 2.

Краткая историческая справка

Спектроскопия вообще и молекулярная спектроскопия в частности – это разделы физики, занимающиеся изучением качественного и количественного составов электромагнитного излучения, поглощенного, испущенного, рассеянного или отраженного веществом.

Электромагнитное излучение, разложенное по длинам волн или по энергии, образует спектр. В качестве объектов спектрометрического исследования могут быть использованы самые разнообразные вещества, находящиеся в любых агрегатных состояниях.

В простейшем случае это разреженный газ, среднее расстояние между молекулами которого настолько велико, что их можно рассматривать изолированно друг от друга. В наиболее сложном случае это конденсированное тело, в котором каждая образующаяся его частица находится под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия.

В связи с этим из спектроскопических данных можно получать информацию как о структуре и свойствах молекул, так и о силах межмолекулярного взаимодействия, а следовательно, и о строении вещества в целом.

В развитии спектроскопии как физического метода исследования веществ можно выделить два основных этапа. Первый этап представляет собой период эмпирического накопления фактов (разложение белого света в спектр с помощью призмы – Ньютон, 1666г.; наблюдение линий и полос поглощения – Волластон и Фраунгофер, 1802-1814гг.

), установления многих фундаментальных феноменологических закономерностей (связь между поглощательной и излучательной способностью вещества – Кирхгоф, 1859г.; влияние на спектральные линии внешних магнитных и электрических полей – Зееман, 1896г., Штарк, 1913г.

), а также попыток теоретического описания и интерпретации наблюдаемых зависимостей (классическая теория поглощения и дисперсии – вторая половина XIXв.; гипотеза квантов энергии – Планк, 1900г.).

Второй этап, начавшийся после формулировки Бором в 1913г. своих знаменитых квантовых постулатов и последовавшего за этим бурного развития квантовой теории, ознаменовался тем, что спектроскопия была поставлена на прочную научную основу.

Значительный вклад в это внесли русские и в особенности советские ученые (Рождественский, Вавилов, Басов, Прохоров и пр.).

В настоящее время спектроскопия и , в частности, молекулярная спектроскопия является одним из важнейших и перспективных физических методов исследования веществ, что делает ее особенно эффективной при решении разнообразных задач современной химии.

Понятие «спектральный анализ»

Под названием спектральный анализ понимают физический метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул.

Эти спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, колебаниями атомных ядер в молекулах и вращением молекул, а также воздействием массы и структуры атомных ядер на положение энергетических уровней.

Различные типы спектрального анализа следует рассматривать с трех позиций:

1. По решаемым задачам:

· Элементный – устанавливается состав пробы по элементам

· Изотопный – устанавливается состав пробы по изотопам

· Молекулярный – устанавливается молекулярный состав пробы

· Структурный – устанавливаются структурные составляющие молекулярного соединения

2. По применяемым методам:

· Эмиссионный, использующий спектры поглощения, главным образом атомов.

· Абсорбционный, использующий спектры поглощения, главным образом молекул и их структурных частей

· Комбинационный, использующий спектры комбинационного рассеяния твердых, жидких и газообразных проб, возбуждаемые монохроматическим излучением

· Люминесцентный, использующий спектры люминесценции вещества, возбуждаемые ультрафиолетовым излучением или катодными лучами

· Рентгеновский, использующий рентгеновские спектры атомов, получающиеся при переходах внутренних электронов в атомах, или дифракцию рентгеновых лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения структуры вещества

· Радиоспектроскопический, использующий спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с длинами волн больше 1 мм

3. По характеру получаемых результатов:

· Качественный, когда в результате анализа определяется состав без указания на количественное соотношение компонентов

· Полуколичественный, когда результат выдается в виде оценки содержания компонентов в некоторых более или менее узких интервалах концентраций в зависимости от применяемого метода приближенной количественной оценки

· Количественный, при котором выдается точное количественное содержание определяемых элементов или соединений в пробе.

Законы поглощения света

Молекулярный анализ с помощью спектров поглощения основан на использовании законов поглощения света. Формальное выражение этих законов одинаково для излучения любых частот, от инфракрасных до ультрафиолетовых.

Рассмотрим наиболее простой случай, когда лучи монохроматического света проходят через поглощающее вещество параллельным пучком, причем ослабление света определяется только числом поглощающих молекул, находящихся на пути лучей, и не зависит от абсолютной величины потока, а также от взаимного влияния молекул.

В более сложных случаях требуются дополнительные расчеты, при которых используются законы ослабления пучка параллельных лучей. Первый из законов поглощения, открытый французским ученым Бугером (1729г.) и подробно проанализированный Ламбертом (1760г.

) можно сформулировать следующим образом: каждый бесконечно тонкий слой внутри однородной среды поглощает определенную долю входящего в него потока излучения, пропорциональную его толщине. Вторая закономерность была установлена Бером (1852г.

): поглощение данным тонким слоем однородной среды пропорционально числу содержащихся в нем поглощающих молекул, а следовательно также числу их в единице объема среды, т.е. концентрации. Установленные опытным путем Бугером, Ламбертом и Бером закономерности можно выразить математическим выражением:

(1)

где

– показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации вещества и на единицу толщины слоя, – константа, не зависящая от интенсивности падающего света и концентрации вещества (но зависящая от длины волны света). Физический смысл становится понятней, если принять см и моль/л, тогда . Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.

Интегрируя выражение (1) от 0 до

, получим: (2)

закон Бугера-Ламберта-Бера. Предположение о пропорциональности

концентрации имеет приближенный характер. Оно справедливо для газов при малых давлениях и для растворов при малых концентрациях. Когда происходит сближение молекул при увеличении давления газа или увеличении концентрации раствора С, показатель поглощения обычно начинает изменяться вследствие физико-химического взаимодействия молекул.

Источник: https://mirznanii.com/a/326340/molekulyarnaya-fotometriya-i-spektrofotometriya

ОФС.1.2.1.1.0003.15 Спектрофотометрия в УФ и видимой областях

Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Взамен ОФС ГФ X, ОФС ГФ XI, ОФС 42-0042-07 ГФ XII, ч.1

Уменьшение интенсивности монохроматического излучения, проходящего через гомогенную поглощающую среду, количественно описывается законом Бугера-Ламберта-Бера:

log10(1/Т) = А = ε ∙ c ∙ b ,(1)

где:

  • Т – пропускание, отношение интенсивности светового потока, прошедшего через вещество, к интенсивности падающего на вещество светового потока; Т = I/I0;
  • I – интенсивность прошедшего монохроматического излучения;
  • I0 – интенсивность падающего монохроматического излучения;
  • ε – молярный показатель поглощения;
  • с – молярная концентрация вещества в растворе;
  • b – длина оптического пути или толщина слоя, в сантиметрах.

Величина log10(1/Т) носит название оптической плотности, обозначается буквой А и является измеряемой величиной. В отсутствии других физико-химических факторов измеренная оптическая плотность (А) пропорциональна концентрации вещества в растворе (с) и толщине слоя (b).

Величина   представляет собой удельный показатель поглощения, т.е. оптическую плотность раствора вещества с концентрацией 10 г/л (1 г/100 мл) в кювете с толщиной слоя 1 см. Величины  и ε связаны соотношением:

где:

М.м. – молекулярная масса исследуемого вещества.

Измерение оптической плотности

Если нет других указаний в фармакопейной статье, измерение оптической плотности проводят при указанной длине волны с использованием кювет с толщиной слоя 1 см и при температуре (20 ± 1) °С по сравнению с тем же растворителем или той же смесью растворителей, в которой растворено вещество. При измерении оптической плотности раствора при данной длине волны оптическая плотность кюветы с растворителем, измеренная против воздуха при той же длине волны, не должна превышать 0,9 и, желательно, чтобы она была не менее 0,2.

Спектр поглощения представляют таким образом, чтобы оптическая плотность или ее некоторая функция были приведены по оси ординат, а длина волны или некоторая функция длины волны – по оси абсцисс.

Если в фармакопейной статье для максимума поглощения указывается только одна длина волны, то это означает, что полученное значение максимума не должно отличаться от указанного более чем на ± 2 нм.

Приборы

Спектрофотометры, предназначенные для измерений в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, состоят из оптической системы, выделяющей монохроматическое излучение в области от 190 до 800 нм и обеспечивающей его прохождение через образец, и устройства для измерения оптической плотности.

Основными частями этих приборов являются: источник излучения, диспергирующий прибор (призма или решетка), щель для выделения полосы длин волн, кюветы для образцов, детектор излучаемой энергии, встроенные усилители и измерительные приборы.

Проверка шкалы длин волн в ультрафиолетовой и видимой области. Точность калибровки прибора по шкале длин волн в спектральном ряду проверяют по приведенным в табл.

1 спектральным линиям водородной (Hβ) или дейтериевой (Dβ) разрядной лампы, линиям паров ртути (Hg) кварцево-ртутной дуговой лампы, а также по максимумам поглощения раствора гольмия перхлората (Ho) (готовый реактив для калибровки спектрофотометра представляет собой 4 % раствор гольмия оксида в 14,1% растворе хлорной кислоты). Допустимое отклонение составляет ± 1 нм для ультрафиолетовой и ± 3 нм для видимой области.

Таблица 1 – Максимумы поглощения для проверки шкалы длин волн

241,15 нм (Но)404,66 нм (Hg)
253,7 нм (Hg)435,83 нм (Hg)
287,15 нм (Но)486,0 нм (Dβ)
302,25 нм (Hg)486,1 нм (Нβ)
313,16 нм (Hg)536,3 нм (Но)
334,15 нм (Hg)546,07 нм (Hg)
361,5 нм (Но)576,96 нм (Hg)
З65,48 нм (Hg)579,07 нм (Hg)

Шкала длин волн может быть калибрована также при помощи подходящих стеклянных фильтров, которые имеют фиксированные полосы поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях, а также стандартных стекол, содержащих дидим (смесь празеодима и неодима), и стекол, содержащих гольмий.

Проверка шкалы оптической плотности. Для проверки шкалы оптической плотности используют стандартные неорганические стеклянные фильтры или раствор калия дихромата при длинах волн, указанных в табл. 2, где для каждой длины волны приведено точное значение удельного показателя поглощения  и допустимые пределы.

Раствор калия дихромата для проверки шкалы оптической плотности при 235, 257, 313 и 350 нм готовят следующим образом: от 57,0 до 63,0 мг (точная навеска) калия дихромата, предварительно высушенного до постоянной массы при температуре 130 °С, растворяют в 0,005 М растворе серной кислоты и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000 мл. Для проверки оптической плотности при 430 нм, растворяют 57,0-63,0 мг (точная навеска) калия дихромата в 0,005 М растворе серной кислоты и доводят объём раствора тем же растворителем до метки.

Таблица2 ‑ Удельный показатель поглощения стандартов при различных длинах волн

Длина волны, в нанометрахУдельный показатель поглощения Допустимые пределы для 
235124,5От 122,9 до 126,2
257144,5От 142,8 до 146,2
31348,6От 47,0 до 50,3
350107,3От 105,6 до 109,0
43015,9От 15,7 до 16,1

Предельный уровень рассеянного света. Рассеянный свет может быть обнаружен при данной длине волны с использованием соответствующих фильтров или растворов: например, оптическая плотность раствора 12 г/л калия хлорида в кювете с толщиной слоя 1 см резко увеличивается между 220 и 200 нм и должна быть больше 2 при 198 нм при использовании воды в качестве раствора сравнения.

Разрешающая способность (для качественного анализа). Если есть указание в фармакопейной статье, определяют разрешающую способность спектрофотометра следующим образом.

Записывают спектр 0,02 % (об/об) раствора толуола в гексане.

Минимально допустимое значение отношения оптической плотности в максимуме поглощения при 269 нм к оптической плотности в минимуме поглощения при 266 нм указывают в фармакопейной статье.

Ширина спектральной щели (для количественного анализа). В случае использования спектрофотометра с изменяемой шириной спектральной щели при выбранной длине волны возможны погрешности, связанные с шириной этой щели.

Для их исключения ширина щели должна быть малой по сравнению с полушириной полосы поглощения (шириной на половине оптической плотности) и в то же время должна быть максимально велика для получения высокого значения интенсивности падающего монохроматического излучения (I0).

Таким образом, ширина щели должна быть такой, чтобы дальнейшее ее уменьшение не изменяло величину измеряемой оптической плотности.

Кюветы. Допустимые отклонения в толщине слоя используемых кювет должны быть не более ±0,005 см. Кюветы, предназначенные для испытуемого раствора и раствора сравнения, должны иметь одинаковое пропускание (или оптическую плотность) при заполнении одним и тем же растворителем. В противном случае это различие следует учитывать.

Требования к растворителям.

Для определений, производимых в ультрафиолетовой и видимой областях, образец анализируемого вещества растворяют в соответствующем растворителе, который должен быть оптически прозрачным в используемой области длин волн. Для этих областей длин волн пригодны многие растворители, в том числе вода, спирты, хлороформ, низшие углеводороды, эфиры и разбавленные растворы сильных кислот и щелочей.

Идентификация

Абсорбционную спектрофотометрию в ультрафиолетовой и видимой областях спектра применяют для определения подлинности лекарственных средств путем:

— сравнения спектров поглощения испытуемого раствора и раствора стандартного образца; в указанной области спектра должно наблюдаться совпадение положений максимумов, минимумов, плеч и точек перегиба;

— указания положений максимумов, минимумов, плеч и точек перегиба спектра поглощения испытуемого раствора; расхождение между наблюдаемыми и указанными длинами волн в максимумах и минимумах поглощения не должно обычно превышать ± 2 нм.

Возможны и другие варианты применения, оговоренные в фармакопейных статьях.

Количественное определение

Определение концентрации веществ спектрофотометрическим методом основано на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера:

где:

С – концентрация вещества в г/100 мл;

А – оптическая плотность испытуемого раствора;

 – удельный показатель поглощения вещества;

b – длина оптического пути или толщина слоя, в сантиметрах.

В ряде случаев, даже при использовании монохроматического излучения могут наблюдаться отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера, обусловленные процессами диссоциации, ассоциации и комплексообразования.

Поэтому предварительно следует проверить линейность зависимости оптической плотности раствора от концентрации в аналитической области.

При наличии отклонений от линейной зависимости следует пользоваться не формулой (3), а экспериментально найденной зависимостью.

Обычно определение концентрации спектрофотометрическим методом проводят с использованием стандартного образца. Расчет концентрации основан на использовании уравнения:

где:

С и С0 – концентрации испытуемого раствора и раствора стандартного образца, соответственно;

А и А0 – оптические плотности испытуемого раствора и раствора стандартного образца, соответственно.

Концентрации испытуемого и стандартного раствора должны быть близки.

Вначале измеряют оптическую плотность раствора стандартного образца, приготовленного, как указано в фармакопейной статье, затем проводят измерение оптической плотности испытуемого раствора. Второе измерение проводят сразу после первого, с использованием той же кюветы, в тех же экспериментальных условиях.

Метод с использованием стандартного образца является более точным и надежным. Возможность применения значения удельного показателя поглощения в каждом конкретном случае следует обосновывать. Обычно метод с использованием значения удельного показателя поглощения применим при допусках содержания анализируемого вещества не менее ±10 % от номинального содержания.

Многокомпонентный спектрофотометрический анализ

Многокомпонентный спектрофотометрический анализ (анализ смесей) применяют для одновременного количественного определения нескольких компонентов лекарственных средств, каждое из которых подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера.

Количественное определение в многокомпонентном спектрофотометрическом анализе основывается обычно на использовании уравнения:

где:

Аi – оптическая плотность испытуемого раствора при i-ой длине волны;

Еij – показатели поглощения (зависящие от способа выражения концентрации) j-го компонента образца при i-ой аналитической длине волны;

cj – концентрация j-го компонента образца.

Соответствующие методики проведения анализа и расчетные формулы указываются в фармакопейных статьях.

Производная спектрофотометрия

В производной спектрофотометрии исходные спектры поглощения (нулевого порядка) преобразуются в спектры производных первого, второго и более высокого порядков.

Спектр первой производной представляет собой график зависимости градиента кривой поглощения (скорость изменения оптической плотности от длины волны, dA/dλ) от длины волны.

Спектр второй производной представляет собой график зависимости кривизны спектра поглощения (d2A/dλ2) от длины волны. Вторая производная при любой длине волны связана с концентрацией следующим соотношением:

где:

А– оптическая плотность при длине волны λ;

– удельный показатель поглощения при длине волны λ;

с– концентрация вещества в растворе, в граммах/100 мл;

l– толщина слоя, в сантиметрах.

Производная спектрофотометрия может быть использована как для целей идентификации веществ, так и для их количественного определения в многокомпонентных смесях, а также в тех случаях, когда имеется фоновое поглощение, вызванное присутствием веществ, содержание которых не регламентируется.

Разрешающая  способность

Если указано в фармакопейных статьях, записывают спектр второй производной для раствора 0,2 г/л толуола в метаноле, используя метанол в качестве раствора сравнения.

На спектре должен присутствовать небольшой отрицательный экстремум, расположенный между двумя большими отрицательными экстремумами при 261 нм и 268 нм, в соответствии с рис. 1.

Если нет других указаний в фармакопейных статьях, отношение А/B должно быть не менее 0,2.

Методика

Процедура анализа аналогична применяемой в обычной спектрофотометрии, но вместо оптических плотностей используют производные. Готовят раствор испытуемого образца, настраивают прибор в соответствии с инструкцией производителя и рассчитывают количество определяемого вещества, как указано в фармакопейной статье.

Рисунок 1 – Спектр второй производной раствора толуола (0,2 г/л) в метаноле

Скачать в PDF ОФС.1.2.1.1.0003.15 Спектрофотометрия в УФ и видимой областях

Источник: https://pharmacopoeia.ru/ofs-1-2-1-1-0003-15-spektrofotometriya-v-uf-i-vidimoj-oblastyah/

Vse-referaty
Добавить комментарий