Оптические методы
анализа
Оптические методы анализа основаны на
измерении оптических свойств вещества
(испускание, поглощение, рассеяние,
отражение, преломление, поляризация света),
проявляющихся при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.
Классификация оптических
методов анализа
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Оптические методы анализа классифицируют различным образом, а именно.
а)
По изучаемым объектам: атомный и молекулярный спектраль
ный анализ.
б)
По характеру взаимодействия электромагнитного излучения с
веществом.
в) По области используемого электромагнитного спектра. Различают
следующие методы.
Спектроскопия (спектрофотометрия) в УВИ области спектра, т.е. в ближней
ультрафиолетовой (УФ) области — в интервале длин волн -200—400 нм и в видимой
области — в интервале длин волн ~400—760 нм*.
Инфракрасная спектроскопия, изучающая участок электромагнитного спектра в
интервале 0,76—1000 мкм (I мкм = 10~6 м).
Реже в аналитике используются: рентгеновская спектроскопия (изучает
рентгеновские спектры); микроволновая спектроскопия, изучающая
электромагнитное излучение с длинами волн от 10"' до 10 см.
г) По природе энергетических переходов. Различают следующие спектры.
Электронные спектры (в основном в УВИ области) — возникают при изменении
энергии электронных состояний частиц (атомов, ионов, радикалов, молекул,
кристаллов).
Колебательные спектры. Охватывают ИК область и спектры комбинационного
рассеяния света. Колебательные спектры возникают при изменении энергии
колебательных состояний частиц (двух- и многоатомных ионов, радикалов, молекул, а
также жидких и твердых фаз).
Вращательные спектры. Охватывают дальнюю ИК и микроволновую область
электромагнитного излучения. Возникают при изменении энергии вращательных
состояний молекул, двух- и многоатомных ионов, радикалов.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Различают следующие методы.
Атомно-абсорбционный анализ. В основе метода лежит измерение поглощения
монохроматического излучения атомами определяемого вещества в газовой фазе
после атомизации вещества.
Эмиссионный спектральный анализ. В основе метода лежит измерение интенсивности
света, излучаемого веществом (чаще всего — атомами или ионами) при его
энергетическом возбуждении, например, в плазме электрического разряда.
Пламенная фотометрия. Основана на использовании газового пламени в качестве
источника энергетического возбуждения излучения.
Молекулярный абсорбционный анализ. В основе метода лежит измерение
светопоглощения молекулами или ионами изучаемого вещества. Наиболее
распространен.
Люминесцентный анализ. В основе метода лежит измерение интенсивности излучения
люминесценции, т.е. испускания излучения веществом под воздействием различных
видов возбуждения.
Спектральный анализ с использованием эффекта комбинационного рассеяния света
(роман-эффекта). Основан на измерении интенсивности излучения при явлении
комбинационного рассеяния света.
Нефелометрический анализ. Основан на измерении рассеивания света частицами
света дисперсной системы (среды).
Турбидиметрический анализ. Основан на измерении ослабления интенсивности
излучения при его прохождении через дисперсную среду.
Рефрактометрический анализ. Основан на измерении показателей светопреломления
веществ.
Интерферометрический анализ. Основан на изучении явления интерференции света.
Поляриметрический анализ. Основан на измерении величины оптического вращения
— угла вращения плоскости поляризации света оптически активными веществами.
Цвет и спектр
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Цвет — свойство света вызывать определенное зрительное ощущение в
соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого
излучения.
Длина волны, нм
Красный Оранжевый Желтый
760 — 650 650 — 600 600 — 560
Зеленый
560-490
Голубой Синий
490-450 450 — 420
Фиолетовый
420 — 400
Для запоминания последовательности расположения цвета при разложении
солнечного света в спектр полезно помнить известное словосочетание: Каждый
охотник желает знать, где сидит фазан.
• Изменение цвета вещества в
последовательности желтый ->
оранжевый -> красный -> пурпурный ->
синий -> сине-зеленый называют
«углублением цвета» (окраски).
Изменение цвета вещества в обратном
направлении называют «повышением
цвета» (окраски).
• При проведении количественного анализа оптическими
методами часто имеют дело с бесцветными средами, т.е.
не поглощающими видимый солнечный свет. В таких
случаях при необходимости проводят фотометрическую
реакцию, в результате которой получают окрашенные
• продукты реакции.
• Так, например, аквокомплексы железа(III)в водном
растворе обладают лишь слабо-желтой окраской. Если же
к раствору, содержащему катионы Fе3+, прибавить
раствор, содержащий анионы сульфосалицило-вой
кислоты, то образуются интенсивно окрашенные
сульфосалицилатные комплексы железа(III), цвет которых
зависит от рН среды и условий проведения реакции
комплексообразования. В результате получают окрашенный раствор, измеряемая интенсивность окраски
которого зависит от концентрации образовавшихся
сульфосалицитатных комплексов железа(III), т.е., в
конечном счете, от количества катионов Ре3+ в исходном
анализируемом растворе.
Понятие о происхождении
электронных спектров
поглощения
• Самый низший энергетический уровень — терм с
наименьшей энергией — называют основным. Все
прочие энергетические уровни относятся к
возбужденным) с основного уровня на первый
возбужденный называют основным переходом, все
остальные переходы — составными, обертонами,
комбинированными, гармониками и т.д. Возможны
энергетические переходы лишь между некоторыми
определенными уровнями, а не между любыми,
что определяется правилами отбора,
учитывающими строение светопоглощающей
частицы.
•
•
•
•
•
•
Электронные спектры поглощения органических и неорганических соединений,
несмотря на принципиально общую природу (наличие дискретных энергетических
электронных уровней, между которыми осуществляются переходы), обладают
рядом особенностей.
Электроны в молекуле или в ионе находятся на молекулярных орби-талях —
связывающих, несвязывающих, разрыхляющих.
Связывающими орбиталями (стсв, л08) называют такие орбитали, заселение которых
электронами приводит к уменьшению электронной энергии системы (атома,
молекулы, иона) и упрочнению соответствующих химических связей.
Разрыхляющими орбиталями (ст*, л*) называют такие орбитали, зйсе-ление которых
электронами увеличивает электронную энергию и дестабилизирует (разрыхляет)
систему.
К несвязывающим орбиталям (их часто обозначают как л-орбитали, хотя
несвязывающими или слабо связывающими могут быть и а-, и л-ор-битали) относят
такие орбитали, электроны которых существенно не влияют на энергетическую
стабилизацию или разрыхление системы.
Любая система самопроизвольно стремится к минимуму энергии, поэтому в
основном состоянии электроны вначале заселяют самые низколежащие орбитали,
затем последовательно — более высоко лежащие.
Фотометрический метод
анализа
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Фотометрический анализ относится к абсорбционным методам, т.е.
основан на измерении поглощения света веществом. Он включает
спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуальную фотометрию,
которую обычно называют колориметрией.
Каждое вещество поглощает излучение с определенными
(характерные только для него) длинами волн, т.е. длина волны
поглощаемого излучения индивидуальна для каждого вещества, и на
этом основан качественный анализ по светопоглошению.
Основой количественного анализа является закон Бугера-ЛамбертаБера:
А=elc
где А = –lg (I / I0) = –lg T – оптическая плотность;
I0 и I – интенсивность потока света, направленного на поглощающий
раствор и прошедшего через него;
с – концентрация вещества, моль/л;
l – толщина светопоглощающего слоя;
e - молярный коэффициент светопоглощения;
T - коэффициент пропускания.
• Рис.1 Схема фотоколориметра ФЭК-М: 1—лампа; 2—
светофильтры; 3—линзы; 4—диафрагмы; 5—кюветы;
6—фотоэлементы; 7—гальванометр; 8, 9—реостаты
Работа фотоколориметров всех систем
основана на принципе уравнивания
двух световых потоков, один из которых
проходит через кювету с исследуемым
раствором, другой - через кювету с
чистым растворителем.
Метод молярного
коэффициента поглощения.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных
растворов Аст, для каждого раствора рассчитывают e = Аст / (lсст) и полученное
значение e усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого
раствора Ах и рассчитывают концентрацию сх по формуле
сх = Ах /(el).
Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой системы
закону Бугера-Ламберта-Бера, по крайней мере, в области исследуемых концентраций.
Метод градуировочного графика. Готовят серию разведений стандартного
раствора, измеряют их поглощение, строят график в координатахАст – Сст. Затем
измеряют поглощение анализируемого раствора и по графику определяют его
концентрацию.
Метод добавок. Этот метод применяют при анализе растворов сложного состава,
так как он позволяет автоматически учесть влияние «третьих» компонентов. Сущность его
заключается в следующем. Сначала определяют оптическую плотность Ах анализируемого
раствора, содержащего определяемый компонент неизвестной концентрации сх, а затем в
анализируемый раствор добавляют известное количество определяемого компонента (сст)
и вновь измеряют оптическую плотность Ах+ст.
Оптическая плотность Ах анализируемого раствора равна
Ах = e l cх,
а оптическая плотность анализируемого раствора с добавкой стандартного
Ах+ст = e l (cх + сст).
Концентрацию анализируемого раствора находим по формуле:
сх = сст Ах / (Ах+ст – Ах).
Метод дифференциальной
фотометрии.
•
•
•
•
•
•
Если в обычной фотометрии сравнивается интенсивность света, прошедшего
через анализируемый раствор неизвестной концентрации, с интенсивностью
света, прошедшего через растворитель, то в дифференциальной фотометрии
второй луч света проходит не через растворитель, а через окрашенный раствор
известной концентрации – так называемый раствор сравнения.
Фотометрическим методом можно определять также компоненты смеси
двух и более веществ. Эти определения основаны на
свойствеаддитивности оптической плотности:
Асм = А1 + А2 + …+ Аn
где Асм - оптическая плотность смеси; А1 , А2, Аn – оптические плотности для
различных компонентов смеси.
Фотометрические методы анализа применяются для контроля
разнообразных производственных процессов. Эти методы могут быть
применены для анализа больших и малых содержаний, но особенно ценной их
особенностью является возможность определения примесей (до 10-5...106%). Методы абсорбционной спектроскопии используют в химической,
металлургической, фармацевтической и других отраслях, а также в медицине и
сельскохозяйственном производстве.
Промышленностью выпускаются приборы для абсорбционной
спектроскопии: колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры,
спектрофотометры и т. д., в которых используют различные комбинации
осветителей, монохроматоров и приемников света.
Колориметрия
• Колориметрией называют методы анализа, основанные на
измерении поглощения света окрашенными растворами в
видимой части спектра.
• Стандартным или образцовым раствором называют растворы с
точной концентрацией, применяемые для сравнения с
исследуемым раствором.
• В колориметрии используют химические реагенты, которые
образуют окрашенные соединения с определяемым веществом.
Сравнивая полученную окраску с окраской стандартного
раствора: того же вещества, определяют содержание
окрашенного вещества в исследуемом растворе.
• Интенсивность окраски раствора находится в прямой
зависимости от концентрации растворенного окрашенного
вещества и от толщины рассматриваемого слоя раствора. Эта
зависимость выражается основным законом колориметрии:
законом Бугера -- Ламберта--Бера.
•
•
Если пучок лучей белого света пропустить через стеклянную кювету,
наполненную окрашенным прозрачным раствором, то интенсивность
света будет ослабевать в результате отражения На границах фаз
(воздух--стекло, стекло--жидкость), рассеивания от неизбежно
присутствующих в растворе взвешенных частиц и главным образом в
результате поглощения лучистой энергии окрашенными частицами.
Поэтому интенсивность излучения, прошедшего через кювету с
окрашенным раствором и попадающего на сетчатку глаза человека или
на чувствительный физический прибор (фотоэлемент), будет меньше
интенсивности пучка света, входящего в кювету. Степень поглощения
окрашенными растворами волн падающего света различной длины
неодинакова Поглощение лучистой энергии раствором в видимой и
ультрафиолетовой областях спектра избирательно и зависит от свойства
поглощающих молекул или ионов.
Закон Бугера--Ламберта--Бера можно выразить уравнением
характеристики, позволяющей судить о чувствительности метода. Так,
если один и тот же ион образует окрашенные соединения с различными
реактивами, используемыми в колориметрии, то наибольшей
чувствительностью будет обладать тот колориметрический метод, в
котором будет использован окрашенный продукт реакции с
максимальным молярным коэффициентом поглощения.
•
БУГЕРА - ЛАМБЕРТА - БЕРА ЗАКОН - определяет ослабление пучка
монохроматич. света при его распространении через поглощающую
среду, в частном случае - через раствор поглощающего вещества в
непоглощающем растворителе. Пучок монохроматич. света
интенсивностью I0, пройдя через слой поглощающего вещества
толщиной l, выходит ослабленным до интенсивности I, определяемой
выражением
•
•
где -показатель поглощения - коэф., характеризующий свойства
вещества; зависит от длины волны поглощаемого света, и эта
зависимость наз. спектром поглощения вещества. Б--Л--Б. з.
экспериментально установлен в 1729 П. Бугером (P. Bouguer), в 1760
теоретически выведен И. Г. Ламбертом (J. H. Lambert) при очень
простых предположениях: при прохождении любого слоя вещества
относит. изменение интенсивности монохроматич. света dI/I зависит
только от показателя поглощения и толщины слоя l, т. е. . Решением
этого ур-ния и является Б--Л.- Б.
Нефелометрический и
турбидиметрический анализ
В нефелометрическом и турбидиметрическом анализе используется явление рассеяния света
твердыми частицами, находящимися в растворе во взвешенном состоянии.
Пробу освещают потоком света с интенсивностью I0, а затем, так же как в молекулярной абсорбционной
спектроскопии, измеряют интенсивность прошедшего излучения It или определяют
интенсивность излучения, рассеянного под определенным углом (например, I90 при 90о). С ростом
числа частиц суспензии отношение It/I0 уменьшается, а отношения вида I90/I0 увеличиваются, во всяком
случае, до умеренных концентраций. Для очень разбавленных суспензий измерение под углом гораздо
чувствительнее, чем измерения, когда источник и приемник излучения находятся на одной линии,
поскольку при этом можно наблюдать слабый рассеянный свет на темном фоне.
Метод, в котором используют интенсивность прошедшего света It, называют турбидиметрией, а метод с
измерением под углом 90о (или каким-либо другим) – нефелометрией. При турбидиметрических
измерениях величина, называемая мутностью, соответствует оптической плотности и может быть
определена из соотношения, аналогичного основному закону светопоглошения:
S = lg (I0/I) = k b N,
где S – мутность; k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом мутности; b –
длина пути; N – число рассеивающих частиц в единице объема.
•
•
•
•
•
Для турбидиметрических измерений можно использовать любой
фотометр или спектрофотометр. Если растворитель и рассеивающие
частицы бесцветны, максимальная чувствительность достигается при
использовании излучения голубой или ближней ультрафиолетовой
области. Для окрашенных систем оптимальную длину волны
необходимо подбирать экспериментально.
Используемое в нефелометрии расчетное соотношение
следующее:
I = Ka c I0,
где Ka - эмпирическая константа системы (a - угол, под которым
проводят измерения); с – концентрация.
Конструкции приборов для нефелометрических и
люминесцентных измерений идентичны, поэтому любой флуориметр
можно использовать в качестве нефелометра. Поскольку длина волны
при рассеянии не изменяется, необходимость во втором
монохроматоре или светофильтре отпадает, но если они имеются в
приборе, то их следует настроить на длину волны падающего света.
Многие серийные флуориметры снабжены специальными
приспособлениями для нефелометрических измерений.
•
•
•
Применение методов, основанных на измерении рассеяния света,
достаточно ограничено, прежде всего потому, что на измеряемый
сигнал сильно влияет размер частиц. Поэтому необходимо строгое
соблюдение идентичности условий построения градуировочного
графика и анализа исследуемого раствора. Можно сказать, что и
нефелометрия, и турбидиметрия могут быть полезными для
селективных аналитических реакций, в результате которых образуется
твердое соединение. Описаны методики определения аммиака
иодидом ртути (реактив Несслера), фосфата в виде малорастворимого
соединения с молибденом и стрихнином, сульфата бария с пределами
обнаружения десятые-сотые доли микрограмма в миллилитре и др.
Более интересно применение методов, основанных на
рассеянии света, для определения средней молекулярной массы
полимеров в растворах.
Еще одно направление практического использования таких
методов – это применение лазеров для дистанционного определения
частиц, содержащихся в воздушном пространстве.
Рефрактометрия
•
•
•
•
от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на
определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия
(рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и
структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей
и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума.
Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и
надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) nD20. Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо
также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).
В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость
показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)
n=n1V1+n2V2 ,
где n, n1 ,n2 - показатели преломления смеси и компонентов,
V1 и V2 - объемные доли компонентов (V1 + V2 = 1).
Рефрактометр
•
В середине поля между светлой и темной
частями нанесен крестик 6. Вследствие
дисперсии граница может быть нечеткой,
размытой и окрашенной во все цвета
радуги. Для устранения этого недостатка
применяют специальное устройство-компенсатор дисперсии, состоящий из двух
призм, вращающихся в разные стороны.
Через них входят и выходят, не меняя
направления, только желтые лучи,
соответствующие по длине волны линии D в
спектре натрия. Лучи другой окраски,
например голубые и красные, отклоняются
от этого направления на определенные
углы. При прохождении пучка лучей разного
цвета через компенсатор отклонение
дисперсии сводится к нулю и образуется
один белый луч. В результате получается
четкая и резкая граница между светлой и
темной половинами поля зрения, причем
направление луча будет такое же, как у луча
Ј>. Показатель преломления будет
соответствовать этому лучу (пв), несмотря
на то, что используется белый свет, а не
монохроматический.
