спектроскопические методы анализа

Рис. 3.26. Спектры поглощения бихромат- и хромат-анионов

Поглощение хромата при длине волны, соответствующей максимуму поглощения бихромата, много ниже, чем бихромата. Поэтому, конечно, если доля хромата в равновесии двух форм будет велика из-за несоблюдения рН, регистрируемый сигнал будет много ниже и градуировочный график не будет линейным. Это лишь один из примеров. Следует особо подчеркнуть, что протекание любого побочного химического равновесия (помимо реакции образования аналитической формы – аналитической реакции), может приводить к серьезным ошибкам определения.

Условия спектрофотометрического определения

Для успешного проведения спектрофотометричского анализа следует соблюдать следующие условия:

1) Собственное поглощение определяемого вещества в УФ или видимой области спектра. Если это условие не выполняется, то необходима аналитическая реакция, которая превращает определяемое вещество в поглощающее в нужной спектральной области соединение. Полнота образования аналитической формы (MR):

51

Т. е., в том случае, если используют аналитическую реакцию образования окрашенного продукта или дериватизации для получения поглощающего в УФ-области соединения, равновесие этой реакции должно быть сдвинуто в сторону образования продукта (аналитической формы).

2)Избирательность определения (отсутствие мешающего влияния компонентов смеси).

3)Оптимальная длина волны.

4)Оптимальная длина кюветы.

5)Подчиняемость системы закону Бугера – Ламберта – Бера.

Относительная ошибка спектрофотометрического метода

Для спектрофотометрического метода анализа существует экспериментально установленная зависимость относительной ошибки ( сс)

в измерении поглощения от значения измеряемого поглощения (А). Эта зависимость приведена на рис. 3.27.

Рис. 3.27. Зависимость относительной погрешности спектрофотометрических измерений от величины измеряемого поглощения

52

Следует иметь в виду, что именно ошибка в измерении А вносит основной вклад в относительную погрешность определения. Из приведенных на рисунке данных следует, что существует оптимальная, с точки зрения величины относительной погрешности, область измеряемых значений А. Она соответствует интервалу от 0,1 до 1,1. В этом интервале ошибка не превышает 2%. Оптимальным с этой точки зрения является значение 0,436 по шкале поглощения А и 36,8% по шкале Т – пропускание. Таким образом, при измерении поглощения нужно добиваться того, чтобы измеряемые для построения градуировочного графика поглощения растворов соответствовали этому диапазону.

Чувствительность спектрофотометрического метода

По сравнению с методами атомной спектроскопии, метод спектрофотометрии имеет меньшую чувствительность. Если исходить из того, что минимальный измеряемый сигнал в этом методе соответствует A = 0,01, среднее значение коэффициента молярного поглощения лежит в интервале = 103 – 104 и длина кюветы l = 1 см. Если эти значения подставить в формулу закона Бугера – Ламберта – Бера (15), то получится, что значение минимально определяемой концентрации составит приблизительно 10 6 – 10 4 M или 0,1 – 10 мкг/мл.

3.2.2. Методы молекулярной спектроскопии ИК-диапазона

Явление взаимодействия химических веществ с ИК-излучением было открыто У. Эбни и И. Фестингом еще в 1861 году. В настоящее время метод, основанный на этом явлении, стал одним из основных для исследования веществ различной химической природы, в том числе биологически активных веществ и, особенно, лекарственных препаратов.

ИК-спектроскопия – метод исследования веществ, основанный на поглощении ИК-излучения, в результате чего происходит усиление колебательных и вращательных движений молекул. Бóльшее проявление

53

имеют колебательные движения, поэтому ИК-спектры часто называют колебательными (или молекулярными).

Атомы в молекулах никогда не находятся в состоянии покоя, а колеблются относительно каких-то средних положений, отчего расположение их относительно друг друга постоянно изменяется. ИКизлучение усиливает эти колебания, при этом часть энергии самого излучения теряется. В ходе ИК-анализа фиксируется ослабление прошедшего ИК-излучения: I = I0 – I потери (I0 – интенсивность падающего монохроматического излучения, I – интенсивность прошедшего монохроматического излучения). Таким образом, экспериментальным результатом в ИК-спектроскопии является инфракрасный спектр – функция интенсивности прошедшего сквозь вещество инфракрасного излучения от его частоты.

Энергия, необходимая для возбуждения колебаний атомов в молекуле, соответствует энергии квантов света с длиной волны от 1 до 15 мкм или волновым числом в диапазоне 400 – 4000 см-1, что соответствует электромагнитному излучению средней инфракрасной области. Области, примыкающие к ней, называются ближней инфракрасной (12500 – 4000 см-1) и дальней инфракрасной (625 – 50 см-1). Слова «ближний» и «дальний» характеризуют близость к области видимого света.

Колебательные уровни молекул квантованы, т.е. энергия переходов между ними и, следовательно, частоты колебаний могут иметь только строго определенные значения. Поглощая квант света, молекула может переходить на более высокий колебательный уровень, обычно из основного колебательного состояния в возбужденное.

Поглощение инфракрасного излучения вызывают колебания, связанные с изменением либо длин связи, либо углов между связями. Это означает, что в зависимости от частоты поглощенного излучения начинает периодически растягиваться определенная связь или искажаться определенный угол между связями.

Таким образом, основными типами колебаний являются так называемые валентные и деформационные колебания.

Валентные колебания – это колебания ядер атомов вдоль линии связи, они обозначаются буквой ν (νС=С, νС=О). Приближенной

54

механической моделью валентных колебаний может служить система из двух шаров, связанных пружиной (шары изображают атомы, а пружина – химическую связь) (рис. 3.28).

Рис. 3.28. Простейшая модель валентных колебаний

При растяжении или сжатии пружины шары начнут колебаться вокруг положения равновесия, т. е. будет осуществляться гармоническое колебание, описываемое уравнением:

где ν – частота колебания;

F – силовая постоянная; характеризующая прочность связи, или силу, возвращающую шары в положение равновесия;

mr – приведенная масса атомов, вычисляемая по формулам:

где m1 и m2 – массы атомов.

Валентные колебания могут быть симметричными (νs) и антисимметричными (νаs). В случае симметричных колебаний различные связи в молекуле одновременно удлиняются или укорачиваются, и пары атомов одновременно приближаются и отделяются (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Валентное симметричное колебание связей в молекуле

55

Антисимметричными называются колебания молекул, при которых одна из связей укорачивается, а другая – удлиняется; в этом случае приближение и отдаление разных пар атомов происходит не одновременно

(рис. 3.30).

Рис. 3.30. Валентное антисимметричное колебание связей в молекуле

Частота антисимметричного колебания всегда выше, чем симметричного.

Деформационные колебания связаны с изменением валентного угла, образованного связями у общего атома, т.е. это те колебания, при которых атомы смещаются с межъядерной оси; они обозначаются буквой δ (рис.

3.31).

Рис. 3.31. Деформационные колебания связей в молекуле

56

Для возбуждения деформационных колебаний требуется меньшая энергия, чем в случае валентных колебаний и, следовательно, они имеют меньшую частоту.

Валентные колебания располагаются в области больших частот 4000

– 1400 см 1, деформационные – в области низких < 1400 см 1. В зависимости от природы, деформационные колебания разделяют на скелетные (800 – 1500 см 1) и колебания групп (> 1500 см 1).

С увеличением числа атомов в молекуле число возможных колебаний быстро растет. В реальной молекуле колебания атомов тесно связаны друг с другом и взаимодействуют между собой.

Помимо основных полос в спектре наблюдаются также обертоны, полосы резонансного взаимодействия или составные полосы, возникающие в результате взаимодействия полос поглощения отдельных атомов.

Колебательными спектрами обладают не все молекулы, а только те, у которых при колебании происходит изменение дипольного момента

(например, HCl, H2O, но не Cl2, N2, O2).

ИК-спектры органических молекул представляют собой сложный набор полос, соответствующих различным колебаниям атомных групп, каждое из которых проявляется в узком интервале частот. Общее число полос поглощения в спектре, связанных с колебаниями атомов, определяется для нелинейной молекулы формулой (3N – 6) основных колебаний и (3N – 5) для линейной молекулы, где N – число атомов в молекуле. Фактически число полос в спектре не всегда равно этому числу. Оно может уменьшаться вследствие того, что часть полос не проявляется в ИК-спектре, что связано со степенью симметрии молекулы. Уменьшение числа полос происходит из-за того, что для достаточно симметричных молекул различные колебания могут иметь одинаковые частоты и в результате этого в спектре соединения с относительно простой структурой проявляется, например, вместо двух или трех, лишь одна полоса.

Интенсивность поглощения в ИК-спектроскопии обычно выражают как поглощение (А) или чаще как пропускание (Т) светового потока в процентах, аналогично поглощению в УФ- и видимом диапазоне.

57

Таким образом, зарегистрировав прошедшее сквозь образец излучение, можно получить спектр пропускания или спектр поглощения (рис. 3.32). Спектры пропускания и поглощения, по сути, являются разными способами представления одной и той же информации о веществе.

Рис. 3.32. ИК-спектры поглощения и пропускания

Полосы также оцениваются ориентировочно как сильные (с), средние (ср) и слабые (сл).

Частота валентных колебаний определяется массой атомов и прочностью (энергией) связи. Чем больше масса, тем меньше частота,

58

например: νС-С ~ 1000 см 1, а νС-Н ~ 3000 см 1. Чем прочнее связь, тем выше частота ее колебаний: νС-С ~ 1000 см 1, νС=С ~ 1600 см 1.

Рис. 3.33. ИК-спектр с полосами разной интенсивности

При изучении взаимодействия ИК-излучения с веществами различного химического строения было установлено, что многие атомные группы, например, -ОН, -NH2, -NO, >СО, а также определенные связи, такие как С-Н, С-С, С=С, С=О, характеризуются определенными частотами, мало отличающимися в различных соединениях.

Поскольку ни одна функциональная группа в сложной молекуле не является в полной мере изолированной от колебаний остальной части молекулы, частота и интенсивность ее полос в спектре будет изменяться в зависимости от химического окружения в узком интервале частот.

Анализ ИК-спектров многих тысяч органических соединений позволил составить корреляционные таблицы, которые связывают функциональные группы с частотой и интенсивностью колебаний. Такие частоты получили название характеристических или групповых частот

(табл. 3.5).

Существование таких частот обусловлено тем, что, хотя зависимость между колебаниями разных частей молекулы существует всегда, взаимодействие связей в пределах функциональной группы характеризуется строгим постоянством и только в небольшой степени зависит от природы углеродного скелета, несущего эту функциональную группу. Поэтому оказывается возможным установить соответствие между различными функциональными группами и свойственными им групповыми частотами.

59

60