Способы получения окрашенных соединений спектрофотометрия

Спектрофотометрический метод

Содержание статьи

На способности поглощения молекулами и атомами излучения, имеющего электромагнитную природу, базируется спектрофотометрический метод.

Спектрофотометрический метод анализа

Молекулы, имеющие одинаковую связь и образующие одну группу, в ИФ области выдают полосы поглощения соответствующей характеристической частоты. Данные характеристические частоты помогают определить по получаемому спектру имеющиеся в исследуемой взвеси наличие искомых групп атомов или молекул.

Делят спектрофотометрию: на молекулярную, когда искомое вещество молекулярная структура, и атомную. В зависимости от длин волн, которые способен различить прибор, и веществ, которые надо будет определять, выбираются спектрофотометры.

Для внесения поправок на законы преломления и рассеяния в некоторых устройствах, проводят измерение взвеси (раствор с исследуемым веществом) и раствора. Когда луч света проходит через взвесь, то в зависимости от поглощающих свойств вещества, происходит его ослабление. Интенсивность ослабления луча имеет зависимость от содержания вещества во взвеси. Более точная зависимость определяется у Бугера-Ламберта-Бера (БЛБ), закон «вещество его толщина – от ослабления линии энергии».

Спектрофотометрическое определение фигурирует во многих областях для разных задач:

• подтверждает подлинность заявленного элемента/продукта,
• определяет доброкачественность изготовленного препарата,
• с его помощью находят радиоактивные элементы в водоемах,
• количественно оценивает, сколько разных веществ находится во взвеси,
• различать химические элементы во взвеси.

Применяется в биологических и геологических лабораториях, в целях радиационной безопасности (на АЭС, институтах и т.д.), промышленностях, где требуется знать химический состав продуктов и материалов.

Математическое описание спектрофотометрического метода

Введем понятие коэффициента пропускания Т.

I – интенсивность световой энергии, прошедшей через взвесь,

I₀ – через раствор.

Для определения концентрации искомых веществ, спектрофотометры используют оптическую плотность, которая находится как D=-lоg₁₀(T).

Количественно отыскивается концентрация посредством закона БЛБ:

С помощью элементарных преобразований легко можно получить, что lоg₁₀(T)=ε*l*c или D= ε*l*c.

Обозначения переменных представлены ниже в ограничениях данного закона.

Если в раствор вводят несколько исследуемых элементов, то метод применим и в этом случае. Каждый элемент будет давать свой вклад в общую оптическую плотность по закону сложения:

Закон Бугера Ламберта Бера определяет, что оптическая плотность, линейно связана с концентрацией, а ее график выходит из начала координат. В реальности линейность не всегда наблюдается.

Закон Бугера Ламберта Бера

Чтобы закон полностью выполнялся, должны соблюдаться следующие условия:

1. Излучение должно быть монохроматическим, т.е. длина волны должна быть одинаковой, ей будут просвечивать раствор и взвесь.
2. Молярный коэффициент поглощения (ε) зависит от преломляющих свойств сред – как взвеси, так и раствора. Если преломление во взвеси сильнее, то линейный закон не применим. Чем больше коэффициент ε, тем более чувствительным будет метод в данном определении.
3. Во время измерений должна быть постоянная температура окружающей среды. Допустимо изменение только в пределах пары градусов.
4. Применяться должен только параллельный пучок света.
5. В процессе измерения спектрофотометром концентрация (с) анализируемого вещества не должна меняться вследствие изменения природы исследуемого вещества. Например, во взвеси не должны молекулы переходить в ионы, в результате диссоциации или кислотно-основной реакции.
6. Стараться избегать возбуждения электронов в атоме (иногда такой способ тоже применяют для анализа, но в классическом применении его избегают), то есть не облучать атомы энергией свыше шестидесяти килоджоулей.
7. Свет должен проходить одинаковый путь (l) при измерении раствора и взвеси.
8. В качестве раствора часто применяют дистиллированную воду.

Ограничения спектрофотометрического метода

1. Интенсивнее поглощаются те энергии (длина волны), которые соответствуют энергетическим уровням возбуждения внутренних переходов атомов и молекул: тогда молярный коэффициент поглощения максимален.
2. Метод плохо работает для смеси газов.
3. Ограничения закона БЛБ.

Преимущества спектрофотометрического метода

1. Хорошо подходит для определения состава инертных газов.
2. Работает с низкими концентрациями – различает элементы, если их немного во взвеси.
3. Можно добиться расширенной неопределенности на уровне 0,5-1,%.
4. Применим как для высокого, так и для низкого содержания вещества в растворе.
5. Применим для примесей, ввиду закона сложения.
6. Быстрота определения (если не считать подготовку растворов).
7. Простота.

Техническая часть спектрофотометрического метода

Спектрофотометрическое исследование требовательно относится к подготовке растворов, как окрашенных, так и чистых. Для того чтобы производить измерения спектров, используют спектрофотометр и фотоколориметр, в которые помещают исследуемые растворы.

Основные части спектрофотометра:

1. источник излучения,
2. монохроматор (если источник света не может дать монохроматический луч),
3. кювета, в которую размещаются растворы и взвеси,
4. измерительный прибор.

Основные части расширяются: 1 призмами, зеркалами и линзами, чтобы добиваться параллельности света, 2 клиньями и диафрагмами, которые выравнивают интенсивность световых лучей.

Получить монохроматический свет можно следующими источниками света:

• непрямым солнечным светом,
• галогенными лампами,
• лазером,
• штифтом Нернста,
• лампой накаливания,
• глобар штифт,
• флуоресцентным излучением.

Спектрофотометрическое измерение, как описано выше, требует подбора нужной оптической линии. Для изготовления штифта Нернста (шН) применяют оксиды редкоземельных Me, которые плотно спрессовывают между собой в столбец. Глобар (Г) получают спрессовыванием в столб, карбида кремния. Когда через них пропускают ток, то они выдают световое излучения с соответствующими длинами волн: шН – от 1,6 до 2,0 мкм или от 5,6 до 6,0 мкм; Г – от 2 до 16 мкм.

Монохромизаторы – это те устройства, которые создают стабильную волну. В качестве начинки монохромизаторов используют светофильтры и призмы.

Разделяют светофильтры на:

1. Абсорбционные
2. Интерференционные
3. Интерференционно-поляризационные

Для изготовления светофильтров и кюветов чаще всего используют кварц и стекло.

В качестве приемников интенсивности световых лучей или рецепторов используют фото-умножители и фотоэлементы. Характеризуют рецепторы по двум свойствам: спектральная и интегральная чувствительность. Первая характеристика – умение различать разные оптические линии, интегральная чувствительность – умение реагировать на сплошной поток света.

Для измерений в области ИК, излучения используют термоэлементы, которые делают из термо-ЭДС или термопары, и болометр. Последний изменяет сопротивление материала при воздействии на него температурой: термоэлемент встроен в мостовую схему, инфракрасное излучение вызывает нагревание этого элемента и разбаланс моста.

Спектрофотометрический анализ включает в себя построение градуировочной характеристики по известным образцам, чтобы вывести зависимость C=f(D), соотнесение полученных результатов в последующем. Когда градуировочная характеристика определена, то порядок измерения такой: 1 раствор (является основой при измерениях) — его измерение, 2 добавление в раствор исследуемого вещества,3 добавление красителя. В этом случае, степень окраски взвеси должна прямо зависеть, от концентрации исследуемого вещества, 4 измерение в спектрофотометре окрашенного раствора. Иногда в спектрофотометр вбиты соответствующие базы, и тогда метод не требует градуировочных образцов.

Производная спектрофотометрия

При этой разновидности метода, используют две разные линии света, для измерения взвеси. Лучи близко расположены друг к другу по спектру, формируются светофильтрами, которые встроены в прибор. Данное устройство может определить концентрацию разных веществ в одном растворе. По сравнению со спектрофотометрами цена на фотоколориметры не высока (спектрофотометр СФ-2000-02 стоит 192 000 руб., а фотоколориметр КФК-5М 55 000 руб.), а точность достаточна, для проведения большинства анализов.

Современные спектрофотометры позволяют менять величину кювета, что увеличивает возможности анализа, некоторые производят анализ всего за несколько секунд.

Таблица. УФ-видимая производная спектрометрия ионов металлов.

Вещества (катионы)	Автор	Год	d n	Примечания
Be, Mg	Salinas	1987	1	Органический комплекс
Be	Zhu	1989	3	В бериле
Bi	Morelli	1982	1, 2	Комплекс с тиобарбитуровой кислотой; Cu наличие
Bi, Pb	Li	1986	4	Следы в Sn
Ca	Chen	1986	4	Органический комплекс
Ca	Jimenez	1990	—	В крови и моче
Ge	Wang	1987	—	Следы в минералах
Mg	Salinas	1986	1	Органический комплекс
Pb (Zn, Cd)	Li	1989	3	В поверхностно-активных веществах
S	Niu	1985	Комплекс ЭДТА
Co	Odashima	1986	Органический комплекс; следы
Co	Jyothi	1987	> 2	Комплексы с красителями
Co, Fe	Jiang	1988	В Ni
Co, Ni	Murillo	1988	1	Совместное определение
Co, V	Jimenez	1989	2	В сталях
Cr(III)	Shijo	1986	2	Органический комплекс
Cr, Mn	Zhen	1986	—	В Cr сталях
Cr, Mn	Iyer	1986	—	Совместное определение; в сталях
Cu	Ishii	1980	2, 4	Органический комплекс
Cu, Fе(III)	Morelli	1983	1, 2	Органический комплекс
Cu, Co	Bermejo-Bantra	1985	—	Комплекс ЭДТА
Cu, Zn	Li	1987	—	Органический комплекс
Cu, Zn	Wei	1989	4	Органический комплекс в воде; редко-земельные элементы
Fe(II), Fe(III)	Talsky	1982	4	Прямое определение
Fe(III), Co, Ni	Talsky	1982	4	Прямое и совместное определение
Fe	Singh	1983	2	Hg концентраты
Fe(III), Cu	Morelli	1983	1, 2	Органический комплекс
Fe(III)	Bermejo-Barrera	1984	—	Комплекс ЭДТА
Fe(II), Fe(III)	Haubensak	1985	4	Прямое определение
Fe(III), Co, Ni	Haubensak	1985	4	Прямое совместное определение
Fe(III)	Bermejo-Barrera	1986	—	Комплекс ЭДТА
Fe	Odashima	1986	—	Органический комплекс; следы
Fe	Ishii	1986	2	Органический комплекс
Fe(III), Bi	Bermejo-Barrera	1987	Комплекс ЭДТА
Fe, Nd, Pr	Ren	1987	3	В Nd-Fe-сплавах
Fe,Co	Jiang	1988	В Ni
Fe(III)	Mori	1989	3	Органический комплекс
Hg(II)	Griffiths	1979	2, 4
Hg	Medilina	1986	—	Органический комплекс
Hg	Sharma	1989	—	В пестицидах
In	Shanna	1986	>2	Органический комплекс
Mn, Cr	Zhen	1986	—	В Cr- сталях
Mn, Cr	Jyes	1986	—	Совместное определение в сталях
Mn	Lin	1987	—	Следы
Mn	Kus	1989	4	В Ni
Mo	Qu	1985	1	Органический комплекс в рудах и минералах
Mo	Hernandez-Mendez	1987	3	Комплексы красителей
Mo, Ti, V	Suzuki	1987	1	Пероксо комплексы в смесях
Nb	Wang	1988	В минералах
Ni	Ishii	1982	2	Концентрация в нг × мл –1
Ni, Co, Fe(III)	Talsky	1982	4	Прямое совместное определение
Ni, Co, Fe(III)	Haubensak	1985	4	Прямое совместное определение
Ni	Malinowska	1986	—	Органический коплекс
Ni	Wang	1986	—	В Co-минералах
Ni, Co	Murillo	1988	1	Совместное определение
Os(VIII), Pd(II)	Morelli	1985	2	Смеси
Pd(II), Ru(III)	Morelli	1983	2	В смесях
Pd, Pt	Qu	1984	1	Совместное определение в рудах
Pd(II), Os(VIII)	Morelli	1985	2	Смеси
Pd, Pt	Kus	1987	5	Дитизонаты
Pd, Pt	Mai	1987	—	Cовместное определение
Pd, Pt, Au	Kuroda	1990	1	Хлорокомплексы
Rh(III)	Shijo	1988	2	Органический комплекс
Ru(III), Pd(II)	Morelli	1983	2	Смеси
Ru(III)	Shijo	1987	2	Органический комплекс
Sc	Li	1986	—	Сложные красители
Sc	Li	1988	3	В сплавах
Ta	Kvaratskheli	1990	1	В присутствии Nb
Ti, V, Mo	Suzuki	1987	1	Пероксокомплексы смеси
V, Co	Jimenez	1989	2	В сталях
Zn, Cd	Talsky	1981	5	Дитизонаты; смеси
Zn, Cd	Talsky	1982	5	Дитизонаты; в смесях
Zn, Cu	Li	1987	—	Органический комплекс
Zn, Cd, Pb	Li	1989	3	В поверхностно-активных веществах
Zn, Cu	Wei	1989	4	Органический комплекс
Zr	Wang	1986	1	В Ag-Pd сплавах
Ионы металлов	Edwards	1985	—	В гумусовых веществах
Редкоземельные элементы	Shibata	1973	1
Редкоземельные элементы	Zhang	1986	> 2	Органический комплекс
Ce, Er	Poro	1972	1	Органический комплекс
Ce,Tb	Mishchenko	1987	—
Eu, Sm	Kucher	1983	—	В смесях
Eu, La	Rao	1986	>2	Совместное определение
Gd	Lepine	1986	2	В нитратах
Gd	Alexandrova	1988	—
Gd	Yan	1989	4	В солях редкоземельных элементов
Ho	Cottrell	1980	2
La, Eu	Rao	1986	> 2	Совместное определение
Nd	Hernandez-Mendez	1987	> 2	Органический комплекс
Nd, Tm	Garcia Sanchez	1987	—	Смеси
Nd	Hernandez-Mendez	1988	> 2	В стеклах
Ho, Nd, Sm, Er,	Li	1989	3
Eu, Pr, Nd, Sm, Eu,	Alexandrova	1982	—	EDTA-комплекс
Dy, Ho, Er, Тm	Ren	1985	>2	Смеси редко земельных элементов
Pr, Nd, Dy, Тm Pr, Nd, Sm, Eu,	Alexandrova	1987	—	В смесях
Ho, Er	Bai	1987	—	EDTA-комплекс
Pr, Nd, Eu, Ho, Er, Tm	Chen	1987	2	Органические комплексы
Pr	Sukumar	1988	3	Следы в Al
Sm	Bhagarathy	1988	3	Сложные красители
Tm, Nd	Garcia Sanchez	1987	—	Смеси
U(IV)	Perfil’ev	1984	—	Органический комплекс
(UO2) 2+	Perfil’ev	1986	—	Органический комплекс
(UO2) 2+	Skujins	1986	2
U	Kvaratskheli	1988	1	Th присутствует
Th, U	Kuroda	1990	2	Мышьяк азокомплекс

материалы по теме

Энергосберегающий метод обогащения титаносодержащих руд

Научные сотрудники Института горного дела УрО РАН создали новейший метод переработки титаносодержащих руд, который дает возможность уменьшить цену их последующего обогащения. Энергоемкость получения титано-магнетитовых концентратов уменьшается на 7 — 8 %. «Мы предложили новые источники сырья и метод его производства. Такую схему можно использовать в эксплуатации Медведевского и Копанского месторождений, находящихся в Челябинском регионе», — рассказал директор института Сергей Корнилков.

Испытания защитных покрытий

Защитные покрытия используют для предотвращения появления дефектов тех или иных поверхностей. В зависимости от материала покрытия, способы предохранения также отличаются между собой. Виды защиты, отличия и сходства, «плюсы» и «минусы», а также методы улучшения их качества рассмотрим в данной статье.

Испанские ученые предложили метод исследования автомобильных металлических покрытий

Испанские ученые предложили метод исследования красочных покрытий с хлопьями металлического покрытия.

Источник