3.1. Уф и видимая спектрофотометрия

В оптическом диапазоне изучают спектры поглощения. В УФ и видимом диапазоне спектроскопия называется также спектрофотометрией. Исследуемый раствор помещается в кювету - сосуд с плоскопараллельными прозрачными стенками. Измерение поглощения света производится сравнением интенсивности двух лучей света внешнего источника: падающего на образец и прошедшего через него. Для того, чтобы сделать поправку на поглощение растворителем, используют эталонный образец с чистым растворителем. Светопоглощение измеряют по двух- или однолучевой схеме. В первом случае световой поток источника делят на 2 потока равной интенсивности и один пропускают через исследуемый раствор, другой - через эталонный, затем сравнивают интенсивности потоков на выходе. При однолучевой схеме оба раствора устанавливаются по очереди.

Для всех абсорбционных спектроскопических методов справедлив закон Бугера- Ламберта-Бэра:

I=I₀ exp(-lc) или log(I₀/I)=lc

где с - концентрация, l - толщина кюветы, I₀ - интенсивность падающего потока, I - интенсивность выходящего потока; отношение I₀/I называется пропусканием, а log(I_o/I) называется оптической плотностью, молярный коэффициент поглощения (л/моль см). Если в растворе присутствуют несколько поглощающих веществ, то оптическая плотность раствора равна сумме вкладов каждого из компонентов.

Закон Бугера- Ламберта-Бэра строго выполняется для монохроматического излучения, поэтому необходимо применять щелевые монохроматоры либо светофильтры. Фотоэлектроколориметры, в которых используется ограниченный набор сменных широкополосных стеклянных светофильтров, не являются спектральными приборами.

Спектрофотометрия в УФ и видимом диапазонах широко применяется в анализе неорганических и органических веществ; в частности, для определения окрашенных соединений ряда металлов, а также As, P , для определения некоторых функциональных групп органических соединений, например фенолов.

Для увеличения селективности определения применяют фотометрические реагенты, селективно взаимодействующие с определяемым веществом с образованием окрашенного (в случае видимого диапазона) продукта. Например, при определении Fe, Mo, W, Nb, Co и др. применяют тиоцианаты, а при определении меди - аммиак. В качестве фотометрических реагентов, образующих окрашенные комплексы с катионами металлов, широко применяют органические красители. Используется также предварительное разделение компонентов.

Преимущества этой спектрофотометрии - относительная простота аппаратуры, большой опыт применения. Недостаток - невысокая селективность.

Минимальная концентрация, определяемая спектрофотометрическим методом, не ниже 10^-7 М, то-есть чувствительность методов средняя.

3.2. Колебательная спектроскопия (ик и кр).

Инфракрасная спектроскопия (ИК) основана на измерении поглощения ИК-света за счет переходов между колебательными энергетическими уровнями молекул. В простейшем случае двухатомных молекул ядра совершают малые колебания около положения равновесия. Принимая, что возвращающая сила пропорциональна величине смещения (приближение гармонического осциллятора): F=-Kx, где К - силовая постоянная, потенциальная энергия U описывается формулой: U=Kx²/2. В соответствии с квантовой механикой, молекула обладает набором равноотстоящих колебательных уровней:

Е_v=h₀(v+1/2)

где E_v - энергия колебательного уровня,  - колебательное квантовое число, ₀- частота колебания, равная: ₀=1/2(K/)^1/2, приведенная масса двух ядер. В приближении гармонического осциллятора возможны лишь переходы между соседними колебательными уровнями, =1, и ИК-спектр двухатомной молекулы должен состоять из одной линии с частотой _0.. Многоатомные молекулы совершают много колебаний, при которых изменяются длины связей и углы между связями («валентные» и «деформационные» колебания), поэтому спектр состоит из набора линий. В действительности колебания не являются строго гармоничными, вследствие чего в спектрах появляются также полосы обертонов с удвоенными, утроенными и т.д. основными частотами, а также с составными частотами. Частоты колебаний ядер зависят от свойств химических связей и поэтому могут служить аналитическим свойством. ИК-спектры жидких и твердых образцов состоят из широких полос. Во многих случаях частоты колебаний различных функциональных групп (например, С=О, С-С, С-Н, О-Н, N-H) сравнительно мало изменяются при переходе от одного вещества к другому и поэтому называются характеристическими. Такие частоты используются для определения структуры и функционального анализа вещества.

ИК-спектрометры записывают спектры поглощения в зависимости от частоты. Источники ИК-излучения - лампы или нихромовая проволока. В качестве диспергирующих элементов используют призмы из различных материалов, а в качестве детектора - фоторезисторы, термисторы или болометры. Современным вариантом ИК-спектрометра является Фурье-ИК-спектрометр, использующий особый компьютерный процесс получения спектров, что обеспечивает большую скорость записи спектров и повышенную разрешающую способность.

По числу и положению полос в спектре можно судить о природе веществ (качественный анализ), а по их интенсивности - о количествах компонентов. ИК-спектрометры применяются для анализа газообразных, жидких и твердых образцов, как органических, так и неорганических. Преимущества ИК-спектроскопии:

1) универсальность, то-есть применимость для очень широкого круга объектов и большой опыт применения;

2)относительная простота интерпретации спектров;

3) высокая чувствительность;

4) маловозмущающее действие на вещество (в отличие от УФ-спектроскопии, где поглощаемые кванты переводят вещество в возбужденное состояние).

Недостатки: средняя избирательность из-за заметной ширины полос, а также невозможность анализировать водные растворы, так как сама вода поглощает ИК в широкой области, маскируя сигналы от растворенных веществ.

Спектры комбинационного рассеяния (КР) возникают при облучении вещества монохроматическим УФ или видимым светом. При этом, кроме обычного (рэлеевского) рассеяния (с частотой падающего света ), молекулы рассеивают свет также с частотами ±_0i, где _0i - частоты нормальных колебаний молекулы. Это происходит за счет обмена энергией кванта с колебательной энергией молекул. В результате возникают линии с частотами, смещенными относительно частоты возбуждающего света. Частоты -_0i называются стоксовыми, _0i - антистоксовыми. Первые возникают за счет переходов молекул на более высокий колебательный уровень, вторые - на более низкий. Вследствие ангармоничности колебаний в спектрах появляются полосы второго (±2_0i) и более высоких порядков, а также отвечающие составным колебательным частотам .

Не все колебательные переходы наблюдаются в ИК-спектре и спектрах КР. В ИК-спектрах наблюдаются те колебания, которые связаны с изменением электрического дипольного момента молекул. В спектрах КР обнаруживаются те колебания, при которых изменяется поляризуемость молекул, в частности, колебания ковалентных связей в молекулах H₂, O₂, Cl₂. Поэтому спектры ИК и КР дополняют друг друга.

В качестве источника излучения в КР-спектрометрах используются лазеры (He-Ne, Ar, Kr). Рассеянное излучение регистрируется под прямым углом к падающему лазерному лучу. Спектры КР представляют в виде кривых зависимости интенсивности рассеянного света от величины сдвига частоты возбуждающего света. Лазерные спектрометры КР позволяют получать спектры твердых, жидких и газообразных образцов.

Колебательные спектры специфичны и используются для идентификации веществ. Каждому веществу присущ индивидуальный набор полос. Имеются атласы ИК-спектров и спектров КР для различных классов органических и неорганических веществ. Поскольку наложение спектров нескольких веществ сильно усложняет расшифровку, необходимо предварительное разделение смесей.

Пределы обнаружения вещества при анализе газов, жидкостей и твердых веществ методами ИК и КР спектроскопии составляет 10^-1-1 % по массе.