Основи молекулярної спектроскопії
Запорожець О.А., Зінько Л.С.
Київ2012
Запорожець Ольга Антонівна,
доктор хімічних наук, професор кафедри аналітичної хімії, зам. декана з навчальної роботи хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, академік АН Вищої освіти України, Голова відділення "Хімії та хімічної технології", автор понад 200 наукових статей у вітчизняних і міжнародних журналах, 2 монографій, більше 10 науково-методичних праць і понад 50 авторських свідоцтв і патентів України на винахід
Зінько Ліонель Степанівна,
кандидат хімічних наук, доцент кафедри аналітичної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, автор 17 наукових статей у вітчизняних і міжнародних журналах, 5 науково-методичних праць і 5 авторських свідоцтв і патентів України на винахід
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНОЇ СПЕКТРОСКОПІЇ
Навчальний посібник
для студентів 4 курсу хімічного факультету спеціалізацій “Аналітична хімія” та “Хімічний контроль навколишнього середовища”, студентів 1 курсу біологічного факультету
та 4 курсу географічного факультету
Запорожець О.А., Зінько Л.С.
Київ-2012
Запорожець О.А., Зінько Л.С.
Основи молекулярної спектроскопії. Навчальний посібник для студентів 4 курсу хімічного факультету спеціалізацій “Аналітична хімія” та “Хімічний контроль навколишнього середовища”, студентів 1 курсу біологічного факультету та 4 курсу географічного факультету. – Ірпінь: Видавництво та друкарня НУДПС України, 2012. – 106 с.
Рецензенти: Дорощук В.О., к.х.н., доц. Пилипюк Я.С., к.х.н., с.н.с.
Затверджено Вченою радою хімічного факультету
25.10.2012 р., протокол № 3
1
ВСТУП
Методам молекулярної спектроскопії широко застосовуються в аналітичній практиці завдяки таким їх перевагам, як широкий асортимент фотометричних реагентів, високій чутливості, задовільній точності визначення мікрокомпонентів, відносно не високій вартості обладнання та простоті виконання;, а також легкості автоматизації вимірювань при здійсненні безперервного контролю технологічних процесів, моніторингу забруднення довкілля тощо. Широкому розповсюдженню методу сприяє те, що сьогодні існує великий асортимент методик визначення майже всіх елементів Періодичної системи, цілого ряду органічних сполук на рівні n.10–7 моль/л). Відносна похибка аналізу зазвичай не перевищує 1–3 %.
Останнім часом все більшого значення в аналітичній практиці набувають методи твердофазної спектрофотометрії та спектроскопії дифузного відбиття, і особливо, тих, що базуються на застосуванні, так званих, твердофазних реагентів – сорбентів, модифікованих аналітичними реагентами. Зростання інтересу до таких методів обумовлено їх високою чутливістю, вибірковістю, екологічною безпечністю. Розроблені на їх основі візуальні тест-методи дають можливість проводити експрес-аналіз безпосередньо на місці відбору проби.
Навчальним планом хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка підготовки фахівців за ОКР «Бакалавр хімії» для студентів 4 курсу хімічного факультету передбачено спеціальний курс (варіативна частина) «Методи молекулярної спектроскопії», що включає лекції (36 годин), лабораторний практикум (46 годин) та самостійну роботу (18 годин). У зв’язку із практичною відсутністю виданих українською мовою сучасних підручників та навчальних посібників із цієї дисципліни, основним джерелом для вивчення курсу є лекційний матеріал. Даний Навчальний посібник включає матеріал з 8 найважливіших тем курсу і є важливим доповненням лекційного матеріалу, що має на меті сприяння кращому засвоєнню студентами теоретичних та практичних основ дисципліни.
Посібник містить також підрозділ Обробка отриманих результатів, в якому
наведено настанови щодо математичної обробки результатів спектрофотометричного аналізу. У стислій формі наведено також відомості з
метрологічних основ хімічного аналізу, а також приклади розрахунків, які допоможуть студентам у розв’язанні задач з різних тем курсу. В кінці кожного підрозділу подано Питання для самоконтролю, що допомагатимуть при підготовці до занять та сприятимуть комплексному засвоєнню студентами матеріалу дисципліни.
2
ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНОЇ СПЕКТРОСКОПІЇ
Методи молекулярної спектрометрії відносять до найбільш розповсюджених спектроскопічних методів. Вони широко застосовуються для визначення неорганічних і органічних речовин у різноманітних об’єктах, входять до арсеналу більшості аналітичних лабораторій різного призначення, зокрема, санітарногігієнічних, медичних, фармацевтичних тощо. Це, насамперед, обумовлено тим, що при простоті виконання, доступності та відносно невисокій вартості обладнання методи характеризуються достатньо високою чутливістю, вибірковістю та універсальністю.
Методи молекулярної, як і атомної, спектрометрії поділяються на абсорбційні і емісійні. В основі обох методів лежить здатність речовини взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням.
Загальна картина взаємодії електромагнітного випромінювання (ЕМВ) з речовиною представлена на рис. 1.1, а основні методи молекулярної спектроскопії, в основу яких покладено різні види взаємодії світла з речовиною, наведені в таблиці 1.1.
Відбиття |
|
Розсіювання |
світла |
|
світла |
Зразок |
||
|
|
Поглинання |
|
|
світла |
Джерело випромінювання Люмінесценсія
Рис. 1.1. Взаємодія ЕМВ з речовиною та методи, в основу яких покладено дані процеси
Таблиця 1.1. Методи молекулярної спектроскопії, та процеси, що лежать в основі їх застосування
Явище |
Метод |
Відбиття світла |
Спектроскопія дифузного відбиття |
Розсіювання світла |
Нефелометрія |
Поглинання світла |
Спектрофотометрія |
Вторинне випромінювання |
Люмінесцентна спектроскопія |
(Люмінесценція) |
|
Характер взаємодії між речовиною та електромагнітним випромінюванням залежить від природи речовини, що її (електромагнітну хвилю) поглинає.
3
Електромагнітна хвиля має двоїсту природу та може бути представлена як змінне електричне поле, пов’язане з магнітним полем. З точки зору хвильової природи електромагнітну хвилю характеризують наступні параметри.
Довжина хвилі, λ – відстань, що проходить хвиля за час одного повного коливання. Розмірність λ у системі СІ – м або нм (1.10–9 м).
Частота, ν – кількість разів за секунду, коли магнітне поле досягає максимального значення. Одиниці вимірювання ν – Гц, 1 Гц = 1 с–1.
Хвильове число, ν , см–1 – величина, обернена до довжини хвилі:
|
|
=1/λ. |
(1.1) |
ν |
|||
Зв’язок між частотою та довжиною хвилі відображає закон дисперсії:
λ=с/ν, |
(1.2) |
де с – швидкість світла в даному середовищі (с=2,9979.108 м/с у вакуумі).
За квантовою теорією світло випромінюється та поглинається не безперервно, а квантами – певними неподільними порціями електромагнітної енергії. Зв’язок між хвильовою та квантовою природою світла відображає рівняння Планка:
∆E = h ν = |
h c |
|
|
|
|
|
= h c ν |
, |
(1.3) |
||||
λ |
||||||
|
|
|
|
|
||
де ∆Е – зміна енергії елементарної системи внаслідок поглинання чи випромінювання нею кванта з енергією hν (стала Планка h=6,626.10–34 Дж.с).
4
1. МОЛЕКУЛЯРНА АБСОРБЦІЙНА СПЕКТРОСКОПІЯ
Сучасна спектрофотометрія – інструментальний метод аналізу, в основу якого покладено вимірювання поглинання електромагнітного випромінювання речовинами. Тому її відносять до групи абсорбційних спектроскопічних методів аналізу.
Залежно від довжини хвилі поглинутого ЕМВ методи спектрофотометрії поділяються на окремі групи. В основі УФ–спектрофотометрії – поглинання в ультрафіолетовій ділянці спектру (200–380 нм), в основі видимої (Вид–) спектрофотометрії – поглинання ЕМВ видимої ділянки спектру (380–780 нм), в основі так званої ІЧ-спектроскопії – поглинання ЕМВ ближньої інфрачервоної ділянки спектру (780–900 нм). Методи УФ–спектрофотометрії використовують для якісного органічного аналізу, Вид–спектрофотометрію та ІЧ-спектроскопію широко застосовують у якісному та кількісному неорганічному аналізі.
1.1. ОСНОВИ МЕТОДУ
Поглинання світла відбувається внаслідок перетворення світлової енергії у внутрішню енергію речовини і супроводжується зміною енергетичного стану молекули. Молекули мають обмежену кількість дискретних рівнів енергії, нижчий з яких відповідає основному стану So з енергією Е0 (рис. 1.2).
Е
Е1 
S1
Е0 
S0
Рис. 1.2. Енергетичні переходи в молекулі внаслідок збудження
При опроміненні речовини частина світлового потоку поглинається. Поглинута енергія передається молекулам і переводить їх у збуджений стан, тобто сприяє переходу на вищі енергетичні рівні S1, S2, S3 … з енергіями Е1, Е2, Е3 ... Оскільки для кожної окремої молекули відстань між основним та збудженим енергетичними станами є певною величиною (яку можна обрахувати, використовуючи рівняння Планка (1.3)), то проходження ЕМВ крізь прозоре тверде тіло, рідину чи газ супроводжується вибірковим поглинанням квантів певної енергії, тобто з певною довжиною хвилі (λ, нм).
Світлопоглинання речовини характеризується спектром – залежністю світлопоглинання від енергетичної характеристики електромагнітної хвилі.
5
Речовини у розчині мають безперервний спектр поглинання, який прийнято представляти в формі графічної залежності світлопоглинання (в функції оптичної густини А, відн. од. чи молярного коефіцієнта поглинання ε, моль·см–1·л–1) від енергетичної характеристики хвилі (у довжинах хвиль λ, нм або хвильових числах
ν , см–1). В аналітичній хімії спектри поглинання речовин прийнято представляти у координатах λ, нм (абсциса) – А, відн. од. (ордината).
Використання як характеристики смуги поглинання її ширини є незручним та мало інформативним, оскільки функція А=f(λ, нм) має характер Гаусового розподілу і дуже повільно наближається до “0”. Тому для кількісної характеристики смуги в спектрі поглинання використовують її напівширину а (ширину смуги поглинання, виміряну на половині її висоти, рис. 1.3). Напівширину смуги поглинання розраховують за формулою:
a = |
|
λ1′′/ 2 − λ1′/ 2 |
|
, |
(1.4) |
|
|
де λ1′/ 2 та λ1′′/ 2 – довжини хвиль по обидва боки від максимуму поглинання (λmax ), при яких оптична густина досягає половини від максимально можливого значення (1/2Аmax). Для не складних молекул, що містять один центр поглинання, значення а лежить в межах від 50 до 100 нм. Складні молекули зазвичай мають декілька смуг поглинання, які можуть суттєво накладатися одна на одну (рис. 1.4). У спектрофотометрії зазвичай використовують речовини, що мають інтенсивне забарвлення і характеризуються широкими та інтенсивними смугами в спектрі поглинання.
А А |
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
0,06 |
|
|
|
|
|
1/2Аmax |
|
|
|
|
|
0,03 |
|
|
|
|
|
0,00 |
λ'1/2 |
λmax λ''1/2 |
|
|
|
195 |
210 |
225 |
240 |
255 |
|
Рис. 1.3. Спектр поглинання водного |
|||||
розчину SnCl4. рН 2,0, С, моль/л: 1,0 |
|||||
|
(NaCl), 2,0.10–5 (Sn(IV)) |
|
|||
A |
|
|
0,4 |
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
0,2 |
|
|
0,0 |
650 |
λ, нм |
600 |
Рис. 1.4. Спектри поглинання комплексів Са2+ з арсеназо-ІІІ. Розчин порівняння –
розчин, що містить усі компоненти, окрім Са2+. С, 10–5 моль/л: 20 (арсеназо-ІІІ), 3,0 (1)
та 5,0 (2) (Са2+), рН 5,0
Найбільший аналітичний відгук отримують, опромінюючи речовину ЕМВ з довжиною хвилі, що рівна λmax. З метою виділення вузького діапазону довжин хвиль у спектрофотометрії використовують спеціальні пристрої – монохроматори, зокрема призми та дифракційні ґратки.
6
Відомо, що при проходженні крізь призму видиме (біле) світло внаслідок дисперсії розкладається на “складові” – 7 спектральних кольорів. Їх об’єднують у 3 спектральні ділянки: червоно-оранжеву, жовто-зелену та синьо-фіолетову (рис.1.5, Додаток 1).
червоне Червоно-оранжева оранжеве жовте
зелене Жовто-зелена блакитне
синє Синьо-фіолетова фіолетове
Рис. 1.5. Дисперсія білого світла при проходженні крізь призму
Причиною такого явища є різниця у показниках заломлення у склі для світлових променів з різними енергетичними характеристиками. Чим менша довжина хвилі, тим більший показник заломлення n для неї характерний. Так, для фіолетового світла (380 нм) nф=1,534, а для червоного (700 нм) – nч=1,514. І хоч ця різниця є дуже незначною (лише у сотих), вона надає можливість розділення світлових променів з різними енергетичними характеристиками. Внаслідок явища дисперсії можна спостерігати безперервний спектр кольорів (рис. 1.6, Додаток 1).
Рис. 1.6. Спектр кольорів та чутливість зорових рецепторів людини до окремих ділянок спектру (кольорові смужки внизу).
Примітка: праворуч додана неспектральна пурпурна ділянка; яскравість на червоному, зеленому та синьому прямокутниках під спектром показує відносну інтенсивність відчуття на кожному з трьох незалежних типів рецепторів людського зору.
Безперервний спектр кольорів можна отримати також розкладанням білого світла на дифракційній ґратці або спостерігати під час природного явища веселки, яке спричинене дисперсією світлового потоку на мілких краплинках атмосферної вологи (Додаток 2). Світлові промені кожного окремого кольору характеризуються певною енергією (таблиця 1.2).