Фотометрия. Теоретические основы метода. Практическое применение метода.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие охватывает раздел химии, касающийся фотометрии и

  • использования в фармацевтическом анализе, токсикохимическом анализе и экологических исследованиях.
    • теоретическом разделе методического пособия изложены теоретиче-

ские основы фотометрии: закон светопоглощения, основные фотометриче-ские величины, причины отклонения от основного закона светопоглощения, метрологические вопросы фотометрического анализа. Представлен материал по использованию ИК- и УФ-спектрофотометрии в качественном анализе и спектрофотометрия в УФ- и видимой областях спектра и фотоэлектрофото-метрия в количественном анализе. Теоретический раздел заканчивается во-просами для самоконтроля знаний студентов, полученных при изучении ма-териала.

  • пособии приведены ситуационные задачи по анализу лекарственных форм заводского и аптечного изготовления, имеются тестовые задания для рубежного контроля знаний студентов после изучения данного раздела.

Пособие составлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 060301 Фармация.

4

 

Введение

Фотометрия – оптический метод анализа, основанный на поглощении электромагнитного излучения анализируемым веществом. Наиболее часто в аналитической практике используется ультрафиолетовая (УФ) с интервалом длин волн от 200 до 380 нм, видимая – от 380 до 760 нм и инфракрасная (ИК) с интервалом длин волн 2,5-15 мкм области спектра. Исходя из этого разли-чают фотометрию в УФ-, видимой и ИК-областях.

Фотометрия наиболее широко применяется для определения подлинности, доброкачественности и количественной оценки лекарственных веществ в ин-дивидуальных препаратах и смесях.

Исследуемый образец может облучаться светом строго определенной длины волны, либо световым потоком определенного интервала длин волн. В первом случае электромагнитное излучение называется монохроматическим, а измерения с его использованием называются спектрофотометрическими. Спектрофотометрия возможна в УФ-, видимой и ИК – областях с помощью приборов спектрофотометров.

Электромагнитные излучения, представляющее собой световой поток определенного интервала длин волн, называется немонохроматическим (по-лихроматическим). В этом случае метод носит название фотоколориметрия (или фотоэлекроколоримерия). Определения осуществляются на фотоколо-риметрах различных типов, для выделения лучей с определенным интерва-лом длин волн в которых имеются светофильтры.

  • настоящем пособии представлены фотометрия в ИК-, УФ- и видимой областях спектра.

5

 

Основные термины и понятия

К спектроскопическим методам анализа относят физические методы, ос-нованные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам в веще-стве, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излуче-ния, отражения и рассеяния электромагнитного излучения (рис.1.).

Рис. 1. Общая картина взаимодействия электромагнитного излучения с веществом

Электромагнитное излучение, или свет, могут быть описаны двумя спосо-бами. Первый исходит из волновой природы света и необходим для объясне-ния таких оптических явлений, как отражение и рассеяние электромагнитно-го излучения, этот способ применяют также для объяснения процессов ин-терференции, дифракции и преломления света. Второй способ исходит из корпускулярной природы света и объясняет процессы поглощения и испус-кания электромагнитного излучения атомами и молекулами.

По Максвеллу, электромагнитная волна может быть представлена как пе-ременное электрическое поле, связанное с магнитным полем (рис. 2.). Взаи-модействие волны с окружающей средой можно рассматривать, используя

6

 

как электрический, так и магнитный векторы. Ниже перечислены некоторые характеристики, вытекающие из волновой природы света.

Рис. 2. Схематическое изображение электромагнитной войны: А – ам-

плитуда,

– вектор электрического поля,

– вектор магнитного поля,

 

Е

Н

 

х – направление распространения волны

Длина волны λ – расстояние, проходимое волной за время одного полного колебания. Для измерения длины волны используют единицу системы СИ – метр (м) или подходящие для данного диапазона кратные единицы: нанометр (1 нм = 10-9 м), микрометр (1мкм = 10-6 м).

Частота ν – число раз в секунду, когда электрическое (или магнитное) поле достигает своего максимального положительного значения. Для изме-рения частоты используют единицу системы СИ – герц (1 Гц = 1 с-1) или кратные ей: мегагерц (1 МГц = 106 Гц), гигагерц (1 ГГц = 109 Гц). Длина вол-ны электромагнитного излучения связана с его частотой соотношением:

7

 

λ=с/ν,

(1)

где с – скорость света в данной среде.

Волновое число ν´ – число длин волн, укладывающихся в единицу длины

ν´=1/λ.

(2)

Измеряют волновое число чаще всего в обратных сантиметрах см-1.

Связь между волновой и корпускулярной природой света описывается

уравнением Планка:

 

∆Е =hν = hc / λ = hcν´,

(3)

где ∆Е – изменение энергии элементарной системы в результате поглоще-ния или испускания фотона с энергией hν (h – постоянная Планка).

В системе СИ энергию измеряют в джоулях (1 Дж = 1 кг·м22).

Таким образом, все четыре величины – Е, ν, λ, ν´ – связаны между собой. Каждую из них можно рассматривать в качестве характеристики энергии квантов электромагнитного излучения. При этом величины ν и ν´ связаны с энергией прямо пропорционально: Е = hν, E = hcν´, а величина λ обратно пропорционально: Е = hc / λ. Численные значения констант, необходимых для перехода от одних энергетических характеристик к другим, составляют h = 6,6262×10-34 Дж·с; с = 2,9979×108 м/с (для вакуума).

Свет поглощается раствором избирательно: при некоторых длинах волн светопоглощение происходит интенсивно, а при некоторых свет не поглоща-ется. Интенсивно поглощаются кванты света, энергия которых hv равна энер-гии возбуждения частицы и вероятность их поглощения больше нуля. Мо-лярный коэффициент поглощения при этих частотах (или длинах волн) до-стигает больших значений.

Распределение по частотам (или по длинам волн) значений молярного ко-эффициента поглощения называется спектром поглощения.

8

 

max ,

Обычно спектр поглощения выражают в виде графической зависимости оптической плотности Д или молярного коэффициента ε поглощения от ча-стоты v (или длины волны λ) падающего света (рис.3). Вместо Д или ε неред-ко откладывают их логарифмы.

Отдельные полосы в спектрах поглощения математически можно описать гауссовскими кривыми:

(4)

где ε и ε max – молярный коэффициент поглощения при данной длине вол-ны λ или волновом числе v´) и при длине волны λmax (или волновом числе v´max), отвечающей точке максимума; v´ и v´max – данное волновое число и волновое число в точке максимума соответственно; δ характеризует ширину полосы поглощения.

(5)

При v´ = ½v´max молярный коэффициент поглощения равен половине мак-

симального ε½ = ½ ε и вместо уравнения имеем

При упрощении и логарифмировании получаем откуда

(7)

δ = v´½ – v´max

(6)

Как видно, величина δ равна полуширине полосы на половине ее высоты. На рис. 3 в качестве примера приведен спектр поглощения в УФ – области

спектра 0,003 % раствора калия хромата. Данный спектр является сложным, состоящим из нескольких несимметричных полос поглощения.

9

 

Для несимметричных полос обычно указывают v´maxmax) и ε max. Для ре-шения таких структурных, термодинамических или иных вопросов несим-метричные полосы нередко разлагают на индивидуальные гауссовы компо-ненты, каждая из которых описывается уравнением (4).

Таким образом, наибольший интерес представляют следующие характе-ристики спектра: число максимумов (или полос поглощения) и их положение по шкале длин волн (или частот); высота максимума; форма полос поглоще-ния

 

0,8

                   
 

0,7

                   

плотност

0,6

                   

0,5

                   
                     

оптическая

0,4

                   

0,3

                   
                 

щелочь

 

0,2

               

кислота

 
                   
 

0,1

                   
 

0

                   
 

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

 
     

Рис. 3 УФ спектр поглощения 0,003% раствора

 

длина волны

 
           
         

калия хромата

         

Оптическая спектроскопия Общие положения оптической спектроскопии Излучение и вещество

При действии электромагнитного излучения на любую молекулу в зави-симости от его энергии происходит то или иное взаимодействие вещества и излучения. Исследование этого взаимодействия и является предметом спек-троскопии.

УФ – и ИК – спектроскопия охватывают лишь небольшую часть спектра энергий электромагнитных волн (табл. 1.)

10

 

Типы изменений в молекуле зависят от энергии излучения, или, что то же самое, от его длины волны, так как энергия излучения и длина волны связаны известным соотношением

∆Е =hν = hc / λ = hcν´.

(3)

Таблица. 1. Спектр электромагнитных волн

     

Изменения в

Энегия из-

 

v, см-1

λ, см

Область

энергетическом

 

лучения, эВ

 
     

состоянии

 
         
           
     

Спинов ядер и электронов

10-6

 

10-3

103

Радиоспектроскопия

     

Атомов в кристаллической

10-3

 
     

решетке

 
         
           

103

10-3

ИК – спектроскопия

Атомов в молекулах из – за

10-1

 

колебаний

 
         
           

105

10-5

Спектроскопия в ви-

     

димой области

     
   

Валентных электронов

10

 
       

106

10-6

УФ – спектроскопия и

 
     

ФЭС

     
         
           

106 – 107

10-6 -10-7

Масс – спектрометрия

Образование ионов и раз-

10 – 102

 

рывы связей

 
         
           

109

10-9

Рентгеноструктурный

Электронов внутренних

105

 

анализ

оболочек

 
       
           
   

Ядерные реакции под

     

1010

10-10

действием γ – излуче-

Ядер

107

 
   

ния

     
           

Основным принципом любого типа взаимодействия излучения и вещества является принцип квантового поглощения энергии. Какого бы типа измене-ние не происходило – переход конкретного электрона на определенную воз-

11

 

бужденную орбиту (УФ – область) и др. – энергия, необходимая для этого, строго определена и всегда постоянна.

Из рис. 4 видно, что в области электронных переходов (Е1 → Е2 ) элек-трон, возбуждаясь падающим излучением, переходит с орбиты Е1 на возбуж-денную орбиту Е2. При таком переходе энергия кванта hν должна быть по-рядка нескольких электронвольт. При меньшей энергии переход электрона на возбужденную орбиту Е2 не реализуется и осуществляются лишь переходы электронов на колебательные уровни Е2*(при собственной энергии порядка 10-1 эВ) или на вращательные уровни (при энергии порядка 10-2 эВ). ИК – спектроскопия, занимающаяся исследованием органических соединений, изучает лишь область от 500 до 5000 см-1 при энергии падающего излучения в несколько десятых электронвольта . Применяемые для исследования орга-нических соединений УФ – спектрометры обычно исследуют область от 200 до 400 нм, а участок спектра от 400 до 1000 нм является предметом изучения спектроскопии в видимой области при энергии падающего излучения поряд-ка нескольких электронвольт.

Как правило, в УФ – спектроскопии применяется в качестве единицы дли-ны волны нанометр (нм): 1 нм = 10-7 см или 10-9 м.

В ИК – спектроскопии полоса поглощения характеризуется лишь положе-нием в спектре (в см-1), а интенсивность полосы поглощения указывается, как правило, лишь приближенно (интенсивная, средней интенсивности, слабой интенсивности). В УФ – спектроскопии полоса поглощения характеризуется двумя точными параметрами: положением линии поглощения (в нм) и ее ин-тенсивностью (в единицах ε, lgε или Д)

12

 

Рис. 4.Электронные, колебательные и вращательные переходы при взаи-модействии вещества и электромагнитного излучения.

Аппаратура

Спектры веществ получают с помощью приборов, называемых спектро-фотометрами.

Все спектрофотометры состоят из следующих основных частей:

1 – источник излучения с непрерывным спектром излучения в УФ -, види-мой или ИК – области спектра. Используемый источник излучения определя-ет тип прибора – УФ-спектрофотометр, ИК-спектрофотометр и т. д. В УФ – области источником излучения служит обычно водородная лампа, в видимой области – лампа накаливания, в ИК – области – глобар, представляющий со-бой стержень из карбида кремния;

2 – кюветное отделение, в котором помещаются исследуемые образцы. В спектрофотометрах для УФ- и видимой областей спектра кюветное отделе-

13

 

ние располагают, как правило, после монохроматора, чтобы не происходило разложения вещества под действием источника излучения;

3 – монохроматор – устройство, включающее призму или дифракционную решетку, обеспечивающее разложение сплошного излучения источника из-лучения на монохроматические пучки и позволяющее делать развертку (ска-нирование) спектра по длинам волн или волновому числу. Призма в моно-хроматоре должна быть прозрачной для длин волн в исследуемой части спек-тра;

4 – приемник пропущенного веществом излучения, преобразующий све-товую энергию в электрические сигналы, которые далее усиливаются и по-ступают в регистрирующее устройство;

5 – регистрирующее устройство, с помощью которого производится отсчет (гальванометр) или запись (самописец) усиленных сигналов, поступающих из приемника радиации.

Рис. 5.Принципиальная схема спектрофотометра: 1 — источник излуче-ния; 2 — кювета с веществом; 3 — монохроматор; 4 — регистрирующее

устройство; 5 — самописец

Излучение, генерируемое источником 1, проходит через кювету с веще-ством 2 и попадает в монохроматор 3. Монохроматор состоит из системы

14

 

зеркал и призмы или дифракционной решетки, которая подает на выходную щель монохроматора излучение с определенной длиной волны. Этот пучок попадает затем в регистрирующее устройство 4, в котором преобразуются в электрический сигнал и записывается на самописце 5 на калиброванную бу-магу.

Для работы в инфракрасной области спектра призма, материалы кювет, а также вся оптическая система ИК – спектрофотометра изготавливаются из кристаллов NaCl, KBr или LiF. Эти материалы прозрачны для инфракрасного излучения. Для работы в УФ – области призма, кюветы для вещества и вся оптика изготавливаются из специального кварцевого стекла. Для работы в видимой области призма и оптика выполняются из обычного стекла или из кварца.

Все спектрофотометры подразделяются на две группы – однолучевые и двухлучевые. В однолучевых приборах процесс получения спектра требует последовательного выполнения двух операций: сначала измеряют пропуска-ние чистого растворителя, а затем пропускание раствора исследуемого веще-ства в этом же растворителе. Разность оптических плотностей этих растворов дает оптическую плотность исследуемого вещества на фиксированной длине волны поглощения. В двухлучевых приборах световой поток от источника излучения делится на две равные части и распространяется по двум каналам, в один из которых (канал сравнения) ставится кювета с чистым растворите-лем, а в другой – кювета с исследуемым раствором. Это позволяет сразу по-лучить кривую пропускания, или оптической плотности образца.

Фотоколориметрические методы определения концентрации вещества ос-нованы на сравнении поглощения (или пропускания) света стандартным и исследуемым окрашенными растворами. В отличие от визуальных методов в фотоколориметрии степень поглощения света окрашенным раствором опре-деляется не глазом, а при помощи специальных оптических приборов – коло-риметров с фотоэлементами (фотоколориметров).

15

 

Современные фотоколориметры являются двухлучевыми приборами с двумя фотоэлементами и имеют одинаковые принципиальные схемы (рис. 6). Конструкция приборов предусматривает уравнивание интенсивности двух световых потоков при помощи переменной щелевой диафрагмы.

Рис. 6.Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) фотоколориметра ФЭК-М

1 – лампа осветителя;

2 и 2´ – конденсаторы;

  1. и 3´ – зеркала;
  2. и 4´ – светофильтры;
  3. и 5´, 7 и 7´ – линзы;
  4. и 6´ – кюветы с растворами;
  5. и 8´ – призмы;
  6. и 9´ – селеновые фотоэлементы;
  7. и 11 – фотометрические клинья;
  8. – щелевая диафрагма;
  9. – отсчетный барабан, связанный со щелевой диафрагмой;
  10. – гальванометр;
  11. – шкала отсчетных барабанов;
  12. – рукоятка защитной шторки, перекрывающей световые потоки;
  13. – арретир гальванометра;
  14. – механический корректор;
  15. – переключатель чувствительности гальванометра;

16

 

20 – кюветодержатель;

21 – переключатель светофильтров.

Принцип действия прибора состоит в следующем: световые потоки от лампы- осветителя 1 направляются на зеркала 3 и , затем проходят через светофильтры 4 и в кюветы с растворами 6 и , попадают на селеновые фотоэлементы 9 и . Перед фотоэлементами на пути левого светового пото-ка помещены круговые фотометрические клинья 10 и 11, а на пути правого светового потока – щелевая диафрагма 12, связанная с отсчетными бараба-нами 13. На отсчетных барабанах имеется две шкалы: красная – шкала опти-ческих плотностей и черная – шкала коэффициентов пропускания Т (%). Фо-тоэлементы 9 и включены в цепь с гальванометром 14 по дифференциаль-ной схеме, так что при равенстве световых потоков, падающих на фотоэле-менты 9 и , возникающие фототоки взаимно компенсируются, а стрелоч-ный гальванометр 14 используется здесь в качестве нуль – гальванометра.

Измерения оптической плотности светопропускания растворов произво-дят при помощи двух барабанов: правого и левого. Шкала оптической плот-ности левого барабана проградуирована от 0 до 2 (100 – 0% светопропуска-ния). Шкала оптической плотности правого барабана имеет пределы измере-ний 0,00 – 0,52, причем точность измерений на участке шкалы 0,15 – 0,52 (по шкале светопропускания – 70 – 30%) выше, чем при измерении на левом ба-рабане.

Для определения концентрации раствора обычно пользуются шкалой оп-тической плотности.

Основной закон светопоглощения

  • основу методов абсорбционного спектроскопического анализа положен обобщенный закон светопоглощения.

17

 

Если световой поток, интенсивность которого Io падает на кювету с рас-твором, то часть его (Ic) отражается от поверхности кюветы, часть (Ia) будет поглощена раствором, а часть (I) пройдет через кювету. Между этими вели-чинами имеется следующее соотношение:

Io = Ic + Ia + I. (8)

Поскольку на практике пользуются одной и той же кюветой для серии анализов, то интенсивность отраженного светового потока величина посто-янная и незначительная, поэтому ею можно пренебречь, следовательно:

Io = Ia + I. (9)

Непосредственно в опыте можно определить интенсивность падающего светового потока и интенсивность потока прошедшего через раствор, тогда интенсивность светового потока, поглощенного раствором может быть найдена по разности:

Ia = Io – I. (10)

Зависимость между ослабленной интенсивностью лучистой энергии, про-шедшей через раствор и толщиной слоя раствора, установленная Бугером и подтвержденная Ламбертом, составила сущность первого закона светопо-глощения: относительное количество поглощенного и пропускаемого средой излучения не зависит от интенсивности падающего излучения: каждый слой равной толщины поглощает равную долю падающего монохроматического излучения.

Математически эта зависимость выражается уравнением:

I = Io·e-кℓ, (11)

18

 

где е – основание натурального логарифма;

  • – коэффициент поглощения; ℓ – толщина слоя раствора.

Положив в основу десятичную систему логарифма, получим уравнение:

I = Io·10-кℓ. (12)

Чтобы уяснить числовое значение к предположим, что интенсивность све-тового потока после прохождения через раствор уменьшится в десять раз, то-гда:

I / Io = 1 / 10 = 10-1 = 10-кℓ, (13)

к·ℓ = 1, (14)

  • =1/ℓ. (15)

Следовательно, коэффициент поглощения к численно равен обратной ве-личине толщины слоя раствора, ослабляющей интенсивность проходящего через него светового потока в десять раз. Коэффициент поглощения зависит от природы растворенного вещества и от длины волны падающего света.

19

 

Рис. 7. Графическое выражение закона Бугера – Ламберта

На рис. 7 показана экспоненциальная кривая, выражающая графическую зависимость между интенсивностью светового потока, прошедшего через слой поглощающего вещества, и толщиной слоя.

Второй закон светопоглощения установлен Бером и выражает связь между интенсивностью потока лучистой энергии и концентрацией вещества в по-глощающем слое: поглощение потока лучистой энергии прямо пропорцио-нально числу частиц поглощающего вещества, через которое проходит по-ток этого излучения.

20

 

Следовательно,

к=ε·С

(16)

где ε – коэффициент, зависящий от природы вещества; С – концентрация.

Объединяя оба закона, получим закон Бугера – Ламберта – Бера: интен-сивность светового потока, прошедшего через раствор прямо пропорцио-нальна интенсивности падающего светового потока и зависит от концен-трации, толщины слоя раствора и природы вещества.

I = Io·10-εсℓ. (17)

Основные фотометрические величины, которые можно вывести из закона светопоглощения Бугера – Ламберта – Бера

  1. Пропускание Т % – отношение интенсивности светового потока, про-

шедшего через раствор к интенсивности падающего светового потока.

  • = I / Io = Io·10-εсℓ / Io = 10-εсℓ. (18)

Пропускание изменяется от 0 до 100 %.

2. Поглощение или оптическая плотность Д (А) – десятичный логарифм величины, обратной пропусканию.

  • = lg 1 / T = lg 1 / 10-εсℓ = lg 10εсℓ = ε·С·ℓ. (19)

При графическом изображении зависимости оптической плотности от концентрации (при постоянной величине толщины слоя) получается прямая линия. Эта прямая проходит через начало координат при отсутствии погло-щения света растворителем и систематических ошибок.

21

 

Уравнения (17) и (19) выведены для монохроматического света, то есть света определенной длины волны, который может быть выделен с помощью специального оптического устройства – монохроматора. В фотоколоримет-рии измерение интенсивности световых потоков производят не в монохрома-тическом, а в полихроматическом свете, то есть на довольно широком участ-ке спектра : в интервале длин волн 20 – 100 нм. В этом случае в уравнение

  1. вместо молярного коэффициента светопоглощения следует подставлять значения среднего молярного коэффициента светопоглощения, зависящие от характеристики светофильтра.
    1. Молярный показатель поглощения εм – оптическая плотность раствора,

концентрация которого выражена в молях, толщина слоя в сантиметрах. Величина молярного коэффициента светопоглощения зависит от длины

волны проходящего света, температуры раствора и природы растворенного вещества и не зависит от толщины поглощающего слоя и концентрации рас-творенного вещества. Молярный коэффициент светопоглощения отражает индивидуальные свойства окрашенных соединений и является их определя-ющей характеристикой.

  1. Удельный показатель поглощения Е1%1см – оптическая плотность рас-

твора, концентрация которого выражена в процентах, толщина слоя в санти-метрах.

 

1%

 

(20)

 

Д = Е 1см·С·ℓ

 

Е

1%

 

(21)

 

1см=Д/С·ℓ

 

С=Д/Е

1%

(22)

 

1см·ℓ.

 

22

 

Отклонения от основного закона светопоглощения

Объединенный закон Бугера – Ламберта – Бера многократно проверялся на опытах и его можно считать строго установленным. Однако на практике мо-гут наблюдаться отклонения, которые происходят за счет несоблюдения за-кона светопоглощения. Закон Бугера -Ламберта – Бера, строго говоря, спра-ведлив лишь для проходящего через гомогенную изотропную среду плоско-параллельного пучка монохроматического света при соответствии величины

  • в уравнениях (17), (18) и (19) истинной концентрации вещества в растворе и незначительной заселенности возбужденного энергетического уровня. Если толщина слоя выдерживается постоянной, то зависимость оптической плот-

ности от концентрации поглощающего свет вещества в растворе изображает-ся прямой линией, проходящей через начало координат с тангенсом угла наклона, равным .

Нарушения указанных условий приводит к кажущимся отклонениям от закона Бугера, выражающимся в искривлении данной зависимости. Другими словами, коэффициент поглощения  в уравнениях (17), (18) и (19) перестает быть постоянным, а возрастает или уменьшается с ростом С. В первом случае говорят о положительных, а во втором – об отрицательных отклонениях от закона Бугера (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость оптической плотности от концентрации поглоща-ющего свет вещества в растворе при соблюдении закона Бугера (1), поло-

жительных (2) и отрицательных (3) отклонениях от него.

23

 

Наиболее часто встречающиеся причины отклонений от закона Бугера можно разделить на три группы: 1) физико – химические, связанные со свой-ствами анализируемого вещества или всего раствора; 2) инструментальные, связанные с особенностями данного спектрофотометра; 3) связанные с ани-зотропией изучаемого объекта.

К физико – химическим причинам относится, прежде всего, несоответ-ствие подставляемого в уравнение значения С истинной концентрации ве-щества в растворе. Это несоответствие может быть вызвано рядом факторов: так, присутствие посторонних электролитов вызывает деформацию молекул или комплексных окрашенных соединений, вследствие чего изменяется ин-тенсивность окраски и светопоглощение.

При разбавлении концентрированных окрашенных растворов электроли-тов изменяется степень диссоциации их на ионы, что также вызывает откло-нения от закона Бера. Кроме диссоциации и ассоциации молекул на светопо-глощение раствора оказывают влияние явления гидролиза, комплексообразо-вания, образования промежуточных продуктов и коллоидов, таутомерные превращения. Сольватация (гидратация) также сказывается на светопогло-щении растворов, так как с изменением концентрации процесс сольватации протекает неодинаково. Эти процессы часто связаны с концентрацией Н+ в растворе, температурой, действием солнечного света и т. п. Изменение кон-центрации Н+ в растворе приводит к различной степени связанности опреде-ляемого иона в окрашенное соединение, к изменению состава последнего или даже к его разрушению.

Особенно большие отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера могут наблюдаться при разбавлении растворов малоустойчивых окрашенных со-единений. Диссоциация светопоглощающего соединения и влияние сопря-женных реакций, протекающих в водном растворе, является одной из основ-ных “химических” причин нарушения закона Бера.

24

 

Таким образом, перед фотометрическим определением важно выяснить в пределах каких концентраций соблюдается основной закон светопоглощения.

Другой физико – химической причиной отклонения от закона Бугера явля-ется флуоресценция анализируемого вещества. Попадание испускаемого рас-твором флуоресцентного потока на фотоэлемент приводит к увеличению ин-тенсивности прошедшего через раствор света, что, естественно, снижает экс-периментально определяемую оптическую плотность. Вследствие частичной реабсорбции флуоресцентного света наблюдаемые отклонения будут возрас-тать с увеличением оптической плотности и уменьшаться с ростом концен-трации растворенного вещества (эффект тушения).

Очевидной инструментальной причиной кажущихся отклонений от закона Бугера – Ламберта – Бера может быть нелинейная зависимость показаний приборов от интенсивности светового потока. Это явление можно легко об-наружить по результатам измерения пропускания нескольких нейтральных светофильтров, оптическая плотность которых в широких пределах не зави-сит от длины волны, или растворов хорошо изученных стандартных веществ.

Наиболее частой инструментальной причиной кажущихся отклонений от закона Бугера является немонохроматичность падающего на образец свето-вого потока. В любом реальном спектрофотометре с непрерывным источни-ком излучения из выходной щели выходит пучок света с некоторым интерва-лом длин волн, который определяется шириной выходной щели и дисперсией монохроматора. В общем случае увеличение ширины щели приводит к паде-нию измеряемого поглощения и кажущейся величины  в области максиму-мов и одновременно к увеличению Д и  в области минимумов спектральных кривых. Эти изменения мало заметны для веществ с широкими спектраль-ными полосами (в этих случаях закон Бугера выполняется и при больших щелях) и могут быть резкими при полосах малой ширины. Для того чтобы на практике избежать существенного искажения формы спектральной полосы и величины  необходимо, чтобы спектральная ширина щели была значительно меньше полуширины исследуемой полосы.

25

 

Помимо конечной ширины щели, немонохроматичность светового потока может быть вызвана присутствием рассеянного света. Под рассеянным све-том обычно понимают полихроматическое излучение, попадающее в кювет-ную камеру спектрофотометра в результате различных отражений и рассея-ний в диспергирующей системе.

Кроме двух причин, рассмотренных выше следует упомянуть третью группу причин кажущихся отклонений от закона Бугера, связанную с рас-пределением поглощающего вещества в объеме анализируемого объекта. Так, для оптически анизотропных молекул поглощение неполяризованного света зависит от степени их упорядоченности. Это явление может наблю-даться, например, при микроспектрофотометрии биологических объектов, обладающих определенной структурой.

Отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера могут появляться из-за не-равномерного распределения поглощающего вещества в пучке света (кюве-те). Подобные ошибки также встречаются и в микроспектрофотометрии.

Пропорциональность между оптической плотностью и концентрацией ве-щества в растворе нарушается также при чрезвычайно большой интенсивно-сти падающего на вещество света (лазерное излучение), когда значительная часть молекул вещества оказывается в возбужденном состоянии.

Инфракрасная спектроскопия

Основные вопросы, которые могут быть решены с помощью ИК – спек-троскопии, следующие:

Исследование строения соединений – наличия разнообразных функцио-нальных групп или даже более сложных фрагментов молекулы.

Установление идентичности соединений.

Контроль за ходом реакций.

Изучение внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий.

26

 

Остановимся на первой, наиболее важной в аналитической химии про-блеме, так как вторая и третья проблемы довольно просты по определению, а четвертая является, как правило, предметом изучения физической химии.

Рассмотрим в упрощенном виде, что происходит при прохождении излу-чения с энергией в десятые эВ и соответственно с диапазоном v от 500 до 5000 см-1 через пары формальдегида. Если волновое число проходящего че-рез вещество излучения медленно изменяется от 500 до 5000 см-1, то энергия такого излучения медленно возрастает, так как уменьшается длина волны. Поток падающего излучения будет беспрепятственно проходить через веще-ство, пока его энергия не будет точно соответствовать по величине энергии, способной вызвать изменение валентных углов между атомами водорода в молекуле. Такого типа колебания атомов носят название деформационных колебаний (δ) и бывают симметричными (δs) и антисимметричными (δаs). Это происходит в области энергий, соответствующих волновому числу 1500 см-1. Энергия проходящего излучения в этом случае расходуется на возбуждение колебаний, и интенсивность прошедшего потока энергии резко падает (про-исходит излучение).

При дальнейшем возрастании энергии излучения наступает момент, когда она точно соответствует энергии, вызывающей изменение длины двойной связи С = О (1745 см-1). Такого типа колебания называются валентными (v).

И наконец, при достаточном возрастании энергии в области около 2800 см-1 начинает изменяться длина С – Н связей – валентные симметричные и валентные антисимметричные колебания:

Деформационное деформационное валентное валентное С – Н валентное С – Н

Симметричное δs антисимметричное δas карбонила симметричное vs антисимметричное vas

27

 

Измеряя изменение интенсивности проходящего через вещество потока излучения, получаем ИК – спектр пропускания (поглощения) вещества.

Чрезвычайно важно, что поглощение для каждой функциональной группы лежит в сравнительно узкой области и в пределах этой узкой области зави-сит только от ближайшего окружения данной функциональной группы.

Характеристические частоты

Экспериментальные исследования колебательных спектров большого числа молекул, обладающих одними и теми же химическими группами, пока-зали, что в их спектрах имеется некоторое число общих или мало отличаю-щихся частот. Такие частоты, появляющиеся в спектре при наличии в соеди-нении определенных химических групп, независимо от того, каким молеку-лам эти группы принадлежат, получили название характеристических. К ним относятся, например, валентные колебания связей С – Н, С = О, С = С, О – Н, деформационные колебания С – Н, N – O,колебания групп – NO2, – COO, CONH2.

Основным условием характеристических частот является существенное отличие их положения в спектре от частот колебаний основного скелета мо-лекулы.

Органические молекулы имеют скелет, состоящий из связей С – С, ва-лентные колебания которых лежат в области 800 – 1200 см-1. Поэтому для ор-ганических соединений большая часть характеристических частот лежит вне этой области.

Вопрос о характеристичности колебания в общей форме не имеет смысла. Следует говорить о характеристичности колебаний в определенных услови-ях, в определенных рядах соединений. Так колебания С – СI характеристич-ны для молекул, имеющих связь с частотами, близкими С – СI, например С – Br и С – S.

28

 

Колебания атомов углерода, связанных простой связью (колебания угле-родного скелета), сильно взаимодействуют между собой в результате близо-сти параметров, обуславливающих колебания. Сильно взаимодействуют так-же колебания простых связей С – О, С – N, а также N – N и O – N между со-бой и с колебаниями простых связей С – С. Все эти колебания попадают в область 700 – 1200 см-1, и отнесение полос в этой области, так называемой области «отпечатков пальцев», не представляется возможным. Однако набор полос в этой области является индивидуальной характеристикой каждого со-единения и сильно изменяется даже при небольших различиях в строении молекулы. В таблице 2 приведены некоторые характеристические частоты поглощения в ИК – области. Для органических соединений можно указать на две характерные области колебательных спектров.

Область 800 – 1350 см-1. В этой области проявляются валентные колеба-ния связей С – С, C – N, N – O, C – O и деформационные колебания связей N

– H, O – H, C – H. В этой области спектр органического соединения зависит от его строения и даже небольшие изменения в структуре соединения вызы-

вают существенные изменения в спектре.

Область частот за пределами 800 – 1350 см-1. Спектры органических со-единений имеют здесь интенсивные полосы, которые обусловлены колебани-ями отдельных связей или групп атомов; частоты колебаний таких групп имеют одинаковые или близкие значения независимо от того, каким молеку-лам принадлежат. Эти полосы могут быть использованы для характеристики поглощения групп.

Следует помнить, что частоты всех видов колебаний в той или иной сте-пени чувствительны даже к небольшим изменениям в строении молекулы (этим объясняется высокая специфичность инфракрасного спектра любого органического соединения). Достаточно сильное влияние оказывают на них такие факторы, как стерические эффекты, природа, размер и электроотрица-тельность ближайших атомов, агрегатное состояние вещества и образование водородных связей, что также находит отражение в спектрах.

29

 

Таблица 2. Некоторые характеристические частоты

поглощения в ИК-области

30

 

УФ – спектроскопия

Качественное определение вещества методом

УФ – спектроскопии

Спектры поглощения в УФ- и видимой областях определяются изменени-ями в энергии валентных электронов при электронных переходах, вследствие чего эти спектры получили название электронных. Они располагаются в об-щем спектре электромагнитных волн в диапазоне 150 – 1000 нм.

Атомы в органических молекулах могут быть связаны простыми и крат-ными (двойными и тройными) связями. Электроны этих связей имеют раз-личную энергию и поэтому возбуждаются излучением с различной длиной волны.

Наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов простой уг-лерод – углеродной связи. Соответственно предельные углеводороды погло-щают в области ниже 200 нм. Несколько меньшая энергия необходима для возбуждения электронов других простых связей, в которых, кроме углерода, имеются гетероатомы, содержащие неподеленные пары электронов. Но по-глощение спиртов и простых эфиров, аминов и их алкильных производных находится еще в области около 200 нм. Молекулы, содержащие атомы гало-гена, поглощают уже в более длинноволновой области, и сдвиг после погло-щения тем больше, чем в большей степени поляризовано электронное облако галогена. Для бромистых производных оно лежит в области 200 – 230 нм, а иодзамещенные поглощают в области 270 – 350 нм.

Хромофорные группы. Группы, вызывающие поглощение в области от 180 до 1000 нм, получили название хромофорных. К ним принадлежат груп-пы, содержащие не менее одной кратной связи: С=С, С≡С, С=О, С=N, N=O, N=N, NO2 и др. Энергия возбуждения π – электронов кратных связей суще-ственно меньше энергии возбуждения простых связей, и поглощение, соот-ветствующее переходу π – электрона, находится в области 180 – 190 нм. Оно отличается высокой интенсивностью (lg ε ≥4). Обычно полосу поглощения,

31

 

соответствующую этому переходу, называют К – полосой.Такое поглощение характерно для молекул, содержащих несопряженные двойные и тройные связи углерод – углерод. Интенсивность полосы поглощения обычно харак-теризуется величиной экстинции в точке максимума εmax или lg εmax . Элек-тронные переходы при поглощении УФ- и видимого излучения могут быть классифицированы с точки зрения молекулярных орбиталей, между которы-ми происходят переходы. По общепринятой классификации (Каша) элек-тронные переходы обозначаются как π → π*, σ → σ*, n → π*, n → σ*, где n – несвязывающая орбиталь неподеленной пары электронов, а σ, π и σ*, π* – со-ответственно связывающие и разрыхляющие орбитали.

Положение кривой поглощения определяется числом и взаимным распо-ложением заместителей. Каждая алкильная группа, вводимая к углеродным атомам у двойных связей, вызывает сдвиг максимума поглощения приблизи-тельно на 5 нм в длинноволновую сторону.

Накопление в молекуле сопряженных двойных связей вызывает сдвиг по-глощения в длинноволновую сторону примерно на 30 нм на каждую взаим-ную двойную углерод – углеродную связь. Так, бутадиен поглощает при 217 нм, гексатриен – при 265 нм, а каротин, имеющий цепочку из одиннадцати групп СН = СН, имеет максимум поглощения при 511 нм (видимая область) и окрашен в желтый цвет.

Накопление в молекуле кратных связей вызывает не только сильное сме-щение полос поглощения в сторону длинных волн, но и увеличение их ин-тенсивности.

Замена одного из углеродных атомов двойной связи С = С на атомы, име-ющие неподеленные пары электронов, вызывает существенное изменение поглощения.

Насыщенные соединения. В насыщенных углеводородах, содержащих простые связи, возможны только σ → σ*- переходы. Полосы, соответствую-щие этим переходам лежат в области наиболее коротких длин волн (так называемого вакуумного ультрафиолета). В таблице 3 в качестве примера

32

 

приведены максимумы поглощения некоторых простых молекул. В спектрах насыщенных молекул, содержащих гетероатомы с неподеленными электрон-ными парами, длинноволновая полоса поглощения относится к n → σ*- пере-ходу.

Таблица 3. Поглощение простых насыщенных соединений

Соединение

λ σ→σ*,нм

λ n → σ*, нм (lg ε)

     

CH4

125

C2H6

135

Н -C8H18

170

CH3OH

150

183(2,2)

CH3NH2

173

213 (2,3)

CH3CI

150

173 (2,3)

(C2H5)3N

199

227 (2,9)

     

Алкены, алкины, диены. Поглощение кратной связи С=С обусловлено пе-реходом π → π*. Полоса поглощения этилена находится при 165 нм, алкиль-ные заместители при двойной связи приводят к смещению данной полосы в область 175 – 200 нм.

Для ацетиленовых углеводородов, содержащих изолированную связь С=С, полосы поглощения наблюдаются в интервале 170 – 190 нм и относятся также к π → π* – переходу. Наличие цепи сопряженных связей приводит к смещению поглощения в длинноволновую область. В таблице 4 приведены

полосы поглощения бутадиена, винилацетилена, а также гексатриена – 1,3,5.

33

 

Таблица 4. Поглощение ненасыщенных соединений

Соединение

λmax π → π*, нм

ε max

λmax n → π*, нм

ε max

         

CH2=CH-CH=CH2

217

21000

   

CH2= CH-C=CH

219

6500

   

CH2=CH-CH=CH-H=CH2

256

22400

   

CH3CHO

   

290

17

(CH3)2C=O

   

279

15

CH3COOH

   

204

41

CH3COCI

   

235

53

CH3CO2C2H5

   

204

60

         

Карбонильные соединения. В спектрах насыщенных альдегидов и кетонов имеются две полосы поглощения: одна в области 150 – 170 нм, вторая при 170 – 200 нм. Более длинноволновая полоса относится к n → σ*-переходу, коротковолновая полоса – к переходу π → π*.

При переходе к эфирам, амидам и галогенангидридам кислот наблюдается сильное коротковолновое смещение n → π* – полосы (см. табл. 4).

С увеличением полярности растворителя максимум полосы поглощения n → π* – перехода смещается в коротковолновую область.

При переходе к сопряженным карбонильным соединениям происходит смещение поглощения в длинноволновую область примерно на 30 нм с вве-дением каждой дополнительно кратной связи.

В спектрах соединений, содержащих две хромофорные группы, разделен-ные двумя или несколькими метиленовыми группами, наблюдается наложе-ние спектров отдельных хромофоров. Наиболее сильное изменение в спектре по сравнению со спектрами соединений, содержащих отдельные хромофор-ные группы, происходит в том случае, когда хромофоры в молекуле соедине-ны непосредственно, как, например, в диацетиле. Наличие одной метилено-

34

 

вой группы между двумя хромофорами уменьшает взаимодействие между ними, и в спектрах таких соединений не наблюдается столь резкого отличия.

Ароматические углеводороды. Спектры поглощения бензола и его произ-водных значительно отличаются от спектров алифатических соединений. Бензол поглощает в двух областях – при 196 нм и при 230 – 270 нм, причем последняя полоса имеет ярко выраженную колебательную структуру (рис. 9, длинноволновая полоса 1). Последняя характеризует специфическое бен-зольное поглощение.

При введении в бензольное кольцо заместителей спектр меняется в зави-симости от их природы. При этом может происходить увеличение интенсив-ности поглощения и смещение главного максимума бензольной полосы в сторону больших длин волн.

При введении в бензольное кольцо таких заместителей, как ОН, ОСН3, NН2, NR2, интенсивность длинноволновой полосы увеличивается примерно в 10 раз, полоса сдвигается в сторону больших длин волн, а колебательная структура сглаживается (рис. 9, длинноволновые полосы 2,3). Алкильные за-местители, а также атомы галогенов вызывают несущественные изменения в спектре бензола.

Рис. 9. УФ – спектры бензола (1), фенола (2), анилина (3)

35

 

Гетероциклические соединения. Как и в ряду карбоциклических соедине-ний, интенсивное избирательное поглощение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра характерно только для тех гетероциклических соединений, которые содержат по крайней мере одну ненасыщенную хромофорную груп-пировку:

Наличие гетероатома в кольцевых ненасыщенных системах стирает коле-бательную структуру спектра, в спектрах гетероциклов исчезают специфиче-ские черты ароматических соединений и гетероциклические соединения имеют обычно монотонные кривые поглощения.

Пятичленные ненасыщенные гетероциклы имеют две полосы поглощения: интенсивную коротковолновую полосу в области 200 – 210 нм и малоинтен-сивную полосу в более длинноволновой части спектра.

Шестичленные ароматические гетероциклические соединения отличаются тем, что имеют повышенную интенсивность длинноволновой полосы погло-щения и сглаживание ее колебательной структуры.

Таким образом, электронные спектры поглощения несут важную инфор-мацию о хромофорной структуре органического соединения и позволяют в сочетании с другими видами спектроскопических данных (ИК- спектроско-пия, спектроскопия ПМР) полностью идентифицировать строение неизвест-ных органических соединений.

УФ – спектры, как правило, используют для выявления в молекуле груп-пировок, содержащих кратные связи. Распознавание хромофоров осуществ-ляется прежде всего путем сопоставления наблюдаемого спектра с таблич-ными данными о параметрах различных хромофоров. Структурный анализ с

36

 

помощью УФ – спектра возможен при условии знания молекулярной массы соединения, т.к. это необходимо для вычисления ε.

Рассмотрим особенности выявления структуры молекулы с помощью УФ-спектра.

  • соединениях, показывающих избирательное поглощение в ближайшем ультрафиолете, идентифицировать хромофор можно лишь тогда, когда его спектральные характеристики достаточно специфичны. Такими хромофора-

ми являются изолированные группы С=О, N=O, N=N, NO2, которым в спек-тре отвечают n → π* – полосы поглощения слабой интенсивности. Надежно удается обнаружить присутствие в соединении бензольного ядра, признаком которого является наличие полосы около 260 нм, имеющей среднюю интен-сивность (ε = 300) и отличающейся тонкой структурой, а также одновремен-ное наблюдение более интенсивной полосы вблизи 210 нм. Введение хромо-фора к бензольному ядру приводит к потере тонкой структуры длинноволно-вой полосы, что приводит к уменьшению надежности идентификации бен-зольного ядра.

Надежно распознаются изомеры, содержащие сопряженные системы свя-зей различной длины. Примером могут быть терпеноидные молекулы – α – и β- иононы. У β – ионона, являющегося полностью сопряженным диеном, по-лоса поглощения находится при существенно больших длинах волн по срав-нению с α – иононом.

Легко выявляются различия между изомерами с линейной и нелинейной (кросс) сопряженными системами кратных связей. В первом случае наблюда-ется более длинноволновое и более интенсивное поглощение.

В ряду изомерных дизамещенных бензолов орто – изомеры легко отлича-ются от соответствующих пара – изомеров, так как первые характеризуются меньшими значениями λmax и εmax.

При прочих равных условиях более длинноволновое и более интенсивное поглощение имеют изомеры, в которых электронодонорный и электроноак-

37

 

цепторный заместители находятся на большем удалении друг от друга при условии сохранения сопряжения между ними.

Количественный анализ вещества методом УФ-спектроскопии

Количественный спектрофотометрический анализ раствора одного по-глощающего свет вещества сводится к определению концентрации этого вещества в растворе по известным оптическим плотностям испытуемого раствора и раствора стандарта с известной концентрацией при некоторой длине волны. При проведении анализа используют обычно следующую по-следовательность операций:

  1. Снимают полный спектр поглощения раствора анализируемого веще-

ства и выбирают аналитическую длину волны (λанал). В большинстве случаев λанал выбирают на максимуме поглощения определяемого вещества.

Выбор λанал на пологом максимуме поглощения уменьшает влияние шири-ны щели и погрешности в установке длины волны. Последние особенно опасны при использовании для анализа крутопадающих участков спектра. При наличии у определяемого вещества нескольких максимумов поглоще-ния следует отдавать предпочтение максимумам при больших длинах волн.

Неблагоприятными для анализа спектральными областями являются обла-сти переключения источников излучения.

  1. После выбора λанал рассчитывают ориентировочное значение показателя поглощения (ε), а с его помощью по уравнению С·l =Д/ε определяют концен-

трации стандартных растворов анализируемого вещества и толщину кювет, в которых может быть измерена оптическая плотность этих растворов.

  1. Готовят 5-7 стандартных растворов с известными концентрациями и измеряют их оптическую плотность при λанал по возможности на том же спектрофотометре, на котором предполагается проводить анализ.

38

 

  1. Строят график Д = f (С) (при ℓ=const) или Д = f (Сℓ). Если анализируе-

мое вещество подчиняется закону Бугера, то построенная зависимость будет линейна и будет проходить через начало координат. Анализ растворов с не-известной концентрацией можно проводить с помощью этой зависимости в качестве градуировочной. В общем случае следует найти показатель погло-щения методом наименьших квадратов как тангенс угла наклона прямой:

Д/ℓ = a + ε ·С. (23)

  1. Определение концентрации анализируемых растворов проводят по гра-

дуировочной зависимости или по формуле:

  • = Д/ε ·ℓ. (24)

При необходимости данную формулу или градуировочную зависимость модифицируют таким образом, чтобы с учетом исходной навески их проме-жуточных разведений сразу получать содержание определяемого вещества в анализируемой пробе.

Методы количественного анализа основаны на законе Бугера – Ламберта – Бера, выраженном уравнением I = Io · 10 –εcl. В связи с тем, что значения ко-эффициента пропускания Т находятся в пределах от 0 до 1, оптическая плот-ность раствора Д = – lg Т может принимать, казалось бы, любые положитель-ные значения от нуля до бесконечности. Однако экспериментальному опре-делению с необходимой точностью доступны далеко не любые значения Д. Так, значения Д ≤ 0,01 не определяют в связи с большой погрешностью их измерения.

Уравнение (17) показывает, что основными параметрами фотометрическо-го определения являются длина волны, при которой производится измерение, оптическая плотность, толщина кюветы и концентрация окрашенного рас-твора. Существенное влияние оказывают различные химические факторы, связанные с полнотой и условиями протекания фотометрической реакции, концентрацией окрашенных и других реактивов, их устойчивостью и т. д. В зависимости от свойств анализируемой системы и характеристик применяе-мого фотометрического прибора выбирают те или иные условия анализа.

39

 

Основные приемы фотометрических измерений

  1. Метод градуировочного графика. В соответствии с законом Бугера –

Ламберта – Бера график в координатах «оптическая плотность – концентра-ция» должен быть линеен, и прямая должна проходить через начало коорди-нат. Для построения такого графика достаточно, одной экспериментальной точки. Однако градуировочный график обычно строят не менее чем по трем точкам, что повышает точность и надежность определений.

При отклонениях от закона Бугера – Ламберта – Бера, т.е. при нарушении линейной зависимости оптической плотности от концентрации, число точек на графике должно быть увеличено. Применение градуировочных графиков является наиболее распространенным и точным методом фотометрических измерений. Основные ограничения метода связаны с трудностями приготов-ления эталонных растворов и учетом влияния так называемых третьих ком-понентов, т.е. компонентов, которые находятся в пробе, сами не определяют-ся, но на результат влияют.

  1. Метод молярного коэффициента поглощения. При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных раство-

ров Дст, для каждого раствора рассчитывают ε = Дст/(ℓСст) и полученное зна-чение ε усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора Дх и рассчитывают концентрацию Сх по формуле:

Сх = Дх/(εℓ). (25)

Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой системы закону Бугера – Ламберта – Бера, по крайней мере, в области иссле-дуемых концентраций.

40

 

  1. По стандартному образцу.

Содержание веществ по стандартному образцу рассчитывают по форму-

ле:

Д·Сст

  • = ———- , (26)

С·Дст

где Дст – оптическая плотность стандартного образца, Сст – концентрация раствора стандартного образца.

Недостатком метода молярного коэффициента поглощения является то, что основная погрешность спектрофотометрического анализа, погрешность градуировки, вызвана несоответствием показателей поглощения, полученных при градуировке, реальным показателям поглощения, полученных в момент анализа. Такая погрешность может достигать 18 %.

Простейшим и эффективным путем нивелирования погрешности градуи-ровки является совмещение в одном опыте анализа и градуировки. В этом случае параллельно с испытуемым раствором проводят измерение оптиче-ской плотности раствора стандартного образца.

  • качестве стандартных образцов обычно используют вещества той же химической структуры, что и исследуемые, но более высокой степени чисто-

ты (не менее 99,9 %). Однако при контроле качества лекарственных веществ нередко приходится сталкиваться с отсутствием или малодоступностью стандартов. Избежать же погрешности можно путем использования при рас-четах не показателя оптической плотности испытуемого раствора, а его от-ношение к оптической плотности, получаемой в том же опыте при той же длине волны, некоторого стандартного образца. Стандартное вещество при этом не входит в состав исследуемого вещества, поэтому такой метод назы-вают методом внешнего стандарта. Выражение для количественного содер-жания вещества при использовании метода внешнего стандарта получается из уравнения метода стандарта:

41

 

С Д Двс Д εвс Свс Д Свс

  • = —- · —— · —— = —– · —— · —— = —– · Кпер · —–, (27)

Сст Двс Дст Двс ε Сст Двс Сст

где К – коэффициент пересчета

εвс – показатель поглощения внешнего стандарта Свс – концентрация внешнего стандарта

Метрологические вопросы спектрофотометрического анали-

за. Правильность спектрофотометрических данных

Правильность измерений отражает близость к нулю систематической по-грешности и характеризуется разностью среднего результата серий измере-ний (Х) и истинного значения измеряемой величины. Правильность спек-трофотометрических данных можно оценить по результатам исследования стандартных образцов (эталонов), свойства которых считаются известными.

Спектрофотометрическое исследование дает два вида результатов, одни из которых выражены в единицах длины волны (частоты), а другие – оптиче-ской плотности (пропускания). В соответствии с этим в спектрофотометрии используют стандарты для поверки шкалы длины волн и шкалы оптических плотностей пропусканий.

Поверку шкалы длин волн спектрофотометра лучше всего производить по спектру излучения ртутной лампы. В этом спектре в области 220 – 1150 нм имеется ряд весьма узких пиков, положение которых известно с точностью до 0,01 нм. Для текущего контроля шкалы длин волн могут использоваться растворы или стеклянные фильтры с редкоземельными элементами, обла-дающими весьма узкими полосами поглощения.

Поверка шкалы пропускания спектрофотометров по действующей в Рос-сии системе стандартизации производится по наборам нейтральных свето-

42

 

фильтров, аттестованных на образцовом приборе. Пропускание этих филь-тров мало зависит от длины волны, поэтому такая поверка обеспечивает лишь линейность шкалы пропускания прибора и не обеспечивает единства результатов измерений объектов с селективным поглощением. Из-за отсут-ствия стандартов оптической плотности шкала оптических плотностей в оте-чественных приборах органами Госстандарта не проверяется.

За рубежом в качестве эталона оптической плотности используют чаще всего раствор 0,06006 г/л (0,006006%) дихромата калия в 0,005 М растворе серной кислоты. Оптическую плотность этого раствора неоднократно изме-ряли на приборах разных типов при длинах волн 235, 257, 313 и 350 нм, со-ответствующих максимумам и минимумам поглощения. Для поверки работы прибора при более коротких длинах волн можно использовать раствор нико-тиновой кислоты (0,016399 г/кг в 0,1 М растворе соляной кислоты), оптиче-ская плотность которого при 210 нм равна 0,7533.

Национальное бюро стандартов США для стандартизации измерений оп-тической плотности рекомендует растворы дихромата калия в 0,001 М рас-творе хлорной кислоты.

Измерения, выполненные даже на тщательно выверенном по эталонам приборе, будут содержать систематические погрешности, как в значениях максимума поглощения, так и в величинах показателя поглощения. Эти по-грешности связаны с немонохроматичностью используемого излучения, и полностью избежать их при применении источников излучения с неисправ-ным спектром невозможно. Чем уже полоса поглощения, чем меньше ее симметрия и чем в более коротковолновой области она расположена, тем сильнее (при прочих равных условиях) искажения в λмах и ε из-за немонохро-матичности излучения.

43

 

Сходимость спектрофотометрических данных

Сходимость отражает близость друг к другу результатов параллельных измерений, выполненных в одинаковых условиях, и характеризуется средне-квадратическим (стандартным) отклонением. Сходимость результатов спек-трофотометрических измерений одного и того же объекта, выполненных на одном и том же приборе в течение короткого промежутка времени определя-ется погрешностями настройки прибора на 0 и 100 % пропускания, погреш-ностями отсчета по измерительному прибору, нестабильностью электронной схемы прибора в процессе измерения и другими причинами.

В зависимости от величины оптической плотности (пропускания) и осо-бенностей спектрофотометра вклад различных факторов в суммарную дис-персию измерения будет разным. Поэтому сходимость результатов спектро-фотометрических измерений обычно характеризуют зависимостью относи-тельного стандартного отклонения оптической плотности (Scx) от величины Д.

Фактическая погрешность измерений на данном приборе может быть определена на основе экспериментального исследования. По результатам та-кого исследования зависимость Sсx от Д может быть аппроксимирована с по-мощью метода наименьших квадратов уравнением:

Sсx = Rо + R1Д + R2Д2 . (28)

  • отечественных спектрофотометрах величина Scx относительно мала по сравнению с величиной Sвоспр., характеризующей воспроизводимость резуль-

татов измерений.

Воспроизводимость спектрофотометрических данных

Если измерения (или серия измерений) выполнены при различных усло-виях (в разное время, на разных приборах, различными методами и т. п.), то для оценки близости результатов используют термин «воспроизводимость».

44

 

Очевидно, что сходимость определяется лишь случайными погрешностя-ми эксперимента, а в оценку воспроизводимости могут входить и система-тические погрешности, связанные с особенностями разных приборов, мето-дов, временным дрейфом и т. п. Для количественной оценки воспроизводи-мости также используют величины дисперсии или стандартного отклонения.

  • основным факторам, влияющим на воспроизводимость результатов спектрофотометрического измерения, относятся:
  1. химические и фотохимические факторы (случайные погрешности в приготовлении анализируемого раствора, влияние мутности раствора и флу-

оресценции анализируемого вещества или содержащихся в растворе приме-сей).

2. кюветная погрешность, включающая в себя нескомпенсированное из-

за разной толщины кювет поглощение растворителя, разное светопоглоще-ние кювет, многократные внутренние отражения света в кюветах. Наиболее существенным компонентом кюветной погрешности является невоспроиз-водимость положения кювет относительно оптического пучка. Данная по-

грешность лимитирует общую воспроизводимость спектрофотометриче-

ского измерения на отечественных приборах.

  1. погрешность холостого опыта (аналогично п.1). Возможны несколько способов учета оптической плотности холостого раствора, из которых наибо-

лее точным является непосредственное измерение оптической плотности испытуемого раствора относительно холостого.

  1. погрешность установки аналитической длины волны, складыва-

ющаяся из погрешности отсчета по шкале длин волн и явлений «гистерези-са», т.е. несоответствия положения диспергирующего элемента (призмы, ре-шетки) и указателя на шкале длин волн. При работе в районе полного макси-мума поглощения анализируемого вещества неточная установка длины вол-ны практически не сказывается на точности измерений.

Относительный вклад перечисленных факторов зависит от спектра по-глощения анализируемого вещества, особенностей прибора и условий анали-

45

 

за. Очевидно, что при последовательных измерениях одного объекта, не свя-занных с перестановкой кювет, включением и выключением прибора, по-грешность результатов можно оценивать величиной Sсх, в остальных случаях следует использовать Sвоспр. или величину стандартного отклонения оп-тической плотности (Sд), характеризующую суммарную погрешность изме-рения без разделения ее на составляющие погрешности. Оптимальное по воспроизводимости значение оптической плотности (Допт) лежит обычно в интервале 0,5 – 0,8. Относительная погрешность спектрофотометрического измерения резко возрастает npи Д < 0,2 и лишь медленно увеличивается при

  • > 1,5.
    • величиной Допт связан вопрос о рекомендуемом рабочем интервале оп-

тических плотностей. Последний определяют таким образом, чтобы во всем интервале относительное стандартное отклонение не превышало удвоенного минимального значения при Допт : Sвocпp/Д ≤ 2 (Sвоспр /Д)мин.

Для большинства приборов рабочий интервал оптических плотностей находится в пределах 0,2 — 1,7.

Фотоэлектроколориметрия

Фотометрическое (колориметрическое) определение окрашенных веществ основано на сравнении интенсивности окраски или светопоглощения иссле-дуемого раствора и стандартного с известным содержанием определяемого вещества. Когда определяемое вещество не удается непосредственно переве-сти в окрашенное соединение, анализ проводят косвенными методами. В этих случаях используют следующие приемы:

  1. Образование окрашенного соединения в результате окислительно – вос-

становительного взаимодействия между определяемым ионом и реагентом.

  1. Обесцвечивание окрашенного соединения вследствие взаимодействия с ним определяемого иона и образования бесцветного продукта.

46

 

  1. Осаждение определяемого иона осадителем и последующее определе-

ние эквивалентного количества осадителя в виде окрашенного соединения.

  1. Проведение каталитической реакции (с участием определяемого иона)

между двумя веществами, одно из которых окрашено или может быть пре-вращено в окрашенное соединение (кинетические методы анализа).

Основными затруднениями при косвенных определениях являются огра-ниченная специфичность и различные побочные процессы. Однако в ряде случаев, особенно когда необходимо отделение определяемого иона осажде-нием, использование косвенных определений вполне оправданно. Кроме то-го, при косвенных определениях может быть достигнута более высокая чув-ствительность определения, так как молярный коэффициент светопоглоще-ния в пересчете на моль определяемого вещества может достигать 300000 – 350000. Очень высокой чувствительностью обладают методы с использова-нием каталитических реакций.

  • фотоколориметрии степень поглощения света окрашенным раствором определяется при помощи колориметров с фотоэлементами (фотоколоримет-

ров). Фотоэлемент преобразует световую энергию, проходящую через фото-метрируемый раствор, в электрическую. Согласно законам фотоэффекта, си-ла возникающего фототока прямо пропорциональна интенсивности падаю-щего на фотоэлемент света. Следовательно, отношение интенсивности свето-вых потоков, используемое в выражении основного закона светопоглощения, может быть заменено на равное ему отношение величин фототоков. Это и используется в фотоколориметрии, где фактически сравнивают не светопо-глощение растворов, а величины фототоков.

Фотоэлементы

Фотоэлементы основаны на явлении фотоэффекта, открытом Столетовым в 1888 г. Сущность фотоэффекта заключается в вырывании электронов с по-верхности различных тел под действием световой энергии. Это происходит

47

 

только при условии, если энергия светового кванта больше работы выхода электрона, т. е. энергии, необходимой для освобождения электрона и удале-ния его с поверхности данного тела

hv = h·c / λ ≥ Aвых, (29)

где h – постоянная Планка; v – частота колебаний; c – скорость света в ва-кууме; λ – длина световой волны.

Для каждого вещества существует определенная длина волны (или часто-та колебаний) света, называемая порогом фотоэффекта, при которой начина-ет наблюдаться (или исчезать) фотоэффект. Сила возникающего фототока (интегральная чувствительность фотоэлемента) зависит от длины волны па-дающего на фотоэлемент света и от температуры. По закону Столетова, сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего на фотоэлемент монохроматического пучка света.

В фотоколориметрии обычно употребляют три типа фотоэлементов: с за-пирающим слоем (вентильные), с внешним фотоэффектом (газонаполненные или вакуумные), с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления).

Вентильный фотоэлемент состоит из железной пластинки, на которую нанесен слой полупроводника (селена, закиси меди или сульфида серебра), покрытый тончайшей полупрозрачной пленкой катоднораспыленного метал-ла (золота, платины, серебра или меди). Граница между полупроводником и металлической пленкой образует так называемый запирающий слой, пропус-кающий ток только в одном направлении – от металлической пленки к полу-проводнику (на рис.10.от золота к селену). При освещении фотоэлемента электроны в полупроводнике, получив дополнительную энергию от квантов падающего света, перескакивают через запирающий слой и попадают в хо-рошо проводящую ток металлическую пленку из золота, платины, серебра или меди. Из металлической пленки электроны через гальванометр и желез-ную пластинку возвращаются в первоначальное положение, т. е. в полупро-водник. Таким образом, фотоэлемент преобразует световую энергию в элек-

48

 

трическую, которая, будучи строго пропорциональна силе света, падающего на фотоэлемент, регистрируется гальванометром. Фотоэлемент позволяет до-статочно точно обнаружить уменьшение интенсивности светового потока, вследствие его поглощения окрашенным раствором. В фотоколориметрии наибольшее распространение получили селеновые фотоэлементы с фрон-тальным фотоэффектом (рис.10.) Чувствительность селенового фотоэлемента к лучам видимой области спектра показана на рис.11. Селеновые фотоэле-менты высоко чувствительны, проявляют малую инерционность и хорошие эксплуатационные качества.

Рис.10.Схема селенового элемента:

1 – железный электрод; 2 – полупроводник из селена; 3 – металлическое кольцо; 4 – электрод из тонкого слоя золота; 5 – гальванометр.

49

 

Рис.11. Спектральная кривая чувствительности селенового фотоэле-мента с запирающим слоем.

Сернистосеребрянные (запирающий слой – сульфид серебра) и сернисто-таллиевые (запирающий слой – сульфид таллия) фотоэлементы также, как и селеновые, высокочувствительны. Они используются для измерения свето-вых потоков в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, так как чувствительны к излучению в более широкой области, чем селеновые фото-элементы.

Наиболее распространенными фотоэлементами с внешним фотоэффектом являются кислородно – цезиевые и сурьмяно – цезиевые. Первые использу-ются в спектрофотометрических определениях в видимой и инфракрасной областях спектра, а вторые – в видимой и ультрафиолетовой областях спек-тра.

50

 

Работа фотоэлементов с внешним фотоэффектом основана на переходе электронов под действием света из светочувствительного катода к аноду. Ос-новными недостатками этих фотоэлементов являются необходимость ис-пользования внешнего напряжения и малая чувствительность, требующая обязательного применения ламповых усилителей. Однако из-за высокой чув-ствительности к излучению в широком интервале длин волн они применяют-ся в наиболее совершенных приборах – спектрофотометрах.

Более удобны вакуумные фотоэлементы, которые, хотя и уступают газо-наполненным в чувствительности, отличаются меньшей инерционностью и меньшей зависимостью чувствительности от приложенного напряжения.

  • основе работы фотосопротивлений лежит уменьшение сопротивления вещества под действием излучения определенной длины волны. В этом слу-

чае могут применяться различные полупроводники, из которых чаще всего используются таллофид (сплав сульфида и окиси таллия), сульфид свинца и селен. Таллофидные и сернистосвинцовые фотосопротивления более чув-ствительны в инфракрасной области спектра, однако применение их ограни-чено.

При работе с фотоэлементами следует иметь ввиду следующие обстоя-тельства, влияющие на точность и воспроизводимость результатов:

  1. спектральная и интегральная чувствительность у фотоэлемента со временем уменьшается и при большой эксплуатационной нагрузке «старе-

ние» фотоэлемента вызывает необходимость его замены;

  1. для фотоэлементов характерно явление «утомления», т. е. уменьшение силы фототока при длительном непрерывном освещении фотоэлемента до-

статочно ярким светом. Поэтому для получения воспроизводимых результа-тов во время работы для фотоэлемента необходим «отдых», т. е. временное прекращение его облучения;

  1. чувствительность фотоэлемента бывает неодинаковая по всей его по-

верхности, поэтому для получения воспроизводимых и точных результатов необходимо поставить так осветитель, чтобы при параллельных измерениях

51

 

всегда освещался один и тот же участок поверхности фотоэлемента, причем площадь этого участка не должна быть меньше, чем 0,8 см2. Иногда равно-мерная освещенность фотоэлементов достигается использованием матовых рассеивателей;

  1. для того чтобы наблюдалась линейная зависимость между силой фото-

тока во внешней цепи фотоэлемента и интенсивностью падающего на него светового потока, сопротивление гальванометра должно быть по возмож-ности малым и не должно превышать внутреннего сопротивления фотоэле-мента.

Светофильтры

Для увеличения чувствительности и точности фотометрического опреде-ления целесообразно использовать поглощение не смешанного (белого цве-та), а лишь тех лучей, которые максимально поглощаются фотометрируемым окрашенным раствором. Для того чтобы из всей видимой области спектра выделить лучи определенных длин волн, на пути световых потоков перед по-глощающими растворами помещают избирательные поглотители света, называемые светофильтрами. Светофильтры пропускают лучи лишь в опре-деленном интервале длин волн с полушириной пропускания λ 1/2 макс – λ´ 1/2 макс и практически полностью поглощают лучи других длин волн (рис.12.)

52

 

Рис.12. Спектральная кривая светофильтра (λ 1/2 макс – λ´ 1/2 макс – размы-тость максимума пропускания).

Чем уже область максимального пропускания лучей (λ 1/2 макс – λ´ 1/2 макс) применяемого светофильтра, тем выше его избирательность к лучам этого интервала длин волн. Наиболее эффективные стеклянные узкополосные све-тофильтры характеризуются размытостью максимума пропускания 20 – 30 нм.

В качестве светофильтров применяют цветные стекла и пленки, окрашен-ные жидкости и интерференционные фильтры. Например, из набора №106 цветного стекла, выпускаемого отечественной промышленностью, можно со-ставить любой интересующий исследователя набор узкополосных свето-фильтров. Спектры пропускания (или поглощения) стеклянных светофиль-тров приводятся в руководствах к фотоколориметрам и в каталогах цветного стекла.

  • настоящее время выпускаются наборы и отдельные интерференционные светофильтры (рис.13) диаметром 40 мм для длин волн 400 – 800 нм, имею-

щие максимальное пропускание (Т) 25 – 50% с полушириной пропускания λ

53

 

1/2макс – λ´ 1/2макс порядка 2% от длины волны (8 – 16 нм). Наборы интерферен-ционных светофильтров для области спектра 400 – 800 нм выпускаются с ин-тервалом 10, 20 и 40 нм.

Рис.13. Интерференционный светофильтр:

  1. – стекло – подложка;
  2. – слой серебра;
  3. – слой MgF2;
  4. – слой серебра;
  5. – защитное стекло.

Светофильтры для фотометрирования выбирают, исходя из спектра по-глощения определяемого вещества так, чтобы спектральная область макси-мального поглощения лучей окрашенным раствором и область максимально-го пропускания лучей светофильтром была одной и той же, т. е. максимум поглощения раствора должен соответствовать максимуму пропускания (ми-нимуму поглощения) светофильтра. На рис.14 показаны спектральные харак-теристики окрашенного раствора (кривая 1) и правильно подобранного к нему светофильтра (кривая 2).

54

 

Рис.14. Кривые поглощения фотометрируемого раствора (кривая 1) и со-ответствующего ему светофильтра (кривая 2).

Рис.15. Кривые поглощения фотометрируемого раствора (кривая 1) и несоответствующих ему узкополосных светофильтров (кривые 2 и 3).

Фотометрическое определение получается тем точнее, чем более узкий участок спектра удаляется выделить светофильтром. Если светофильтр имеет узкую область максимального пропускания лучей, то она не соответствует области максимального поглощения света фотометрируемым раствором (рис.15), поэтому при работе с таким светофильтром точность определения получается даже меньше, чем при его отсутствии. Иногда, однако, приходит-

55

 

ся отступать от общего правила подбора светофильтра. Например, если вы-бранный для анализа реагент R (длина волны максимального поглощения – λR) имеет окраску и поглощает свет в той же области спектра, что и анализи-руемое соединение (длина волны максимального поглощения комплекса λк), то измерение оптической плотности раствора производят не в области мак-симального поглощения лучей окрашенным соединением, а в области опти-мального поглощения (при λопт). Эта область соответствует той длине волны (или тому участку спектра), где достигается наибольшая разница (ΔД) в оп-тических плотностях окрашенного соединения и самого реагента (рис.16). В этом случае используют светофильтр с максимальным пропусканием лучей при λопт.

Рис.16. Наложение спектров поглощения исследуемого соединения (кри-вая 1) и реагента (кривая 2).

56

 

Рис.17. Спектры поглощения равновесных форм определяемого элемента:

  1. – спектр основного вещества;

2 – спектр равновесной формы.

Другим примером, требующим специального подхода, является фотомет-рический анализ раствора, содержащего близкие по составу равновесные формы окрашенных соединений, спектры поглощения которых аналогичны, но различаются положением максимумов поглощения. Например, измерения оптической плотности стандартных растворов основного компонента (рис.17, кривая 1) производили в соответствии с общим правилом при λ1. При изме-нении оптической плотности исследуемого раствора при λ1 в присутствии некоторого количества его равновесной формы, которая имеет максимум по-глощения при λ2 (кривая 2), получаются заниженные значения концентра-ции определяемого элемента. В этом случае исследуемые и стандартные рас-творы целесообразно фотометрировать при некоторой наиболее эффективной длине волны λ3, которая соответствует точке пересечения кривых 1 и 2, т. е.

57

 

при фотометрировании целесообразно применять светофильтр с максималь-ным пропусканием лучей не в области λ1, а в более эффективной области λ3. При этой эффективной длине волны, называемой длиной волны изобестиче-ской точки, оба окрашенных соединения определяемого элемента имеют одинаковое светопоглощение, поэтому присутствие в исследуемом растворе равновесной формы окрашенного соединения не будет оказывать влияния на результат анализа.

  • тех случаях, когда максимум поглощения раствора выходит за пределы области максимальной чувствительности фотоэлемента или отсутствуют спектральные характеристики как для окрашенного раствора, так и для све-

тофильтра, нужный светофильтр подбирают экспериментально. Для этого приготавливают две пробы исследуемого раствора различной концентрации и измеряют их оптические плотности со всеми имеющимися светофильтра-ми. Затем для каждого светофильтра находят разность оптической плотности ΔД, соответствующую взятой разности концентрации ΔС окрашенного рас-твора. Тот светофильтр, при котором абсолютное значение или разность оп-тической плотности ΔД получается максимальной, является наиболее подхо-дящим для фотометрирования данного окрашенного раствора.

Иногда при подборе светофильтра для фотометрирования используют ме-нее точный, но более быстрый прием – выбирают светофильтр по цвету ис-следуемого раствора (табл.5.)

58

 

Таблица 5.Цвета растворов и соответствующих им светофильтров

Характеристики широко применяемых в колориметрии светофильтров приведены на рис.18 и в табл.6.

Рис.18. Спектральные характеристики широко применяемых в колори-метрии светофильтров:

  • – светофильтры к фотоколориметру ФЭК – М;
    • – светофильтры к фотометру ФМ – 56.

59

 

Таблица 6.Спектральные характеристики светофильтров

Набор светофильтров для фотометрирования окрашенных растворов дол-жен удовлетворять следующим требованиям:

а) максимумы пропускания светофильтров должны перемещаться от фильтра к фильтру по спектру, захватывая более или менее одинаковые участки последнего;

б) светофильтр должен полностью поглощать ультрафиолетовые и инфра-красные лучи;

в) светофильтр должен пропускать лучи узкого интервала длин волн, имея при этом высокое значение коэффициента пропускания.

Общие замечания при работе с фотоколориметрами

Надежность результатов измерений при работе на фотоколориметрах обеспечивается, в первую очередь, правильной установкой и эксплуатацией прибора. Измерения на фотоэлектрических приборах можно начинать через

60

 

15 – 20 минут после включения прибора для того, чтобы установился режим накала лампы осветителя.

Большое значение для получения правильных результатов имеет чистота кювет. Кюветы должны быть всегда тщательно вымыты, желательно хранить их заполненными дистиллированной водой. Брать кюветы при измерениях можно только за боковые стенки, через которые не проходит поглощаемый световой поток.

Растворы сравнения (нулевые растворы)

Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашен-ных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения. В ка-честве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуе-мого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым ионом окрашенное соединение. В том случае, когда сам реагент имеет окраску, раствор сравнения приготавливают следу-ющим образом: к небольшому количеству дистиллированной воды прибав-ляют реагент и все компоненты (кроме определяемого) в тех же количествах, что и при приготовлении окрашенных растворов определяемого вещества. Затем раствор доводят водой до требуемого объема и перемешивают. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бес-цветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

При небольшом избытке реагента оптические плотности растворов окра-шенного комплекса и чистого реагента целесообразнее измерять отдельно по отношению к чистому растворителю и затем косвенным приемом определять оптическую плотность ∆Д, обусловленную поглощением только анализируе-мого комплекса.

61

 

Поправка на холостой (слепой) опыт

Выделение определяемых компонентов из разбавленных растворов и от-деление их от мешающих элементов при анализе веществ высокой степени чистоты производят обычно химическим путем с помощью различных реак-тивов, посуды, аппаратуры. Хотя для этих целей, как правило, применяют специально очищенные реактивы и дважды перегнанную воду, все же они могут содержать определяемую примесь, а стеклянная и кварцевая аппарату-ра тоже частично растворяется под действием кислот, щелочей и т.д. Поэто-му при фотометрических определениях микропримесей элементов всегда проводят холостой опыт, т. е. проделывают все те же операции с реактивами только без анализируемого вещества. Обычно в полученном растворе почти всегда обнаруживают какое – то количество искомого вещества. Эту поправ-ку на холостой опыт вычитают из полученного результата анализа. Для до-стижения высокой чувствительности необходимо, чтобы поправка на холо-стой опыт была значительно меньше определяемого количества примеси.

Выбор кювет

Измерение оптической плотности окрашенных растворов при помощи фо-токолориметров, спектрофотометров производят в специальных сосудах – кюветах, которые имеют толщину поглощающего слоя от 2 мм до 5 см. В спектрофотометрии используют кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 см. В фотоколориметрии кюветы выбирают в соответствии с интенсивностью окраски фотометрируемого раствора. Для интенсивно окрашенных раство-ров, как правило, применяют кюветы с толщиной слоя до 1 см. Слабо окра-шенные растворы, наоборот, фотометрируют в самых больших кюветах – с толщиной слоя 3 – 5 см. Кюветы с максимальной толщиной поглощающего слоя выбирают также при определении чувствительности метода, т. е. при определении наименьшей концентрации окрашенного вещества. При запол-

62

 

нении кювет резко пахнущими жидкостями, кислотами и легко испаряющи-мися растворителями, их обязательно следует закрывать крышками.

63

 

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ: «ФОТОМЕТРИЯ»

  1. Какие существуют виды взаимодействия электромагнитного излучения
    • веществом (регистрируемые в оптических методах анализа)?
  2. Какими способами характеризуется электроманитное излучение(какова природа света)?
  3. Суть понятия “длина волны”, единицы измерения λ ?
  4. Что означают понятия “частота V и волновое число V* в каких едини-

цах они измеряются?

  1. Как называется спектр графической зависимости оптической плотности от длины волны? Какие спектры Вам известны?
  2. Понятия молярного и удельного коэффициентов поглощения?
  3. Что лежит в основе классификации оптических методов: на ИК-, види-

мую область и УФ – спектроскопию? Сравните полноту информации, по-лучаемой при каждом из этих методов, чем это обусловлено?

  1. Принципиальная схема устройства спектрофотометров, назначение от-

дельных частей.

  1. В чем преимущество фотоколориметрии по сравнению с визуальными методами колориметрии.
  2. Какой закон лежит в основе спектроскопического анализа, в чем суть?
  3. Перечислите основные фотометрические величины и их размерность,

выводимые из основного закона светопоглощения и характеризуйте их.

  1. Какие причины могут обусловить отклонения от основного закона све-

топоглощения?

  1. На чем основано применение ИК-спектроскопии в фармацевтическом

(фармакопейном анализе), в каком диапазоне длин волн строится ИК-спектр?

  1. Что следует понимать под «характеристическими частотами» в ИК-

спектроскопии, подтвердите примерами?

64

 

  1. Что лежит в основе методик качественного определения веществ мето-

дом УФ-спектроскопии, поясните примерами?

  1. На чем основан количественный анализ методом УФ- спектроскопии,

область применения, приведите примеры известные Вам.

  1. Перечислите приемы основных фотометрических измерений в количе-

ственном анализе.

  1. Требования к стандартным образцам, применяемым в фотометрии и их классификация?
  2. Каким образом осуществляется поверка шкалы длин волн спектрофото-

метра, какие эталоны оптических плотностей Вам известны?

  1. Что понимать под «сходимостью спектрофотометрических данных», в каких единицах она «сходимость» выражается?
  2. Какие основные факторы влияют на воспроизводимость результатов спектрофотометрических измерений, перечислите и поясните каждый из них?
  3. Требования, предъявляемые к реакциям окрашивания, используемым в фотоэлектроколориметрии?
  4. Сущность фотоэффекта и закон Столетова, что называется порогом фо-

тоэффекта, (обьяснить на примере работы фотоэлемента)?

  1. Назначение светофильтров в фотоэлектроколориметрах, правила выбора светофильтра.
  2. Какие из соединений имеют полосы поглощения в УФ-области (200 –
    1. нм.): KCl, Na2CO3, СН3-СН2-CН2-СН3, СН2=CН- СН=СН2? С какими энергетическими переходами связано это поглощение?
  3. Какие из перечисленных соединений имеют полосы поглощения в ИК-

области: О2, N2, KBr, С6Н5NO2? С какими энергетическими переходами связано это поглощение?

65

 

СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ ПО ФОТОМЕТРИИ:

  1. Рассчитайте удельный показатель поглощения рибофлавина в мак-симуме длины волны 444 нм, если оптическая плотность раствора
    1. · 10 –5 г препарата в 1 мл, равна 0,328 при толщине слоя 10 мм.
  2. Найдите молярный показатель поглощения для фурагина при длине волны 396 нм., если оптическая плотность 0,0005% раствора препа-рата при толщине слоя 10 мм равна 0,40, М.м. 264,20.
  3. Дайте заключение о качестве лекарственной формы состава:

Раствора рибофлавина 0,02% – 10 мл.

Кислоты аскорбиновой

0,02

Тиамина бромида

0,02

Калия йодида

0,3

по количественному содержанию рибофлавина, если оптическая плотность раствора , полученного разведением 0,5 мл лекарствен-ной формы до 10 мл. водой, измеренная при длине волны 445 нм в кювете с толщиной поглощающегося слоя 10 мм, равна 0,340, Удельный показатель рибофлавина в максимуме при 445 нм равен 328.

  1. Дайте заключение о качестве раствора рибофлавина 0,02% – 200 мл (с учетом норм допустимых отклонений согласно приказу N 305), если оптическая платность испытуемого раствора 0,230: оптическая плотность стандартного раствора 0,265, а концентрация стандарт-ного раствора 0,0002 г/мл.
  2. Дайте заключение о качестве лекарственной формы состава:

Фурацилина

0,2

Натрия хлорида

9,0

Воды для инъекций до

1 л.

по количественному содержанию фурацилина , если оптическая плотность раствора , полученного смешиванием 1 мл лекарственн-

66

 

ной формы и 4 мл 0,1м раствора Nа0Н, измеренная при длине вол-ны 450 нм в кювете с толщиной слоя стандартного раствора, 3 мм, равна 0,295.

  1. Оптическая плотность стандартного раствора, полученного из 1 мл 0,02 % раствора РСО фурацилина по той же методике равна 0,290.Содержание фурацилина в 1 мл препарата должно быть

0,000194 –0,000206 г.

  1. Рассчитайте содержание левомицетина в лекарственной форме со-става:

Раствора левомицетита 0,015 – 10 мл

Натрия хлорида 0,09 г

если оптическая плотность 10 мл, раствора, полученного из 1,5 мл, разведениия лекарственной формы 1 : 5, измеренная при длине волны 364 в кювете с толщиной слоя 5 мм равна 0,40. Оптическая плотность 10 мл стандартного раствора левомицетина, полученного из 1,5 мл 0,02% раствора левомицетина, измеренная в тех же усло-виях, равна 0,30.

  1. Дайте заключение о качестве рибофлавина по содержанию погло-щающих примесей, если значения оптической плотности раствора, полученного из 0,0695 г препарата разведением в 10000 раз при длинах волн 267, 373 и 444 нм, соответственно равны 0, 470, 0,152 и

0,172. Д 373/Д267 должно быть от 0,31 до 0,33; Д 444/Д267 – от 0,36 до

0,38.

  1. Дайте заключение о качестве рибофлавина по количественному со-держанию, если оптическая плотность раствора, полученного из 1 г препарата разведением водой в 1000 раз, измеренная при длине волны 444 нм в кювете с толщиной слоя 5 мм равна 0,230, Удельный показатель поглощения 100% препарата в максимуме при длине волны 444 нм – 328, потеря в массе при высушивании 1,20%. Со-

67

 

держание рибофлавина в препарате в пересчете на сухое вещество должно быть 98,0-102%.

10. Дайте заключение о качестве раствора рибофлавина 0,02 – 200 мл по количественному содержанию согласно приказу № 305, если опти-ческая плотность испытуемого раствора 0,231, оптическая плот-ность стандартного раствора 0,245, концентрация стандартного рас-твора 0,0002 г/мл.

11. Составить методику количественного определения масляного рас-твора дезоксикортикостерона ацетата 0,5% для инъекций с теорети-ческим обоснованием и полной расчетной аргументацией (1 мл рас-твора стандартного образца содержит 0,0005 г дезоксикортикосте-рона ацетата).

12. Составить методику количественного определения рибофлавина с теоретическим обоснованием и полной расчетной аргументацией для лекарственной формы:

Рибофлавина 0,002

Глюкозы 0,2

Раствора цитраля 0,01-10 мл

(1 мл стандартного образца рибофлавина содержит 0,00004 г препа-рата).

13. Составить методику количественного определения таблеток предни-золона 0,005 с теоретическим обоснованием и полной расчетной ар-гументацией (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00001 г преднизолона, средняя масса таблетки 0,15 г).

14. Составить методику количественного определения таблеток метил-тестостерона 0,0005 г с полной теоретической и расчетной аргумен-тацией (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00001 г ме-тилтестостерона, а средняя масса таблеток 0,05 г).

15. Составить методику количественного определения метандростено-лона 0,001 г с полной теоретической и расчетной аргументацией. 1

68

 

мл раствора стандартного образца содержит 0, 0005 г метандросте-нолона, Средняя масса таблетки 0,10 г.

16. Выбрать методы количественного анализа компонентов лекарствен-

ной формы, приготовленной по прописи:

Фурацилина

0,001

Раствора стрептоцида растворимого

0,8% – 10,0

Составить методику количественного анализа фурацилина с теоре-тическим обоснованием и полной расчетной аргументацией (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00001 г фурацилина).

17. Составить методику количественного определения таблеток

синэстрола 0,001 с теоретическим обоснованием и полной расчет-ной аргументацией. (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00003 г. синэстрола. Средняя масса таблеток 0,10 г.).

18. Составить методику количественного определения раствора пла-тифиллина гидротартрата 0,2% для инъекций с теоретическим обос-нованием и расчетной аргументацией. (1 мл раствора стандартно-го образца содержит 0,002 г. платифиллина гидротартрата).

19. Составить методику количественного определения таблеток резер-пина 0,00025 г. с полной расчетной аргументаций и теоретическим обоснованием.(1 мл раствора стандартного образца содержит 0,000008 г. резерпина. Средняя масса таблетки 0,10 г.).

20. Составить методику количественного определения таблеток этини-лэстрадиола 0,00001 г. с теоретическим обоснованием и полной рас-четной аргументацией. (1 мл раствора стандартного образца содер-жит 0,00001 г. этинилэстрадиола. Средняя масса таблеток 0,05 г.).

21. Составить методику количественного определения раствора адрена-лина гидротартрата 0,18% для инъекций с теоретическим обоснова-нием и полной расчетной аргументацией. (1 мл раствора стандарт-ного образца содержит 0,000091 г. адреналина гидротартрата).

69

 

22. При определении примеси свободной салициловой кислоты в кис-лоте ацетилсалициловой 0,3045 г. препарата растворили в спирте в мерной колбе вместимостью 25 мл, прибавили1 мл 0,2% раствора железоаммониевых квасцов и довели раствор спиртом до метки оп-тическая плотность полученного раствора, измеренная в максимуме при длине волны 520 нм в кювете с толщиной слоя 50 мм равна 0,260 , оптическая плотность раствора стандартного образца кисло-ты салициловой, полученной из 1 мл 0,01 % в тех же условиях равна 0,270. Дайте заключение о качестве препарата.

23. Дайте заключение о качестве лекарственной формы по количе-ственному содержанию фурацилина согласно приказа мз РФ N 305 фотометрическим способом по методике: один суппозиторий рас-плавляют на водяной бане (дважды извлекают фурацилин спиртом по 10 мл, объединяя извлечения в мерной колбе вместимостью 25 мл и доводят спиртом до метки (раствор А); 0,5 мл раствора А раз-водят водой до 10мл (раствор Б); 1 мл раствора Б помещают в про-бирку, прибавляют 2 мл 0,1 м раствора натрия гидроксида и дово-дят объем водой до 10 мл. У полученного раствора определяют оп-тическую плотность (Дх) в кювете с толщиной слоя 10 мм при све-тофильтре с длиной волны 400 нм (раствор сравнения – вода). Удельный показатель поглощения фурацилина Е 1см1% равен 470, Дх = 0,458.

Экстракта белладоны

0,015

Фурацилина

0,05

Танина

0,1

Масла какао

2,5

24. При количественном определении рутина в таблетках «Аскорутин» (следующего состава:

Кислоты аскорбиновой

0,05

70

 

Рутина 0,05 Спектрофотометрическим методом оптическая плотность раствора полученного из навески 0,0300 г. порошка растертых таблеток и растворенных в 250 мл при длине волны 420 нм в кювете с толщи-ной слоя в 10 мм равна 0,390 . Оптическая плотность 0,02% раство-ра рабочего стандартного образца рутина в тех же условиях была ровна 0,393. Средняя масса одной таблетки составляла 0,330 г. Сде-лайте заключение о качестве препарата по содержанию рутина, ко-торого в 1 таблетке должно быть 0,04625 – 0,05375 г.

71

 

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ

  1. Включение в статью ГФ на глюкозу характеристики удельного показа-

теля поглощения

а) целесообразно

б) нецелесообразно

  1. Метод УФ – спектрофотометрии не используется в анализе а) цефалексина б) стрептомицина сульфата

в) феноксиметилпенициллина г) цефалотина натриевой соли

д) бензилпенициллина калиевой соли

  1. Применение железа (111) хлорида как реагента для фотометрического определения адреналина гидротартрата

а) целесообразно

б) нецелесообразно

4.Укажите, для идентификации каких классов органических веществ мож-но использовать ИК – спектры

а) ациклических

б) алифатических

в) гетероциклических

г) ароматических

  1. В ИК – спектроскопии при подготовке образцов для анализа применяют а) воду б) этиловый спирт

в) хлороформ

72

 

г) калия бромид

д) вазелиновое масло

  1. ИК – спектроскопия отличается от УФ – спектрофотометрии а) областью электромагнитного спектра б) природой светопоглощения в) характером светопоглощения

г) зависимостью светопоглощения от концентрации д) способами расчета концентрации

  1. Отличие УФ – спектрофотометрии от фотоколориметрии заключается а) в зависимости светопоглощения от толщины раствора б) в способах расчета концентрации вещества в) в используемой области оптического спектра

г) в зависимости светопоглощения от концентрации вещества в растворе

8. Укажите методы основанные на измерении поглощения электромагнит-ного излучения

а) УФ – спектрофотометрия

б) ИК – спектроскопия

в) рефрактометрия

г) поляриметрия

д) фотоколориметрия

  1. К оптическим методам относятся а) полярография б) поляриметрия в) потенциометрия

г) фотоколориметрия

73

 

  1. Фотоколориметрические методы основаны на измерении интенсивно-

сти окраски продуктов реакции

а) образования азокрасителя

б) образования ауринового красителя

в) образования гидроксаматов железа или меди г) образования индофенолового красителя

  1. Для определения посторонних примесей в препарате кортизона ацетат применяют методы

а) УФ – спектрофотометрии б) гравиметрии в) фотоколориметрии

г) тонкослойной хроматографии

  1. Кортизон от преднизолона можно отличить

а) по реакции с концентрированной серной кислотой

б) УФ – спектром

в) по температуре плавления

г) по реакции образования оксима

  1. Укажите методы, применяемые для количественного определения сте-

роидных гормонов

а) гравиметрия

б) спектрофотометрия

в) фотоколориметрия

г) ВЭЖХ

  1. Укажите методы анализа, которые можно использовать для количе-

ственного определения сердечных гликозидов в лекарственных формах а) ВЭЖХ

74

 

б) УФ – спектрофотометрия

в) фотоколориметрия

г) биологическая стандартизация

  1. Какой метод анализа основан на поглощении света анализируемым веществом

а) рефрактометрия б) поляриметрия в) фотометрия г) хроматография

д) потенциометрия

  1. Что является определяемым показателем при фотометрическом методе анализа?

а) Электродвижущая сила

б) показатель преломления

в) оптическая плотность

  1. Удельный показатель поглощения это

а) оптическая плотность раствора, содержащего в 100 мл 1г вещества

б) угол поворота плоскости поляризации монохроматического света на путь длиной в 1 дм в среде, содержащей оптически активное вещество, при условном приведении концентрации этого вещества к значению равному

1г/мл

  1. Какому методу анализа соответствует формула расчета концентрации вещества в процентах С = Д / (Е 1см / 1%) ?

а) Рефрактометория

б) поляриметрия

в) фотометрия

75

 

  1. Установите соответствие: для работы в
  2. УФ – области
  3. ИК – области
  4. видимой области

призмы и оптика изготавливаются из

а) из кристаллов натрия хлорида, калия бромида, лития фторида

б) специального кварцевого стекла

в) обычного стекла и кварцевого стекла

  1. Кто дал определение электромагнитной волны?

а) Максвелл

б) Ламберт

в) Бугер

г) Бер

  1. В спектрофотометрическом методе анализа используют поток света а) монохроматический б) полихроматический
  2. В фотоэлектроколориметрии используют поток света

а) монохроматический

б) полихроматический

  1. Метод спектрофотометрии используют для а) качественного определения вещества б) количественного определения вещества
  2. Метод фотоэлектроколориметрии используют для а) качественного определения вещества б) количественного определения вещества

76

 

  1. При фотоэлектроколориметрии используют растворы а) окрашенные б) бесцветные в) прозрачные г) мутные
  2. При спектрофотометрии используют растворы

а) окрашенные

б) бесцветные

в) прозрачные

г) мутные

  1. Фотометрия – оптический метод анализа, основанный на явлении а) рассеяния света б) отражение света в) абсорбции света г) люминесценцией
  2. Волновой природой света объясняются такие явления как

а) отражение

б) рассеяние

в) поглощение

г) испускание

  1. Корпускулярной природой света объясняются такие явления как а) отражение б) рассеяние в) поглощение г) испускание

77

 

  1. Каким способом объясняют природу явлений интерференции, дифрак-

ции и преломления света?

а) Способом, исходящим из волновой природы света

б) способом, исходящим из корпускулярной природы света

  1. Расстояние, проходимое волной за время одного полного колебания –

это

а) частота

б) волновое число

в) длина волны

г) спектр

  1. Число раз в секунду, когда электрическое (или магнитное) поле дости-

гает своего максимального положительного значения – это

а) частота

б) волновое число

в) длина волны

г) спектр

  1. Число длин волн, укладывающихся в единицу длины – это а) частота б) волновое число

в) длина волны г) спектр

  1. Связь между волновой и корпускулярной природой света описывается а) законом Бугера – Ламберта – Бера б) законами Столетова в) уравнением Планка

78

 

  1. Установите соответствие: для измерения
  2. длины волны
  3. частоты
  4. волнового числа используют а) герц

б) обратные сантиметры в) сантиметры

  1. В ИК – области происходят изменения в энергетическом состоянии а) спинов ядер и электронов б) валентных электронов

в) электронов внутренних оболочек

г) атомов в молекулах из – за колебаний

  1. В УФ – и видимой области происходят изменения в энергетическом состоянии

а) спинов ядер и электронов

б) атомов в кристаллической решетке

в) атомов в молекулах из – за колебаний г) валентных электронов

  1. Выберете определение соответствующее понятию спектр поглощения а) распределение по частотам (или по длинам волн) значений полярного

коэффициента поглощения

б) графическая зависимость оптической плотности или молярного коэф-

фициента поглощения от частоты или длины волны падающего света

79

 

  1. Что служит источником излучения при спектрофотометрическом ме-

тоде анализе в УФ – области?

а) лампа накаливания

б) водородная лампа

в) стержень из карбида кремния

  1. Отношение интенсивности светового потока, прошедшего через рас-

твор к интенсивности падающего светового потока – это

а) пропускание

б) погашение

в) молярный показатель поглощения

г) удельный показатель поглощения

  1. К физико – химическим причинам отклонений от закона Бугера –

Ламберта – Бера относится

а) несоответствие подставляемого в уравнение значения концентрации ис-

тинной концентрации вещества в растворе

б) флуоресценция анализируемого вещества

в) немонохроматичность падающего на образец светового потока

г) распределение поглощающего вещества в объеме анализируемого объ-екта

  1. Нелинейная зависимость показания приборов от интенсивности свето-

вого потока относится к причинам отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера

а) физико – химическим

б) инструментальным

в) связанным с анизотропией изучаемого объекта

  1. Хромофорными группами являются

80

 

а)С–С

б)С=С

в)С≡С

г)N=О

  1. К основным приемам фотометрических измерений относятся а) метод градуировочного графика б) метод молярного коэффициента поглощения

в) определение по стандартному образцу

  1. Какие приемы используют для перевода в окрашенное соединение определяемого вещества при фотометрическом определении?

а) Образование окрашенного соединения в результате окислительно – вос-становительного взаимодействия между определяемым ионом и реагентом

б) обесцвечивание окрашенного соединения вследствие взаимодействия с ним определяемого иона

в) осаждение определяемого иона осадителем и последующее определе-ние эквивалентного количества осадка в виде окрашенного соединения

г) проведение каталитической реакции между двумя веществами, одно из которых окрашено или может быть превращено в окрашенное соединение

81

 

ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ

  1. б
  2. б
  3. а,б,в,г
  4. в,г,д
  5. в,г,д
  6. а,б,в
  7. в
  8. а,б,д
  9. г
  10. а,б,в,г
  11. г
  12. б, в
  13. а,б,в,г
  14. а,б,в,г
  15. в
  16. в
  17. а
  18. в
  19. 1.б,2.а,3.в
  20. а
  21. а
  22. б
  23. а,б
  24. б
  25. а,в
  26. а,б,в
  27. в
  28. а,б
  29. в,г
  30. в
  31. в
  32. а
  33. б
  34. в
  35. 1.в,2.а,3.б
  36. г
  37. г
  38. а, б
  39. б
  40. а
  41. а, б
  42. б
  43. б,в,г
  44. а,б,в
  45. а,б,в,г

82

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Берштейн И.Я., Каминский Ю.Л. Спектрофотометрический анализ в ор-

ганической химии. – Л.: Химия, 1986. – 200 с.

  1. Бабко А.К., Пилипенко А.Т. Фотометрический анализ. – М.: Химия,

1968-386 с.

  1. Булатов М.И.,Калинкин Н.П. Практическое руководство по фотомет-

риским и спектрофотометрическим методам анализа. –5-е изд. перераб. – Л.

Химия, 1986. –432 с.

  1. Васильев В.П. Физико-химические методы анализа. М.: Высшая школа,

1989-384 с.

  1. Крамаренко В.Ф., Попова В.И. Фотометрия в фармацевтическом анали-

зе. Киев.: Здоровье, 1972.-190 с.

  1. Кулешова М.Н., Гусева Л.Н., Сивицкая О.К. Анализ лекарственных форм изготовленных в аптеках –2-е изд., перераб. и доп.-М.: Медицина,

1989.-с.145-173.

  1. Руководство к лабораторным занятиям по фармацевтической химии/ Э.

Н. Аксенова, О. П. Андрианова, А. П. Арзамасцев и др./ Под ред. А. П. Арза-масцева.– М.: Медицина, 1987.– 304 с.

  1. Фармацевтический анализ лекарственных средств/ В. А. Шаповалова,

В. А. Заболотный, И. Т. Депешко и др./ Под общ. ред. В. А. Шаповаловой,– Харьков: ИМП «Рубикон», 1995.– 400 с.

83

 

Учебное издание

Илларионова Елена Анатольевна Сыроватский Игорь Петрович

Фотометрия. Теоретические основы метода.

Практическое применение метода.

Компьютерная верстка – И.П. Сыроватский

Подписано в печать 2011. Формат 60х84/16. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 9,5 Тираж экз. Заказ

Отпечатано в типографии ИГМУ,

г. Иркутск, ул. Красного Восстания, 1

84

 

Министерство здравоохранения и социального развития России Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Иркутский государственный медицинский университет» Минздравсоцразвития России Кафедра фармацевтической и токсикологической химии

Илларионова Е.А., Сыроватский И.П.

Фотометрия. Теоретические основы метода.

Практическое применение метода.

Учебное пособие

Рекомендовано Центральным Координационным методическим советом Иркутского государственного медицинского университета в качестве учеб-ного пособия для студентов фармацевтического факультета

Иркутск – 2013

 

ББК 52.8

И 44

УДК 615.1:543.7(075.8)

Учебное пособие обсуждено на методическом совете фармацевтическо-го факультета ИГМУ, рекомендовано к печати и использованию в учебном процессе на кафедре фармацевтической и токсикологической химии Цен-тральным Координационным методическим советом Иркутского государ-ственного медицинского университета, протокол № 7 от 26.05. 2013 г.

Авторы: Е. А. Илларионова, доктор химических наук, профессор, заве-дующая кафедрой фармацевтической и токсикологической химии Иркутско-го государственного медицинского университета; И. П. Сыроватский, кан-дидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармацевтической и токси-кологической химии Иркутского государственного медицинского универси-тета.

Рецензенты:

Кандидат биологических наук, доцент кафедры общей химии ГБОУ ВПО Иркут-ского государственного медицинского университета Демченко Александр Иванович.

Кандидат химических наук, доцент кафедры химии ГБОУ ВПО Иркутского госу-дарственного медицинского университета Станевич Любовь Михайловна.

Илларионова Е.А., Сыроватский И.П.

  • 44Фотометрия. Теоретические основы метода. Практическое применение метода: учебное пособие. – Иркутск, 2013. – 83с.

Учебное пособие охватывает раздел химии, касающийся фотометрических методов анализа и их использования в фармацевтическом анализе лекарственных средств, токси-кохимическом анализе и экологических исследованиях.

Учебное пособие предназначено для студентов фармацевтического факультета.

ББК 52.8

© Илларионова Е.А., Сыроватский И.П., 2013

© Иркутский государственный медицинский университет, 2013

2

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ПРЕДИСЛОВИЕ.

4

Введение.

5

Основные термины и понятия.

6

Оптическая спектроскопия. Общие положения оптической спек-

10

троскопии. Излучение и вещество.

 

Аппаратура.

13

Основной закон светопоглощения.

17

Отклонения от основного закона светопоглощения.

23

Инфракрасная спектроскопия.

26

Характеристические частоты.

28

УФ – спектроскопия. Качественное определение вещества мето-

31

дом УФ – спектроскопии.

 

Количественный анализ вещества методом УФ-спектроскопии.

38

Основные приемы фотометрических измерений.

40

Метрологические вопросы спектрофотометрического анализа.

 

Правильность спектрофотометрических данных.

42

Сходимость спектрофотометрических данных.

44

Воспроизводимость спектрофотометрических данных.

44

Фотоэлектроколориметрия.

46

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ: «ФОТОМЕТРИЯ»

64

СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ ПО ФОТОМЕТРИИ.

66

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ

72

Эталоны ответов

82

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

83

3

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие охватывает раздел химии, касающийся фотометрии и

  • использования в фармацевтическом анализе, токсикохимическом анализе и экологических исследованиях.
    • теоретическом разделе методического пособия изложены теоретиче-

ские основы фотометрии: закон светопоглощения, основные фотометриче-ские величины, причины отклонения от основного закона светопоглощения, метрологические вопросы фотометрического анализа. Представлен материал по использованию ИК- и УФ-спектрофотометрии в качественном анализе и спектрофотометрия в УФ- и видимой областях спектра и фотоэлектрофото-метрия в количественном анализе. Теоретический раздел заканчивается во-просами для самоконтроля знаний студентов, полученных при изучении ма-териала.

  • пособии приведены ситуационные задачи по анализу лекарственных форм заводского и аптечного изготовления, имеются тестовые задания для рубежного контроля знаний студентов после изучения данного раздела.

Пособие составлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 060301 Фармация.

4

 

Введение

Фотометрия – оптический метод анализа, основанный на поглощении электромагнитного излучения анализируемым веществом. Наиболее часто в аналитической практике используется ультрафиолетовая (УФ) с интервалом длин волн от 200 до 380 нм, видимая – от 380 до 760 нм и инфракрасная (ИК) с интервалом длин волн 2,5-15 мкм области спектра. Исходя из этого разли-чают фотометрию в УФ-, видимой и ИК-областях.

Фотометрия наиболее широко применяется для определения подлинности, доброкачественности и количественной оценки лекарственных веществ в ин-дивидуальных препаратах и смесях.

Исследуемый образец может облучаться светом строго определенной длины волны, либо световым потоком определенного интервала длин волн. В первом случае электромагнитное излучение называется монохроматическим, а измерения с его использованием называются спектрофотометрическими. Спектрофотометрия возможна в УФ-, видимой и ИК – областях с помощью приборов спектрофотометров.

Электромагнитные излучения, представляющее собой световой поток определенного интервала длин волн, называется немонохроматическим (по-лихроматическим). В этом случае метод носит название фотоколориметрия (или фотоэлекроколоримерия). Определения осуществляются на фотоколо-риметрах различных типов, для выделения лучей с определенным интерва-лом длин волн в которых имеются светофильтры.

  • настоящем пособии представлены фотометрия в ИК-, УФ- и видимой областях спектра.

5

 

Основные термины и понятия

К спектроскопическим методам анализа относят физические методы, ос-нованные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам в веще-стве, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излуче-ния, отражения и рассеяния электромагнитного излучения (рис.1.).

Рис. 1. Общая картина взаимодействия электромагнитного излучения с веществом

Электромагнитное излучение, или свет, могут быть описаны двумя спосо-бами. Первый исходит из волновой природы света и необходим для объясне-ния таких оптических явлений, как отражение и рассеяние электромагнитно-го излучения, этот способ применяют также для объяснения процессов ин-терференции, дифракции и преломления света. Второй способ исходит из корпускулярной природы света и объясняет процессы поглощения и испус-кания электромагнитного излучения атомами и молекулами.

По Максвеллу, электромагнитная волна может быть представлена как пе-ременное электрическое поле, связанное с магнитным полем (рис. 2.). Взаи-модействие волны с окружающей средой можно рассматривать, используя

6

 

как электрический, так и магнитный векторы. Ниже перечислены некоторые характеристики, вытекающие из волновой природы света.

Рис. 2. Схематическое изображение электромагнитной войны: А – ам-

плитуда,

– вектор электрического поля,

– вектор магнитного поля,

 

Е

Н

 

х – направление распространения волны

Длина волны λ – расстояние, проходимое волной за время одного полного колебания. Для измерения длины волны используют единицу системы СИ – метр (м) или подходящие для данного диапазона кратные единицы: нанометр (1 нм = 10-9 м), микрометр (1мкм = 10-6 м).

Частота ν – число раз в секунду, когда электрическое (или магнитное) поле достигает своего максимального положительного значения. Для изме-рения частоты используют единицу системы СИ – герц (1 Гц = 1 с-1) или кратные ей: мегагерц (1 МГц = 106 Гц), гигагерц (1 ГГц = 109 Гц). Длина вол-ны электромагнитного излучения связана с его частотой соотношением:

7

 

λ=с/ν,

(1)

где с – скорость света в данной среде.

Волновое число ν´ – число длин волн, укладывающихся в единицу длины

ν´=1/λ.

(2)

Измеряют волновое число чаще всего в обратных сантиметрах см-1.

Связь между волновой и корпускулярной природой света описывается

уравнением Планка:

 

∆Е =hν = hc / λ = hcν´,

(3)

где ∆Е – изменение энергии элементарной системы в результате поглоще-ния или испускания фотона с энергией hν (h – постоянная Планка).

В системе СИ энергию измеряют в джоулях (1 Дж = 1 кг·м22).

Таким образом, все четыре величины – Е, ν, λ, ν´ – связаны между собой. Каждую из них можно рассматривать в качестве характеристики энергии квантов электромагнитного излучения. При этом величины ν и ν´ связаны с энергией прямо пропорционально: Е = hν, E = hcν´, а величина λ обратно пропорционально: Е = hc / λ. Численные значения констант, необходимых для перехода от одних энергетических характеристик к другим, составляют h = 6,6262×10-34 Дж·с; с = 2,9979×108 м/с (для вакуума).

Свет поглощается раствором избирательно: при некоторых длинах волн светопоглощение происходит интенсивно, а при некоторых свет не поглоща-ется. Интенсивно поглощаются кванты света, энергия которых hv равна энер-гии возбуждения частицы и вероятность их поглощения больше нуля. Мо-лярный коэффициент поглощения при этих частотах (или длинах волн) до-стигает больших значений.

Распределение по частотам (или по длинам волн) значений молярного ко-эффициента поглощения называется спектром поглощения.

8

 

max ,

Обычно спектр поглощения выражают в виде графической зависимости оптической плотности Д или молярного коэффициента ε поглощения от ча-стоты v (или длины волны λ) падающего света (рис.3). Вместо Д или ε неред-ко откладывают их логарифмы.

Отдельные полосы в спектрах поглощения математически можно описать гауссовскими кривыми:

(4)

где ε и ε max – молярный коэффициент поглощения при данной длине вол-ны λ или волновом числе v´) и при длине волны λmax (или волновом числе v´max), отвечающей точке максимума; v´ и v´max – данное волновое число и волновое число в точке максимума соответственно; δ характеризует ширину полосы поглощения.

(5)

При v´ = ½v´max молярный коэффициент поглощения равен половине мак-

симального ε½ = ½ ε и вместо уравнения имеем

При упрощении и логарифмировании получаем откуда

(7)

δ = v´½ – v´max

(6)

Как видно, величина δ равна полуширине полосы на половине ее высоты. На рис. 3 в качестве примера приведен спектр поглощения в УФ – области

спектра 0,003 % раствора калия хромата. Данный спектр является сложным, состоящим из нескольких несимметричных полос поглощения.

9

 

Для несимметричных полос обычно указывают v´maxmax) и ε max. Для ре-шения таких структурных, термодинамических или иных вопросов несим-метричные полосы нередко разлагают на индивидуальные гауссовы компо-ненты, каждая из которых описывается уравнением (4).

Таким образом, наибольший интерес представляют следующие характе-ристики спектра: число максимумов (или полос поглощения) и их положение по шкале длин волн (или частот); высота максимума; форма полос поглоще-ния

 

0,8

                   
 

0,7

                   

плотност

0,6

                   

0,5

                   
                     

оптическая

0,4

                   

0,3

                   
                 

щелочь

 

0,2

               

кислота

 
                   
 

0,1

                   
 

0

                   
 

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

 
     

Рис. 3 УФ спектр поглощения 0,003% раствора

 

длина волны

 
           
         

калия хромата

         

Оптическая спектроскопия Общие положения оптической спектроскопии Излучение и вещество

При действии электромагнитного излучения на любую молекулу в зави-симости от его энергии происходит то или иное взаимодействие вещества и излучения. Исследование этого взаимодействия и является предметом спек-троскопии.

УФ – и ИК – спектроскопия охватывают лишь небольшую часть спектра энергий электромагнитных волн (табл. 1.)

10

 

Типы изменений в молекуле зависят от энергии излучения, или, что то же самое, от его длины волны, так как энергия излучения и длина волны связаны известным соотношением

∆Е =hν = hc / λ = hcν´.

(3)

Таблица. 1. Спектр электромагнитных волн

     

Изменения в

Энегия из-

 

v, см-1

λ, см

Область

энергетическом

 

лучения, эВ

 
     

состоянии

 
         
           
     

Спинов ядер и электронов

10-6

 

10-3

103

Радиоспектроскопия

     

Атомов в кристаллической

10-3

 
     

решетке

 
         
           

103

10-3

ИК – спектроскопия

Атомов в молекулах из – за

10-1

 

колебаний

 
         
           

105

10-5

Спектроскопия в ви-

     

димой области

     
   

Валентных электронов

10

 
       

106

10-6

УФ – спектроскопия и

 
     

ФЭС

     
         
           

106 – 107

10-6 -10-7

Масс – спектрометрия

Образование ионов и раз-

10 – 102

 

рывы связей

 
         
           

109

10-9

Рентгеноструктурный

Электронов внутренних

105

 

анализ

оболочек

 
       
           
   

Ядерные реакции под

     

1010

10-10

действием γ – излуче-

Ядер

107

 
   

ния

     
           

Основным принципом любого типа взаимодействия излучения и вещества является принцип квантового поглощения энергии. Какого бы типа измене-ние не происходило – переход конкретного электрона на определенную воз-

11

 

бужденную орбиту (УФ – область) и др. – энергия, необходимая для этого, строго определена и всегда постоянна.

Из рис. 4 видно, что в области электронных переходов (Е1 → Е2 ) элек-трон, возбуждаясь падающим излучением, переходит с орбиты Е1 на возбуж-денную орбиту Е2. При таком переходе энергия кванта hν должна быть по-рядка нескольких электронвольт. При меньшей энергии переход электрона на возбужденную орбиту Е2 не реализуется и осуществляются лишь переходы электронов на колебательные уровни Е2*(при собственной энергии порядка 10-1 эВ) или на вращательные уровни (при энергии порядка 10-2 эВ). ИК – спектроскопия, занимающаяся исследованием органических соединений, изучает лишь область от 500 до 5000 см-1 при энергии падающего излучения в несколько десятых электронвольта . Применяемые для исследования орга-нических соединений УФ – спектрометры обычно исследуют область от 200 до 400 нм, а участок спектра от 400 до 1000 нм является предметом изучения спектроскопии в видимой области при энергии падающего излучения поряд-ка нескольких электронвольт.

Как правило, в УФ – спектроскопии применяется в качестве единицы дли-ны волны нанометр (нм): 1 нм = 10-7 см или 10-9 м.

В ИК – спектроскопии полоса поглощения характеризуется лишь положе-нием в спектре (в см-1), а интенсивность полосы поглощения указывается, как правило, лишь приближенно (интенсивная, средней интенсивности, слабой интенсивности). В УФ – спектроскопии полоса поглощения характеризуется двумя точными параметрами: положением линии поглощения (в нм) и ее ин-тенсивностью (в единицах ε, lgε или Д)

12

 

Рис. 4.Электронные, колебательные и вращательные переходы при взаи-модействии вещества и электромагнитного излучения.

Аппаратура

Спектры веществ получают с помощью приборов, называемых спектро-фотометрами.

Все спектрофотометры состоят из следующих основных частей:

1 – источник излучения с непрерывным спектром излучения в УФ -, види-мой или ИК – области спектра. Используемый источник излучения определя-ет тип прибора – УФ-спектрофотометр, ИК-спектрофотометр и т. д. В УФ – области источником излучения служит обычно водородная лампа, в видимой области – лампа накаливания, в ИК – области – глобар, представляющий со-бой стержень из карбида кремния;

2 – кюветное отделение, в котором помещаются исследуемые образцы. В спектрофотометрах для УФ- и видимой областей спектра кюветное отделе-

13

 

ние располагают, как правило, после монохроматора, чтобы не происходило разложения вещества под действием источника излучения;

3 – монохроматор – устройство, включающее призму или дифракционную решетку, обеспечивающее разложение сплошного излучения источника из-лучения на монохроматические пучки и позволяющее делать развертку (ска-нирование) спектра по длинам волн или волновому числу. Призма в моно-хроматоре должна быть прозрачной для длин волн в исследуемой части спек-тра;

4 – приемник пропущенного веществом излучения, преобразующий све-товую энергию в электрические сигналы, которые далее усиливаются и по-ступают в регистрирующее устройство;

5 – регистрирующее устройство, с помощью которого производится отсчет (гальванометр) или запись (самописец) усиленных сигналов, поступающих из приемника радиации.

Рис. 5.Принципиальная схема спектрофотометра: 1 — источник излуче-ния; 2 — кювета с веществом; 3 — монохроматор; 4 — регистрирующее

устройство; 5 — самописец

Излучение, генерируемое источником 1, проходит через кювету с веще-ством 2 и попадает в монохроматор 3. Монохроматор состоит из системы

14

 

зеркал и призмы или дифракционной решетки, которая подает на выходную щель монохроматора излучение с определенной длиной волны. Этот пучок попадает затем в регистрирующее устройство 4, в котором преобразуются в электрический сигнал и записывается на самописце 5 на калиброванную бу-магу.

Для работы в инфракрасной области спектра призма, материалы кювет, а также вся оптическая система ИК – спектрофотометра изготавливаются из кристаллов NaCl, KBr или LiF. Эти материалы прозрачны для инфракрасного излучения. Для работы в УФ – области призма, кюветы для вещества и вся оптика изготавливаются из специального кварцевого стекла. Для работы в видимой области призма и оптика выполняются из обычного стекла или из кварца.

Все спектрофотометры подразделяются на две группы – однолучевые и двухлучевые. В однолучевых приборах процесс получения спектра требует последовательного выполнения двух операций: сначала измеряют пропуска-ние чистого растворителя, а затем пропускание раствора исследуемого веще-ства в этом же растворителе. Разность оптических плотностей этих растворов дает оптическую плотность исследуемого вещества на фиксированной длине волны поглощения. В двухлучевых приборах световой поток от источника излучения делится на две равные части и распространяется по двум каналам, в один из которых (канал сравнения) ставится кювета с чистым растворите-лем, а в другой – кювета с исследуемым раствором. Это позволяет сразу по-лучить кривую пропускания, или оптической плотности образца.

Фотоколориметрические методы определения концентрации вещества ос-нованы на сравнении поглощения (или пропускания) света стандартным и исследуемым окрашенными растворами. В отличие от визуальных методов в фотоколориметрии степень поглощения света окрашенным раствором опре-деляется не глазом, а при помощи специальных оптических приборов – коло-риметров с фотоэлементами (фотоколориметров).

15

 

Современные фотоколориметры являются двухлучевыми приборами с двумя фотоэлементами и имеют одинаковые принципиальные схемы (рис. 6). Конструкция приборов предусматривает уравнивание интенсивности двух световых потоков при помощи переменной щелевой диафрагмы.

Рис. 6.Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) фотоколориметра ФЭК-М

1 – лампа осветителя;

2 и 2´ – конденсаторы;

  1. и 3´ – зеркала;
  2. и 4´ – светофильтры;
  3. и 5´, 7 и 7´ – линзы;
  4. и 6´ – кюветы с растворами;
  5. и 8´ – призмы;
  6. и 9´ – селеновые фотоэлементы;
  7. и 11 – фотометрические клинья;
  8. – щелевая диафрагма;
  9. – отсчетный барабан, связанный со щелевой диафрагмой;
  10. – гальванометр;
  11. – шкала отсчетных барабанов;
  12. – рукоятка защитной шторки, перекрывающей световые потоки;
  13. – арретир гальванометра;
  14. – механический корректор;
  15. – переключатель чувствительности гальванометра;

16

 

20 – кюветодержатель;

21 – переключатель светофильтров.

Принцип действия прибора состоит в следующем: световые потоки от лампы- осветителя 1 направляются на зеркала 3 и , затем проходят через светофильтры 4 и в кюветы с растворами 6 и , попадают на селеновые фотоэлементы 9 и . Перед фотоэлементами на пути левого светового пото-ка помещены круговые фотометрические клинья 10 и 11, а на пути правого светового потока – щелевая диафрагма 12, связанная с отсчетными бараба-нами 13. На отсчетных барабанах имеется две шкалы: красная – шкала опти-ческих плотностей и черная – шкала коэффициентов пропускания Т (%). Фо-тоэлементы 9 и включены в цепь с гальванометром 14 по дифференциаль-ной схеме, так что при равенстве световых потоков, падающих на фотоэле-менты 9 и , возникающие фототоки взаимно компенсируются, а стрелоч-ный гальванометр 14 используется здесь в качестве нуль – гальванометра.

Измерения оптической плотности светопропускания растворов произво-дят при помощи двух барабанов: правого и левого. Шкала оптической плот-ности левого барабана проградуирована от 0 до 2 (100 – 0% светопропуска-ния). Шкала оптической плотности правого барабана имеет пределы измере-ний 0,00 – 0,52, причем точность измерений на участке шкалы 0,15 – 0,52 (по шкале светопропускания – 70 – 30%) выше, чем при измерении на левом ба-рабане.

Для определения концентрации раствора обычно пользуются шкалой оп-тической плотности.

Основной закон светопоглощения

  • основу методов абсорбционного спектроскопического анализа положен обобщенный закон светопоглощения.

17

 

Если световой поток, интенсивность которого Io падает на кювету с рас-твором, то часть его (Ic) отражается от поверхности кюветы, часть (Ia) будет поглощена раствором, а часть (I) пройдет через кювету. Между этими вели-чинами имеется следующее соотношение:

Io = Ic + Ia + I. (8)

Поскольку на практике пользуются одной и той же кюветой для серии анализов, то интенсивность отраженного светового потока величина посто-янная и незначительная, поэтому ею можно пренебречь, следовательно:

Io = Ia + I. (9)

Непосредственно в опыте можно определить интенсивность падающего светового потока и интенсивность потока прошедшего через раствор, тогда интенсивность светового потока, поглощенного раствором может быть найдена по разности:

Ia = Io – I. (10)

Зависимость между ослабленной интенсивностью лучистой энергии, про-шедшей через раствор и толщиной слоя раствора, установленная Бугером и подтвержденная Ламбертом, составила сущность первого закона светопо-глощения: относительное количество поглощенного и пропускаемого средой излучения не зависит от интенсивности падающего излучения: каждый слой равной толщины поглощает равную долю падающего монохроматического излучения.

Математически эта зависимость выражается уравнением:

I = Io·e-кℓ, (11)

18

 

где е – основание натурального логарифма;

  • – коэффициент поглощения; ℓ – толщина слоя раствора.

Положив в основу десятичную систему логарифма, получим уравнение:

I = Io·10-кℓ. (12)

Чтобы уяснить числовое значение к предположим, что интенсивность све-тового потока после прохождения через раствор уменьшится в десять раз, то-гда:

I / Io = 1 / 10 = 10-1 = 10-кℓ, (13)

к·ℓ = 1, (14)

  • =1/ℓ. (15)

Следовательно, коэффициент поглощения к численно равен обратной ве-личине толщины слоя раствора, ослабляющей интенсивность проходящего через него светового потока в десять раз. Коэффициент поглощения зависит от природы растворенного вещества и от длины волны падающего света.

19

 

Рис. 7. Графическое выражение закона Бугера – Ламберта

На рис. 7 показана экспоненциальная кривая, выражающая графическую зависимость между интенсивностью светового потока, прошедшего через слой поглощающего вещества, и толщиной слоя.

Второй закон светопоглощения установлен Бером и выражает связь между интенсивностью потока лучистой энергии и концентрацией вещества в по-глощающем слое: поглощение потока лучистой энергии прямо пропорцио-нально числу частиц поглощающего вещества, через которое проходит по-ток этого излучения.

20

 

Следовательно,

к=ε·С

(16)

где ε – коэффициент, зависящий от природы вещества; С – концентрация.

Объединяя оба закона, получим закон Бугера – Ламберта – Бера: интен-сивность светового потока, прошедшего через раствор прямо пропорцио-нальна интенсивности падающего светового потока и зависит от концен-трации, толщины слоя раствора и природы вещества.

I = Io·10-εсℓ. (17)

Основные фотометрические величины, которые можно вывести из закона светопоглощения Бугера – Ламберта – Бера

  1. Пропускание Т % – отношение интенсивности светового потока, про-

шедшего через раствор к интенсивности падающего светового потока.

  • = I / Io = Io·10-εсℓ / Io = 10-εсℓ. (18)

Пропускание изменяется от 0 до 100 %.

2. Поглощение или оптическая плотность Д (А) – десятичный логарифм величины, обратной пропусканию.

  • = lg 1 / T = lg 1 / 10-εсℓ = lg 10εсℓ = ε·С·ℓ. (19)

При графическом изображении зависимости оптической плотности от концентрации (при постоянной величине толщины слоя) получается прямая линия. Эта прямая проходит через начало координат при отсутствии погло-щения света растворителем и систематических ошибок.

21

 

Уравнения (17) и (19) выведены для монохроматического света, то есть света определенной длины волны, который может быть выделен с помощью специального оптического устройства – монохроматора. В фотоколоримет-рии измерение интенсивности световых потоков производят не в монохрома-тическом, а в полихроматическом свете, то есть на довольно широком участ-ке спектра : в интервале длин волн 20 – 100 нм. В этом случае в уравнение

  1. вместо молярного коэффициента светопоглощения следует подставлять значения среднего молярного коэффициента светопоглощения, зависящие от характеристики светофильтра.
    1. Молярный показатель поглощения εм – оптическая плотность раствора,

концентрация которого выражена в молях, толщина слоя в сантиметрах. Величина молярного коэффициента светопоглощения зависит от длины

волны проходящего света, температуры раствора и природы растворенного вещества и не зависит от толщины поглощающего слоя и концентрации рас-творенного вещества. Молярный коэффициент светопоглощения отражает индивидуальные свойства окрашенных соединений и является их определя-ющей характеристикой.

  1. Удельный показатель поглощения Е1%1см – оптическая плотность рас-

твора, концентрация которого выражена в процентах, толщина слоя в санти-метрах.

 

1%

 

(20)

 

Д = Е 1см·С·ℓ

 

Е

1%

 

(21)

 

1см=Д/С·ℓ

 

С=Д/Е

1%

(22)

 

1см·ℓ.

 

22

 

Отклонения от основного закона светопоглощения

Объединенный закон Бугера – Ламберта – Бера многократно проверялся на опытах и его можно считать строго установленным. Однако на практике мо-гут наблюдаться отклонения, которые происходят за счет несоблюдения за-кона светопоглощения. Закон Бугера -Ламберта – Бера, строго говоря, спра-ведлив лишь для проходящего через гомогенную изотропную среду плоско-параллельного пучка монохроматического света при соответствии величины

  • в уравнениях (17), (18) и (19) истинной концентрации вещества в растворе и незначительной заселенности возбужденного энергетического уровня. Если толщина слоя выдерживается постоянной, то зависимость оптической плот-

ности от концентрации поглощающего свет вещества в растворе изображает-ся прямой линией, проходящей через начало координат с тангенсом угла наклона, равным .

Нарушения указанных условий приводит к кажущимся отклонениям от закона Бугера, выражающимся в искривлении данной зависимости. Другими словами, коэффициент поглощения  в уравнениях (17), (18) и (19) перестает быть постоянным, а возрастает или уменьшается с ростом С. В первом случае говорят о положительных, а во втором – об отрицательных отклонениях от закона Бугера (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость оптической плотности от концентрации поглоща-ющего свет вещества в растворе при соблюдении закона Бугера (1), поло-

жительных (2) и отрицательных (3) отклонениях от него.

23

 

Наиболее часто встречающиеся причины отклонений от закона Бугера можно разделить на три группы: 1) физико – химические, связанные со свой-ствами анализируемого вещества или всего раствора; 2) инструментальные, связанные с особенностями данного спектрофотометра; 3) связанные с ани-зотропией изучаемого объекта.

К физико – химическим причинам относится, прежде всего, несоответ-ствие подставляемого в уравнение значения С истинной концентрации ве-щества в растворе. Это несоответствие может быть вызвано рядом факторов: так, присутствие посторонних электролитов вызывает деформацию молекул или комплексных окрашенных соединений, вследствие чего изменяется ин-тенсивность окраски и светопоглощение.

При разбавлении концентрированных окрашенных растворов электроли-тов изменяется степень диссоциации их на ионы, что также вызывает откло-нения от закона Бера. Кроме диссоциации и ассоциации молекул на светопо-глощение раствора оказывают влияние явления гидролиза, комплексообразо-вания, образования промежуточных продуктов и коллоидов, таутомерные превращения. Сольватация (гидратация) также сказывается на светопогло-щении растворов, так как с изменением концентрации процесс сольватации протекает неодинаково. Эти процессы часто связаны с концентрацией Н+ в растворе, температурой, действием солнечного света и т. п. Изменение кон-центрации Н+ в растворе приводит к различной степени связанности опреде-ляемого иона в окрашенное соединение, к изменению состава последнего или даже к его разрушению.

Особенно большие отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера могут наблюдаться при разбавлении растворов малоустойчивых окрашенных со-единений. Диссоциация светопоглощающего соединения и влияние сопря-женных реакций, протекающих в водном растворе, является одной из основ-ных “химических” причин нарушения закона Бера.

24

 

Таким образом, перед фотометрическим определением важно выяснить в пределах каких концентраций соблюдается основной закон светопоглощения.

Другой физико – химической причиной отклонения от закона Бугера явля-ется флуоресценция анализируемого вещества. Попадание испускаемого рас-твором флуоресцентного потока на фотоэлемент приводит к увеличению ин-тенсивности прошедшего через раствор света, что, естественно, снижает экс-периментально определяемую оптическую плотность. Вследствие частичной реабсорбции флуоресцентного света наблюдаемые отклонения будут возрас-тать с увеличением оптической плотности и уменьшаться с ростом концен-трации растворенного вещества (эффект тушения).

Очевидной инструментальной причиной кажущихся отклонений от закона Бугера – Ламберта – Бера может быть нелинейная зависимость показаний приборов от интенсивности светового потока. Это явление можно легко об-наружить по результатам измерения пропускания нескольких нейтральных светофильтров, оптическая плотность которых в широких пределах не зави-сит от длины волны, или растворов хорошо изученных стандартных веществ.

Наиболее частой инструментальной причиной кажущихся отклонений от закона Бугера является немонохроматичность падающего на образец свето-вого потока. В любом реальном спектрофотометре с непрерывным источни-ком излучения из выходной щели выходит пучок света с некоторым интерва-лом длин волн, который определяется шириной выходной щели и дисперсией монохроматора. В общем случае увеличение ширины щели приводит к паде-нию измеряемого поглощения и кажущейся величины  в области максиму-мов и одновременно к увеличению Д и  в области минимумов спектральных кривых. Эти изменения мало заметны для веществ с широкими спектраль-ными полосами (в этих случаях закон Бугера выполняется и при больших щелях) и могут быть резкими при полосах малой ширины. Для того чтобы на практике избежать существенного искажения формы спектральной полосы и величины  необходимо, чтобы спектральная ширина щели была значительно меньше полуширины исследуемой полосы.

25

 

Помимо конечной ширины щели, немонохроматичность светового потока может быть вызвана присутствием рассеянного света. Под рассеянным све-том обычно понимают полихроматическое излучение, попадающее в кювет-ную камеру спектрофотометра в результате различных отражений и рассея-ний в диспергирующей системе.

Кроме двух причин, рассмотренных выше следует упомянуть третью группу причин кажущихся отклонений от закона Бугера, связанную с рас-пределением поглощающего вещества в объеме анализируемого объекта. Так, для оптически анизотропных молекул поглощение неполяризованного света зависит от степени их упорядоченности. Это явление может наблю-даться, например, при микроспектрофотометрии биологических объектов, обладающих определенной структурой.

Отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера могут появляться из-за не-равномерного распределения поглощающего вещества в пучке света (кюве-те). Подобные ошибки также встречаются и в микроспектрофотометрии.

Пропорциональность между оптической плотностью и концентрацией ве-щества в растворе нарушается также при чрезвычайно большой интенсивно-сти падающего на вещество света (лазерное излучение), когда значительная часть молекул вещества оказывается в возбужденном состоянии.

Инфракрасная спектроскопия

Основные вопросы, которые могут быть решены с помощью ИК – спек-троскопии, следующие:

Исследование строения соединений – наличия разнообразных функцио-нальных групп или даже более сложных фрагментов молекулы.

Установление идентичности соединений.

Контроль за ходом реакций.

Изучение внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий.

26

 

Остановимся на первой, наиболее важной в аналитической химии про-блеме, так как вторая и третья проблемы довольно просты по определению, а четвертая является, как правило, предметом изучения физической химии.

Рассмотрим в упрощенном виде, что происходит при прохождении излу-чения с энергией в десятые эВ и соответственно с диапазоном v от 500 до 5000 см-1 через пары формальдегида. Если волновое число проходящего че-рез вещество излучения медленно изменяется от 500 до 5000 см-1, то энергия такого излучения медленно возрастает, так как уменьшается длина волны. Поток падающего излучения будет беспрепятственно проходить через веще-ство, пока его энергия не будет точно соответствовать по величине энергии, способной вызвать изменение валентных углов между атомами водорода в молекуле. Такого типа колебания атомов носят название деформационных колебаний (δ) и бывают симметричными (δs) и антисимметричными (δаs). Это происходит в области энергий, соответствующих волновому числу 1500 см-1. Энергия проходящего излучения в этом случае расходуется на возбуждение колебаний, и интенсивность прошедшего потока энергии резко падает (про-исходит излучение).

При дальнейшем возрастании энергии излучения наступает момент, когда она точно соответствует энергии, вызывающей изменение длины двойной связи С = О (1745 см-1). Такого типа колебания называются валентными (v).

И наконец, при достаточном возрастании энергии в области около 2800 см-1 начинает изменяться длина С – Н связей – валентные симметричные и валентные антисимметричные колебания:

Деформационное деформационное валентное валентное С – Н валентное С – Н

Симметричное δs антисимметричное δas карбонила симметричное vs антисимметричное vas

27

 

Измеряя изменение интенсивности проходящего через вещество потока излучения, получаем ИК – спектр пропускания (поглощения) вещества.

Чрезвычайно важно, что поглощение для каждой функциональной группы лежит в сравнительно узкой области и в пределах этой узкой области зави-сит только от ближайшего окружения данной функциональной группы.

Характеристические частоты

Экспериментальные исследования колебательных спектров большого числа молекул, обладающих одними и теми же химическими группами, пока-зали, что в их спектрах имеется некоторое число общих или мало отличаю-щихся частот. Такие частоты, появляющиеся в спектре при наличии в соеди-нении определенных химических групп, независимо от того, каким молеку-лам эти группы принадлежат, получили название характеристических. К ним относятся, например, валентные колебания связей С – Н, С = О, С = С, О – Н, деформационные колебания С – Н, N – O,колебания групп – NO2, – COO, CONH2.

Основным условием характеристических частот является существенное отличие их положения в спектре от частот колебаний основного скелета мо-лекулы.

Органические молекулы имеют скелет, состоящий из связей С – С, ва-лентные колебания которых лежат в области 800 – 1200 см-1. Поэтому для ор-ганических соединений большая часть характеристических частот лежит вне этой области.

Вопрос о характеристичности колебания в общей форме не имеет смысла. Следует говорить о характеристичности колебаний в определенных услови-ях, в определенных рядах соединений. Так колебания С – СI характеристич-ны для молекул, имеющих связь с частотами, близкими С – СI, например С – Br и С – S.

28

 

Колебания атомов углерода, связанных простой связью (колебания угле-родного скелета), сильно взаимодействуют между собой в результате близо-сти параметров, обуславливающих колебания. Сильно взаимодействуют так-же колебания простых связей С – О, С – N, а также N – N и O – N между со-бой и с колебаниями простых связей С – С. Все эти колебания попадают в область 700 – 1200 см-1, и отнесение полос в этой области, так называемой области «отпечатков пальцев», не представляется возможным. Однако набор полос в этой области является индивидуальной характеристикой каждого со-единения и сильно изменяется даже при небольших различиях в строении молекулы. В таблице 2 приведены некоторые характеристические частоты поглощения в ИК – области. Для органических соединений можно указать на две характерные области колебательных спектров.

Область 800 – 1350 см-1. В этой области проявляются валентные колеба-ния связей С – С, C – N, N – O, C – O и деформационные колебания связей N

– H, O – H, C – H. В этой области спектр органического соединения зависит от его строения и даже небольшие изменения в структуре соединения вызы-

вают существенные изменения в спектре.

Область частот за пределами 800 – 1350 см-1. Спектры органических со-единений имеют здесь интенсивные полосы, которые обусловлены колебани-ями отдельных связей или групп атомов; частоты колебаний таких групп имеют одинаковые или близкие значения независимо от того, каким молеку-лам принадлежат. Эти полосы могут быть использованы для характеристики поглощения групп.

Следует помнить, что частоты всех видов колебаний в той или иной сте-пени чувствительны даже к небольшим изменениям в строении молекулы (этим объясняется высокая специфичность инфракрасного спектра любого органического соединения). Достаточно сильное влияние оказывают на них такие факторы, как стерические эффекты, природа, размер и электроотрица-тельность ближайших атомов, агрегатное состояние вещества и образование водородных связей, что также находит отражение в спектрах.

29

 

Таблица 2. Некоторые характеристические частоты

поглощения в ИК-области

30

 

УФ – спектроскопия

Качественное определение вещества методом

УФ – спектроскопии

Спектры поглощения в УФ- и видимой областях определяются изменени-ями в энергии валентных электронов при электронных переходах, вследствие чего эти спектры получили название электронных. Они располагаются в об-щем спектре электромагнитных волн в диапазоне 150 – 1000 нм.

Атомы в органических молекулах могут быть связаны простыми и крат-ными (двойными и тройными) связями. Электроны этих связей имеют раз-личную энергию и поэтому возбуждаются излучением с различной длиной волны.

Наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов простой уг-лерод – углеродной связи. Соответственно предельные углеводороды погло-щают в области ниже 200 нм. Несколько меньшая энергия необходима для возбуждения электронов других простых связей, в которых, кроме углерода, имеются гетероатомы, содержащие неподеленные пары электронов. Но по-глощение спиртов и простых эфиров, аминов и их алкильных производных находится еще в области около 200 нм. Молекулы, содержащие атомы гало-гена, поглощают уже в более длинноволновой области, и сдвиг после погло-щения тем больше, чем в большей степени поляризовано электронное облако галогена. Для бромистых производных оно лежит в области 200 – 230 нм, а иодзамещенные поглощают в области 270 – 350 нм.

Хромофорные группы. Группы, вызывающие поглощение в области от 180 до 1000 нм, получили название хромофорных. К ним принадлежат груп-пы, содержащие не менее одной кратной связи: С=С, С≡С, С=О, С=N, N=O, N=N, NO2 и др. Энергия возбуждения π – электронов кратных связей суще-ственно меньше энергии возбуждения простых связей, и поглощение, соот-ветствующее переходу π – электрона, находится в области 180 – 190 нм. Оно отличается высокой интенсивностью (lg ε ≥4). Обычно полосу поглощения,

31

 

соответствующую этому переходу, называют К – полосой.Такое поглощение характерно для молекул, содержащих несопряженные двойные и тройные связи углерод – углерод. Интенсивность полосы поглощения обычно харак-теризуется величиной экстинции в точке максимума εmax или lg εmax . Элек-тронные переходы при поглощении УФ- и видимого излучения могут быть классифицированы с точки зрения молекулярных орбиталей, между которы-ми происходят переходы. По общепринятой классификации (Каша) элек-тронные переходы обозначаются как π → π*, σ → σ*, n → π*, n → σ*, где n – несвязывающая орбиталь неподеленной пары электронов, а σ, π и σ*, π* – со-ответственно связывающие и разрыхляющие орбитали.

Положение кривой поглощения определяется числом и взаимным распо-ложением заместителей. Каждая алкильная группа, вводимая к углеродным атомам у двойных связей, вызывает сдвиг максимума поглощения приблизи-тельно на 5 нм в длинноволновую сторону.

Накопление в молекуле сопряженных двойных связей вызывает сдвиг по-глощения в длинноволновую сторону примерно на 30 нм на каждую взаим-ную двойную углерод – углеродную связь. Так, бутадиен поглощает при 217 нм, гексатриен – при 265 нм, а каротин, имеющий цепочку из одиннадцати групп СН = СН, имеет максимум поглощения при 511 нм (видимая область) и окрашен в желтый цвет.

Накопление в молекуле кратных связей вызывает не только сильное сме-щение полос поглощения в сторону длинных волн, но и увеличение их ин-тенсивности.

Замена одного из углеродных атомов двойной связи С = С на атомы, име-ющие неподеленные пары электронов, вызывает существенное изменение поглощения.

Насыщенные соединения. В насыщенных углеводородах, содержащих простые связи, возможны только σ → σ*- переходы. Полосы, соответствую-щие этим переходам лежат в области наиболее коротких длин волн (так называемого вакуумного ультрафиолета). В таблице 3 в качестве примера

32

 

приведены максимумы поглощения некоторых простых молекул. В спектрах насыщенных молекул, содержащих гетероатомы с неподеленными электрон-ными парами, длинноволновая полоса поглощения относится к n → σ*- пере-ходу.

Таблица 3. Поглощение простых насыщенных соединений

Соединение

λ σ→σ*,нм

λ n → σ*, нм (lg ε)

     

CH4

125

C2H6

135

Н -C8H18

170

CH3OH

150

183(2,2)

CH3NH2

173

213 (2,3)

CH3CI

150

173 (2,3)

(C2H5)3N

199

227 (2,9)

     

Алкены, алкины, диены. Поглощение кратной связи С=С обусловлено пе-реходом π → π*. Полоса поглощения этилена находится при 165 нм, алкиль-ные заместители при двойной связи приводят к смещению данной полосы в область 175 – 200 нм.

Для ацетиленовых углеводородов, содержащих изолированную связь С=С, полосы поглощения наблюдаются в интервале 170 – 190 нм и относятся также к π → π* – переходу. Наличие цепи сопряженных связей приводит к смещению поглощения в длинноволновую область. В таблице 4 приведены

полосы поглощения бутадиена, винилацетилена, а также гексатриена – 1,3,5.

33

 

Таблица 4. Поглощение ненасыщенных соединений

Соединение

λmax π → π*, нм

ε max

λmax n → π*, нм

ε max

         

CH2=CH-CH=CH2

217

21000

   

CH2= CH-C=CH

219

6500

   

CH2=CH-CH=CH-H=CH2

256

22400

   

CH3CHO

   

290

17

(CH3)2C=O

   

279

15

CH3COOH

   

204

41

CH3COCI

   

235

53

CH3CO2C2H5

   

204

60

         

Карбонильные соединения. В спектрах насыщенных альдегидов и кетонов имеются две полосы поглощения: одна в области 150 – 170 нм, вторая при 170 – 200 нм. Более длинноволновая полоса относится к n → σ*-переходу, коротковолновая полоса – к переходу π → π*.

При переходе к эфирам, амидам и галогенангидридам кислот наблюдается сильное коротковолновое смещение n → π* – полосы (см. табл. 4).

С увеличением полярности растворителя максимум полосы поглощения n → π* – перехода смещается в коротковолновую область.

При переходе к сопряженным карбонильным соединениям происходит смещение поглощения в длинноволновую область примерно на 30 нм с вве-дением каждой дополнительно кратной связи.

В спектрах соединений, содержащих две хромофорные группы, разделен-ные двумя или несколькими метиленовыми группами, наблюдается наложе-ние спектров отдельных хромофоров. Наиболее сильное изменение в спектре по сравнению со спектрами соединений, содержащих отдельные хромофор-ные группы, происходит в том случае, когда хромофоры в молекуле соедине-ны непосредственно, как, например, в диацетиле. Наличие одной метилено-

34

 

вой группы между двумя хромофорами уменьшает взаимодействие между ними, и в спектрах таких соединений не наблюдается столь резкого отличия.

Ароматические углеводороды. Спектры поглощения бензола и его произ-водных значительно отличаются от спектров алифатических соединений. Бензол поглощает в двух областях – при 196 нм и при 230 – 270 нм, причем последняя полоса имеет ярко выраженную колебательную структуру (рис. 9, длинноволновая полоса 1). Последняя характеризует специфическое бен-зольное поглощение.

При введении в бензольное кольцо заместителей спектр меняется в зави-симости от их природы. При этом может происходить увеличение интенсив-ности поглощения и смещение главного максимума бензольной полосы в сторону больших длин волн.

При введении в бензольное кольцо таких заместителей, как ОН, ОСН3, NН2, NR2, интенсивность длинноволновой полосы увеличивается примерно в 10 раз, полоса сдвигается в сторону больших длин волн, а колебательная структура сглаживается (рис. 9, длинноволновые полосы 2,3). Алкильные за-местители, а также атомы галогенов вызывают несущественные изменения в спектре бензола.

Рис. 9. УФ – спектры бензола (1), фенола (2), анилина (3)

35

 

Гетероциклические соединения. Как и в ряду карбоциклических соедине-ний, интенсивное избирательное поглощение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра характерно только для тех гетероциклических соединений, которые содержат по крайней мере одну ненасыщенную хромофорную груп-пировку:

Наличие гетероатома в кольцевых ненасыщенных системах стирает коле-бательную структуру спектра, в спектрах гетероциклов исчезают специфиче-ские черты ароматических соединений и гетероциклические соединения имеют обычно монотонные кривые поглощения.

Пятичленные ненасыщенные гетероциклы имеют две полосы поглощения: интенсивную коротковолновую полосу в области 200 – 210 нм и малоинтен-сивную полосу в более длинноволновой части спектра.

Шестичленные ароматические гетероциклические соединения отличаются тем, что имеют повышенную интенсивность длинноволновой полосы погло-щения и сглаживание ее колебательной структуры.

Таким образом, электронные спектры поглощения несут важную инфор-мацию о хромофорной структуре органического соединения и позволяют в сочетании с другими видами спектроскопических данных (ИК- спектроско-пия, спектроскопия ПМР) полностью идентифицировать строение неизвест-ных органических соединений.

УФ – спектры, как правило, используют для выявления в молекуле груп-пировок, содержащих кратные связи. Распознавание хромофоров осуществ-ляется прежде всего путем сопоставления наблюдаемого спектра с таблич-ными данными о параметрах различных хромофоров. Структурный анализ с

36

 

помощью УФ – спектра возможен при условии знания молекулярной массы соединения, т.к. это необходимо для вычисления ε.

Рассмотрим особенности выявления структуры молекулы с помощью УФ-спектра.

  • соединениях, показывающих избирательное поглощение в ближайшем ультрафиолете, идентифицировать хромофор можно лишь тогда, когда его спектральные характеристики достаточно специфичны. Такими хромофора-

ми являются изолированные группы С=О, N=O, N=N, NO2, которым в спек-тре отвечают n → π* – полосы поглощения слабой интенсивности. Надежно удается обнаружить присутствие в соединении бензольного ядра, признаком которого является наличие полосы около 260 нм, имеющей среднюю интен-сивность (ε = 300) и отличающейся тонкой структурой, а также одновремен-ное наблюдение более интенсивной полосы вблизи 210 нм. Введение хромо-фора к бензольному ядру приводит к потере тонкой структуры длинноволно-вой полосы, что приводит к уменьшению надежности идентификации бен-зольного ядра.

Надежно распознаются изомеры, содержащие сопряженные системы свя-зей различной длины. Примером могут быть терпеноидные молекулы – α – и β- иононы. У β – ионона, являющегося полностью сопряженным диеном, по-лоса поглощения находится при существенно больших длинах волн по срав-нению с α – иононом.

Легко выявляются различия между изомерами с линейной и нелинейной (кросс) сопряженными системами кратных связей. В первом случае наблюда-ется более длинноволновое и более интенсивное поглощение.

В ряду изомерных дизамещенных бензолов орто – изомеры легко отлича-ются от соответствующих пара – изомеров, так как первые характеризуются меньшими значениями λmax и εmax.

При прочих равных условиях более длинноволновое и более интенсивное поглощение имеют изомеры, в которых электронодонорный и электроноак-

37

 

цепторный заместители находятся на большем удалении друг от друга при условии сохранения сопряжения между ними.

Количественный анализ вещества методом УФ-спектроскопии

Количественный спектрофотометрический анализ раствора одного по-глощающего свет вещества сводится к определению концентрации этого вещества в растворе по известным оптическим плотностям испытуемого раствора и раствора стандарта с известной концентрацией при некоторой длине волны. При проведении анализа используют обычно следующую по-следовательность операций:

  1. Снимают полный спектр поглощения раствора анализируемого веще-

ства и выбирают аналитическую длину волны (λанал). В большинстве случаев λанал выбирают на максимуме поглощения определяемого вещества.

Выбор λанал на пологом максимуме поглощения уменьшает влияние шири-ны щели и погрешности в установке длины волны. Последние особенно опасны при использовании для анализа крутопадающих участков спектра. При наличии у определяемого вещества нескольких максимумов поглоще-ния следует отдавать предпочтение максимумам при больших длинах волн.

Неблагоприятными для анализа спектральными областями являются обла-сти переключения источников излучения.

  1. После выбора λанал рассчитывают ориентировочное значение показателя поглощения (ε), а с его помощью по уравнению С·l =Д/ε определяют концен-

трации стандартных растворов анализируемого вещества и толщину кювет, в которых может быть измерена оптическая плотность этих растворов.

  1. Готовят 5-7 стандартных растворов с известными концентрациями и измеряют их оптическую плотность при λанал по возможности на том же спектрофотометре, на котором предполагается проводить анализ.

38

 

  1. Строят график Д = f (С) (при ℓ=const) или Д = f (Сℓ). Если анализируе-

мое вещество подчиняется закону Бугера, то построенная зависимость будет линейна и будет проходить через начало координат. Анализ растворов с не-известной концентрацией можно проводить с помощью этой зависимости в качестве градуировочной. В общем случае следует найти показатель погло-щения методом наименьших квадратов как тангенс угла наклона прямой:

Д/ℓ = a + ε ·С. (23)

  1. Определение концентрации анализируемых растворов проводят по гра-

дуировочной зависимости или по формуле:

  • = Д/ε ·ℓ. (24)

При необходимости данную формулу или градуировочную зависимость модифицируют таким образом, чтобы с учетом исходной навески их проме-жуточных разведений сразу получать содержание определяемого вещества в анализируемой пробе.

Методы количественного анализа основаны на законе Бугера – Ламберта – Бера, выраженном уравнением I = Io · 10 –εcl. В связи с тем, что значения ко-эффициента пропускания Т находятся в пределах от 0 до 1, оптическая плот-ность раствора Д = – lg Т может принимать, казалось бы, любые положитель-ные значения от нуля до бесконечности. Однако экспериментальному опре-делению с необходимой точностью доступны далеко не любые значения Д. Так, значения Д ≤ 0,01 не определяют в связи с большой погрешностью их измерения.

Уравнение (17) показывает, что основными параметрами фотометрическо-го определения являются длина волны, при которой производится измерение, оптическая плотность, толщина кюветы и концентрация окрашенного рас-твора. Существенное влияние оказывают различные химические факторы, связанные с полнотой и условиями протекания фотометрической реакции, концентрацией окрашенных и других реактивов, их устойчивостью и т. д. В зависимости от свойств анализируемой системы и характеристик применяе-мого фотометрического прибора выбирают те или иные условия анализа.

39

 

Основные приемы фотометрических измерений

  1. Метод градуировочного графика. В соответствии с законом Бугера –

Ламберта – Бера график в координатах «оптическая плотность – концентра-ция» должен быть линеен, и прямая должна проходить через начало коорди-нат. Для построения такого графика достаточно, одной экспериментальной точки. Однако градуировочный график обычно строят не менее чем по трем точкам, что повышает точность и надежность определений.

При отклонениях от закона Бугера – Ламберта – Бера, т.е. при нарушении линейной зависимости оптической плотности от концентрации, число точек на графике должно быть увеличено. Применение градуировочных графиков является наиболее распространенным и точным методом фотометрических измерений. Основные ограничения метода связаны с трудностями приготов-ления эталонных растворов и учетом влияния так называемых третьих ком-понентов, т.е. компонентов, которые находятся в пробе, сами не определяют-ся, но на результат влияют.

  1. Метод молярного коэффициента поглощения. При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных раство-

ров Дст, для каждого раствора рассчитывают ε = Дст/(ℓСст) и полученное зна-чение ε усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора Дх и рассчитывают концентрацию Сх по формуле:

Сх = Дх/(εℓ). (25)

Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой системы закону Бугера – Ламберта – Бера, по крайней мере, в области иссле-дуемых концентраций.

40

 

  1. По стандартному образцу.

Содержание веществ по стандартному образцу рассчитывают по форму-

ле:

Д·Сст

  • = ———- , (26)

С·Дст

где Дст – оптическая плотность стандартного образца, Сст – концентрация раствора стандартного образца.

Недостатком метода молярного коэффициента поглощения является то, что основная погрешность спектрофотометрического анализа, погрешность градуировки, вызвана несоответствием показателей поглощения, полученных при градуировке, реальным показателям поглощения, полученных в момент анализа. Такая погрешность может достигать 18 %.

Простейшим и эффективным путем нивелирования погрешности градуи-ровки является совмещение в одном опыте анализа и градуировки. В этом случае параллельно с испытуемым раствором проводят измерение оптиче-ской плотности раствора стандартного образца.

  • качестве стандартных образцов обычно используют вещества той же химической структуры, что и исследуемые, но более высокой степени чисто-

ты (не менее 99,9 %). Однако при контроле качества лекарственных веществ нередко приходится сталкиваться с отсутствием или малодоступностью стандартов. Избежать же погрешности можно путем использования при рас-четах не показателя оптической плотности испытуемого раствора, а его от-ношение к оптической плотности, получаемой в том же опыте при той же длине волны, некоторого стандартного образца. Стандартное вещество при этом не входит в состав исследуемого вещества, поэтому такой метод назы-вают методом внешнего стандарта. Выражение для количественного содер-жания вещества при использовании метода внешнего стандарта получается из уравнения метода стандарта:

41

 

С Д Двс Д εвс Свс Д Свс

  • = —- · —— · —— = —– · —— · —— = —– · Кпер · —–, (27)

Сст Двс Дст Двс ε Сст Двс Сст

где К – коэффициент пересчета

εвс – показатель поглощения внешнего стандарта Свс – концентрация внешнего стандарта

Метрологические вопросы спектрофотометрического анали-

за. Правильность спектрофотометрических данных

Правильность измерений отражает близость к нулю систематической по-грешности и характеризуется разностью среднего результата серий измере-ний (Х) и истинного значения измеряемой величины. Правильность спек-трофотометрических данных можно оценить по результатам исследования стандартных образцов (эталонов), свойства которых считаются известными.

Спектрофотометрическое исследование дает два вида результатов, одни из которых выражены в единицах длины волны (частоты), а другие – оптиче-ской плотности (пропускания). В соответствии с этим в спектрофотометрии используют стандарты для поверки шкалы длины волн и шкалы оптических плотностей пропусканий.

Поверку шкалы длин волн спектрофотометра лучше всего производить по спектру излучения ртутной лампы. В этом спектре в области 220 – 1150 нм имеется ряд весьма узких пиков, положение которых известно с точностью до 0,01 нм. Для текущего контроля шкалы длин волн могут использоваться растворы или стеклянные фильтры с редкоземельными элементами, обла-дающими весьма узкими полосами поглощения.

Поверка шкалы пропускания спектрофотометров по действующей в Рос-сии системе стандартизации производится по наборам нейтральных свето-

42

 

фильтров, аттестованных на образцовом приборе. Пропускание этих филь-тров мало зависит от длины волны, поэтому такая поверка обеспечивает лишь линейность шкалы пропускания прибора и не обеспечивает единства результатов измерений объектов с селективным поглощением. Из-за отсут-ствия стандартов оптической плотности шкала оптических плотностей в оте-чественных приборах органами Госстандарта не проверяется.

За рубежом в качестве эталона оптической плотности используют чаще всего раствор 0,06006 г/л (0,006006%) дихромата калия в 0,005 М растворе серной кислоты. Оптическую плотность этого раствора неоднократно изме-ряли на приборах разных типов при длинах волн 235, 257, 313 и 350 нм, со-ответствующих максимумам и минимумам поглощения. Для поверки работы прибора при более коротких длинах волн можно использовать раствор нико-тиновой кислоты (0,016399 г/кг в 0,1 М растворе соляной кислоты), оптиче-ская плотность которого при 210 нм равна 0,7533.

Национальное бюро стандартов США для стандартизации измерений оп-тической плотности рекомендует растворы дихромата калия в 0,001 М рас-творе хлорной кислоты.

Измерения, выполненные даже на тщательно выверенном по эталонам приборе, будут содержать систематические погрешности, как в значениях максимума поглощения, так и в величинах показателя поглощения. Эти по-грешности связаны с немонохроматичностью используемого излучения, и полностью избежать их при применении источников излучения с неисправ-ным спектром невозможно. Чем уже полоса поглощения, чем меньше ее симметрия и чем в более коротковолновой области она расположена, тем сильнее (при прочих равных условиях) искажения в λмах и ε из-за немонохро-матичности излучения.

43

 

Сходимость спектрофотометрических данных

Сходимость отражает близость друг к другу результатов параллельных измерений, выполненных в одинаковых условиях, и характеризуется средне-квадратическим (стандартным) отклонением. Сходимость результатов спек-трофотометрических измерений одного и того же объекта, выполненных на одном и том же приборе в течение короткого промежутка времени определя-ется погрешностями настройки прибора на 0 и 100 % пропускания, погреш-ностями отсчета по измерительному прибору, нестабильностью электронной схемы прибора в процессе измерения и другими причинами.

В зависимости от величины оптической плотности (пропускания) и осо-бенностей спектрофотометра вклад различных факторов в суммарную дис-персию измерения будет разным. Поэтому сходимость результатов спектро-фотометрических измерений обычно характеризуют зависимостью относи-тельного стандартного отклонения оптической плотности (Scx) от величины Д.

Фактическая погрешность измерений на данном приборе может быть определена на основе экспериментального исследования. По результатам та-кого исследования зависимость Sсx от Д может быть аппроксимирована с по-мощью метода наименьших квадратов уравнением:

Sсx = Rо + R1Д + R2Д2 . (28)

  • отечественных спектрофотометрах величина Scx относительно мала по сравнению с величиной Sвоспр., характеризующей воспроизводимость резуль-

татов измерений.

Воспроизводимость спектрофотометрических данных

Если измерения (или серия измерений) выполнены при различных усло-виях (в разное время, на разных приборах, различными методами и т. п.), то для оценки близости результатов используют термин «воспроизводимость».

44

 

Очевидно, что сходимость определяется лишь случайными погрешностя-ми эксперимента, а в оценку воспроизводимости могут входить и система-тические погрешности, связанные с особенностями разных приборов, мето-дов, временным дрейфом и т. п. Для количественной оценки воспроизводи-мости также используют величины дисперсии или стандартного отклонения.

  • основным факторам, влияющим на воспроизводимость результатов спектрофотометрического измерения, относятся:
  1. химические и фотохимические факторы (случайные погрешности в приготовлении анализируемого раствора, влияние мутности раствора и флу-

оресценции анализируемого вещества или содержащихся в растворе приме-сей).

2. кюветная погрешность, включающая в себя нескомпенсированное из-

за разной толщины кювет поглощение растворителя, разное светопоглоще-ние кювет, многократные внутренние отражения света в кюветах. Наиболее существенным компонентом кюветной погрешности является невоспроиз-водимость положения кювет относительно оптического пучка. Данная по-

грешность лимитирует общую воспроизводимость спектрофотометриче-

ского измерения на отечественных приборах.

  1. погрешность холостого опыта (аналогично п.1). Возможны несколько способов учета оптической плотности холостого раствора, из которых наибо-

лее точным является непосредственное измерение оптической плотности испытуемого раствора относительно холостого.

  1. погрешность установки аналитической длины волны, складыва-

ющаяся из погрешности отсчета по шкале длин волн и явлений «гистерези-са», т.е. несоответствия положения диспергирующего элемента (призмы, ре-шетки) и указателя на шкале длин волн. При работе в районе полного макси-мума поглощения анализируемого вещества неточная установка длины вол-ны практически не сказывается на точности измерений.

Относительный вклад перечисленных факторов зависит от спектра по-глощения анализируемого вещества, особенностей прибора и условий анали-

45

 

за. Очевидно, что при последовательных измерениях одного объекта, не свя-занных с перестановкой кювет, включением и выключением прибора, по-грешность результатов можно оценивать величиной Sсх, в остальных случаях следует использовать Sвоспр. или величину стандартного отклонения оп-тической плотности (Sд), характеризующую суммарную погрешность изме-рения без разделения ее на составляющие погрешности. Оптимальное по воспроизводимости значение оптической плотности (Допт) лежит обычно в интервале 0,5 – 0,8. Относительная погрешность спектрофотометрического измерения резко возрастает npи Д < 0,2 и лишь медленно увеличивается при

  • > 1,5.
    • величиной Допт связан вопрос о рекомендуемом рабочем интервале оп-

тических плотностей. Последний определяют таким образом, чтобы во всем интервале относительное стандартное отклонение не превышало удвоенного минимального значения при Допт : Sвocпp/Д ≤ 2 (Sвоспр /Д)мин.

Для большинства приборов рабочий интервал оптических плотностей находится в пределах 0,2 — 1,7.

Фотоэлектроколориметрия

Фотометрическое (колориметрическое) определение окрашенных веществ основано на сравнении интенсивности окраски или светопоглощения иссле-дуемого раствора и стандартного с известным содержанием определяемого вещества. Когда определяемое вещество не удается непосредственно переве-сти в окрашенное соединение, анализ проводят косвенными методами. В этих случаях используют следующие приемы:

  1. Образование окрашенного соединения в результате окислительно – вос-

становительного взаимодействия между определяемым ионом и реагентом.

  1. Обесцвечивание окрашенного соединения вследствие взаимодействия с ним определяемого иона и образования бесцветного продукта.

46

 

  1. Осаждение определяемого иона осадителем и последующее определе-

ние эквивалентного количества осадителя в виде окрашенного соединения.

  1. Проведение каталитической реакции (с участием определяемого иона)

между двумя веществами, одно из которых окрашено или может быть пре-вращено в окрашенное соединение (кинетические методы анализа).

Основными затруднениями при косвенных определениях являются огра-ниченная специфичность и различные побочные процессы. Однако в ряде случаев, особенно когда необходимо отделение определяемого иона осажде-нием, использование косвенных определений вполне оправданно. Кроме то-го, при косвенных определениях может быть достигнута более высокая чув-ствительность определения, так как молярный коэффициент светопоглоще-ния в пересчете на моль определяемого вещества может достигать 300000 – 350000. Очень высокой чувствительностью обладают методы с использова-нием каталитических реакций.

  • фотоколориметрии степень поглощения света окрашенным раствором определяется при помощи колориметров с фотоэлементами (фотоколоримет-

ров). Фотоэлемент преобразует световую энергию, проходящую через фото-метрируемый раствор, в электрическую. Согласно законам фотоэффекта, си-ла возникающего фототока прямо пропорциональна интенсивности падаю-щего на фотоэлемент света. Следовательно, отношение интенсивности свето-вых потоков, используемое в выражении основного закона светопоглощения, может быть заменено на равное ему отношение величин фототоков. Это и используется в фотоколориметрии, где фактически сравнивают не светопо-глощение растворов, а величины фототоков.

Фотоэлементы

Фотоэлементы основаны на явлении фотоэффекта, открытом Столетовым в 1888 г. Сущность фотоэффекта заключается в вырывании электронов с по-верхности различных тел под действием световой энергии. Это происходит

47

 

только при условии, если энергия светового кванта больше работы выхода электрона, т. е. энергии, необходимой для освобождения электрона и удале-ния его с поверхности данного тела

hv = h·c / λ ≥ Aвых, (29)

где h – постоянная Планка; v – частота колебаний; c – скорость света в ва-кууме; λ – длина световой волны.

Для каждого вещества существует определенная длина волны (или часто-та колебаний) света, называемая порогом фотоэффекта, при которой начина-ет наблюдаться (или исчезать) фотоэффект. Сила возникающего фототока (интегральная чувствительность фотоэлемента) зависит от длины волны па-дающего на фотоэлемент света и от температуры. По закону Столетова, сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего на фотоэлемент монохроматического пучка света.

В фотоколориметрии обычно употребляют три типа фотоэлементов: с за-пирающим слоем (вентильные), с внешним фотоэффектом (газонаполненные или вакуумные), с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления).

Вентильный фотоэлемент состоит из железной пластинки, на которую нанесен слой полупроводника (селена, закиси меди или сульфида серебра), покрытый тончайшей полупрозрачной пленкой катоднораспыленного метал-ла (золота, платины, серебра или меди). Граница между полупроводником и металлической пленкой образует так называемый запирающий слой, пропус-кающий ток только в одном направлении – от металлической пленки к полу-проводнику (на рис.10.от золота к селену). При освещении фотоэлемента электроны в полупроводнике, получив дополнительную энергию от квантов падающего света, перескакивают через запирающий слой и попадают в хо-рошо проводящую ток металлическую пленку из золота, платины, серебра или меди. Из металлической пленки электроны через гальванометр и желез-ную пластинку возвращаются в первоначальное положение, т. е. в полупро-водник. Таким образом, фотоэлемент преобразует световую энергию в элек-

48

 

трическую, которая, будучи строго пропорциональна силе света, падающего на фотоэлемент, регистрируется гальванометром. Фотоэлемент позволяет до-статочно точно обнаружить уменьшение интенсивности светового потока, вследствие его поглощения окрашенным раствором. В фотоколориметрии наибольшее распространение получили селеновые фотоэлементы с фрон-тальным фотоэффектом (рис.10.) Чувствительность селенового фотоэлемента к лучам видимой области спектра показана на рис.11. Селеновые фотоэле-менты высоко чувствительны, проявляют малую инерционность и хорошие эксплуатационные качества.

Рис.10.Схема селенового элемента:

1 – железный электрод; 2 – полупроводник из селена; 3 – металлическое кольцо; 4 – электрод из тонкого слоя золота; 5 – гальванометр.

49

 

Рис.11. Спектральная кривая чувствительности селенового фотоэле-мента с запирающим слоем.

Сернистосеребрянные (запирающий слой – сульфид серебра) и сернисто-таллиевые (запирающий слой – сульфид таллия) фотоэлементы также, как и селеновые, высокочувствительны. Они используются для измерения свето-вых потоков в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, так как чувствительны к излучению в более широкой области, чем селеновые фото-элементы.

Наиболее распространенными фотоэлементами с внешним фотоэффектом являются кислородно – цезиевые и сурьмяно – цезиевые. Первые использу-ются в спектрофотометрических определениях в видимой и инфракрасной областях спектра, а вторые – в видимой и ультрафиолетовой областях спек-тра.

50

 

Работа фотоэлементов с внешним фотоэффектом основана на переходе электронов под действием света из светочувствительного катода к аноду. Ос-новными недостатками этих фотоэлементов являются необходимость ис-пользования внешнего напряжения и малая чувствительность, требующая обязательного применения ламповых усилителей. Однако из-за высокой чув-ствительности к излучению в широком интервале длин волн они применяют-ся в наиболее совершенных приборах – спектрофотометрах.

Более удобны вакуумные фотоэлементы, которые, хотя и уступают газо-наполненным в чувствительности, отличаются меньшей инерционностью и меньшей зависимостью чувствительности от приложенного напряжения.

  • основе работы фотосопротивлений лежит уменьшение сопротивления вещества под действием излучения определенной длины волны. В этом слу-

чае могут применяться различные полупроводники, из которых чаще всего используются таллофид (сплав сульфида и окиси таллия), сульфид свинца и селен. Таллофидные и сернистосвинцовые фотосопротивления более чув-ствительны в инфракрасной области спектра, однако применение их ограни-чено.

При работе с фотоэлементами следует иметь ввиду следующие обстоя-тельства, влияющие на точность и воспроизводимость результатов:

  1. спектральная и интегральная чувствительность у фотоэлемента со временем уменьшается и при большой эксплуатационной нагрузке «старе-

ние» фотоэлемента вызывает необходимость его замены;

  1. для фотоэлементов характерно явление «утомления», т. е. уменьшение силы фототока при длительном непрерывном освещении фотоэлемента до-

статочно ярким светом. Поэтому для получения воспроизводимых результа-тов во время работы для фотоэлемента необходим «отдых», т. е. временное прекращение его облучения;

  1. чувствительность фотоэлемента бывает неодинаковая по всей его по-

верхности, поэтому для получения воспроизводимых и точных результатов необходимо поставить так осветитель, чтобы при параллельных измерениях

51

 

всегда освещался один и тот же участок поверхности фотоэлемента, причем площадь этого участка не должна быть меньше, чем 0,8 см2. Иногда равно-мерная освещенность фотоэлементов достигается использованием матовых рассеивателей;

  1. для того чтобы наблюдалась линейная зависимость между силой фото-

тока во внешней цепи фотоэлемента и интенсивностью падающего на него светового потока, сопротивление гальванометра должно быть по возмож-ности малым и не должно превышать внутреннего сопротивления фотоэле-мента.

Светофильтры

Для увеличения чувствительности и точности фотометрического опреде-ления целесообразно использовать поглощение не смешанного (белого цве-та), а лишь тех лучей, которые максимально поглощаются фотометрируемым окрашенным раствором. Для того чтобы из всей видимой области спектра выделить лучи определенных длин волн, на пути световых потоков перед по-глощающими растворами помещают избирательные поглотители света, называемые светофильтрами. Светофильтры пропускают лучи лишь в опре-деленном интервале длин волн с полушириной пропускания λ 1/2 макс – λ´ 1/2 макс и практически полностью поглощают лучи других длин волн (рис.12.)

52

 

Рис.12. Спектральная кривая светофильтра (λ 1/2 макс – λ´ 1/2 макс – размы-тость максимума пропускания).

Чем уже область максимального пропускания лучей (λ 1/2 макс – λ´ 1/2 макс) применяемого светофильтра, тем выше его избирательность к лучам этого интервала длин волн. Наиболее эффективные стеклянные узкополосные све-тофильтры характеризуются размытостью максимума пропускания 20 – 30 нм.

В качестве светофильтров применяют цветные стекла и пленки, окрашен-ные жидкости и интерференционные фильтры. Например, из набора №106 цветного стекла, выпускаемого отечественной промышленностью, можно со-ставить любой интересующий исследователя набор узкополосных свето-фильтров. Спектры пропускания (или поглощения) стеклянных светофиль-тров приводятся в руководствах к фотоколориметрам и в каталогах цветного стекла.

  • настоящее время выпускаются наборы и отдельные интерференционные светофильтры (рис.13) диаметром 40 мм для длин волн 400 – 800 нм, имею-

щие максимальное пропускание (Т) 25 – 50% с полушириной пропускания λ

53

 

1/2макс – λ´ 1/2макс порядка 2% от длины волны (8 – 16 нм). Наборы интерферен-ционных светофильтров для области спектра 400 – 800 нм выпускаются с ин-тервалом 10, 20 и 40 нм.

Рис.13. Интерференционный светофильтр:

  1. – стекло – подложка;
  2. – слой серебра;
  3. – слой MgF2;
  4. – слой серебра;
  5. – защитное стекло.

Светофильтры для фотометрирования выбирают, исходя из спектра по-глощения определяемого вещества так, чтобы спектральная область макси-мального поглощения лучей окрашенным раствором и область максимально-го пропускания лучей светофильтром была одной и той же, т. е. максимум поглощения раствора должен соответствовать максимуму пропускания (ми-нимуму поглощения) светофильтра. На рис.14 показаны спектральные харак-теристики окрашенного раствора (кривая 1) и правильно подобранного к нему светофильтра (кривая 2).

54

 

Рис.14. Кривые поглощения фотометрируемого раствора (кривая 1) и со-ответствующего ему светофильтра (кривая 2).

Рис.15. Кривые поглощения фотометрируемого раствора (кривая 1) и несоответствующих ему узкополосных светофильтров (кривые 2 и 3).

Фотометрическое определение получается тем точнее, чем более узкий участок спектра удаляется выделить светофильтром. Если светофильтр имеет узкую область максимального пропускания лучей, то она не соответствует области максимального поглощения света фотометрируемым раствором (рис.15), поэтому при работе с таким светофильтром точность определения получается даже меньше, чем при его отсутствии. Иногда, однако, приходит-

55

 

ся отступать от общего правила подбора светофильтра. Например, если вы-бранный для анализа реагент R (длина волны максимального поглощения – λR) имеет окраску и поглощает свет в той же области спектра, что и анализи-руемое соединение (длина волны максимального поглощения комплекса λк), то измерение оптической плотности раствора производят не в области мак-симального поглощения лучей окрашенным соединением, а в области опти-мального поглощения (при λопт). Эта область соответствует той длине волны (или тому участку спектра), где достигается наибольшая разница (ΔД) в оп-тических плотностях окрашенного соединения и самого реагента (рис.16). В этом случае используют светофильтр с максимальным пропусканием лучей при λопт.

Рис.16. Наложение спектров поглощения исследуемого соединения (кри-вая 1) и реагента (кривая 2).

56

 

Рис.17. Спектры поглощения равновесных форм определяемого элемента:

  1. – спектр основного вещества;

2 – спектр равновесной формы.

Другим примером, требующим специального подхода, является фотомет-рический анализ раствора, содержащего близкие по составу равновесные формы окрашенных соединений, спектры поглощения которых аналогичны, но различаются положением максимумов поглощения. Например, измерения оптической плотности стандартных растворов основного компонента (рис.17, кривая 1) производили в соответствии с общим правилом при λ1. При изме-нении оптической плотности исследуемого раствора при λ1 в присутствии некоторого количества его равновесной формы, которая имеет максимум по-глощения при λ2 (кривая 2), получаются заниженные значения концентра-ции определяемого элемента. В этом случае исследуемые и стандартные рас-творы целесообразно фотометрировать при некоторой наиболее эффективной длине волны λ3, которая соответствует точке пересечения кривых 1 и 2, т. е.

57

 

при фотометрировании целесообразно применять светофильтр с максималь-ным пропусканием лучей не в области λ1, а в более эффективной области λ3. При этой эффективной длине волны, называемой длиной волны изобестиче-ской точки, оба окрашенных соединения определяемого элемента имеют одинаковое светопоглощение, поэтому присутствие в исследуемом растворе равновесной формы окрашенного соединения не будет оказывать влияния на результат анализа.

  • тех случаях, когда максимум поглощения раствора выходит за пределы области максимальной чувствительности фотоэлемента или отсутствуют спектральные характеристики как для окрашенного раствора, так и для све-

тофильтра, нужный светофильтр подбирают экспериментально. Для этого приготавливают две пробы исследуемого раствора различной концентрации и измеряют их оптические плотности со всеми имеющимися светофильтра-ми. Затем для каждого светофильтра находят разность оптической плотности ΔД, соответствующую взятой разности концентрации ΔС окрашенного рас-твора. Тот светофильтр, при котором абсолютное значение или разность оп-тической плотности ΔД получается максимальной, является наиболее подхо-дящим для фотометрирования данного окрашенного раствора.

Иногда при подборе светофильтра для фотометрирования используют ме-нее точный, но более быстрый прием – выбирают светофильтр по цвету ис-следуемого раствора (табл.5.)

58

 

Таблица 5.Цвета растворов и соответствующих им светофильтров

Характеристики широко применяемых в колориметрии светофильтров приведены на рис.18 и в табл.6.

Рис.18. Спектральные характеристики широко применяемых в колори-метрии светофильтров:

  • – светофильтры к фотоколориметру ФЭК – М;
    • – светофильтры к фотометру ФМ – 56.

59

 

Таблица 6.Спектральные характеристики светофильтров

Набор светофильтров для фотометрирования окрашенных растворов дол-жен удовлетворять следующим требованиям:

а) максимумы пропускания светофильтров должны перемещаться от фильтра к фильтру по спектру, захватывая более или менее одинаковые участки последнего;

б) светофильтр должен полностью поглощать ультрафиолетовые и инфра-красные лучи;

в) светофильтр должен пропускать лучи узкого интервала длин волн, имея при этом высокое значение коэффициента пропускания.

Общие замечания при работе с фотоколориметрами

Надежность результатов измерений при работе на фотоколориметрах обеспечивается, в первую очередь, правильной установкой и эксплуатацией прибора. Измерения на фотоэлектрических приборах можно начинать через

60

 

15 – 20 минут после включения прибора для того, чтобы установился режим накала лампы осветителя.

Большое значение для получения правильных результатов имеет чистота кювет. Кюветы должны быть всегда тщательно вымыты, желательно хранить их заполненными дистиллированной водой. Брать кюветы при измерениях можно только за боковые стенки, через которые не проходит поглощаемый световой поток.

Растворы сравнения (нулевые растворы)

Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашен-ных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения. В ка-честве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуе-мого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым ионом окрашенное соединение. В том случае, когда сам реагент имеет окраску, раствор сравнения приготавливают следу-ющим образом: к небольшому количеству дистиллированной воды прибав-ляют реагент и все компоненты (кроме определяемого) в тех же количествах, что и при приготовлении окрашенных растворов определяемого вещества. Затем раствор доводят водой до требуемого объема и перемешивают. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бес-цветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

При небольшом избытке реагента оптические плотности растворов окра-шенного комплекса и чистого реагента целесообразнее измерять отдельно по отношению к чистому растворителю и затем косвенным приемом определять оптическую плотность ∆Д, обусловленную поглощением только анализируе-мого комплекса.

61

 

Поправка на холостой (слепой) опыт

Выделение определяемых компонентов из разбавленных растворов и от-деление их от мешающих элементов при анализе веществ высокой степени чистоты производят обычно химическим путем с помощью различных реак-тивов, посуды, аппаратуры. Хотя для этих целей, как правило, применяют специально очищенные реактивы и дважды перегнанную воду, все же они могут содержать определяемую примесь, а стеклянная и кварцевая аппарату-ра тоже частично растворяется под действием кислот, щелочей и т.д. Поэто-му при фотометрических определениях микропримесей элементов всегда проводят холостой опыт, т. е. проделывают все те же операции с реактивами только без анализируемого вещества. Обычно в полученном растворе почти всегда обнаруживают какое – то количество искомого вещества. Эту поправ-ку на холостой опыт вычитают из полученного результата анализа. Для до-стижения высокой чувствительности необходимо, чтобы поправка на холо-стой опыт была значительно меньше определяемого количества примеси.

Выбор кювет

Измерение оптической плотности окрашенных растворов при помощи фо-токолориметров, спектрофотометров производят в специальных сосудах – кюветах, которые имеют толщину поглощающего слоя от 2 мм до 5 см. В спектрофотометрии используют кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 см. В фотоколориметрии кюветы выбирают в соответствии с интенсивностью окраски фотометрируемого раствора. Для интенсивно окрашенных раство-ров, как правило, применяют кюветы с толщиной слоя до 1 см. Слабо окра-шенные растворы, наоборот, фотометрируют в самых больших кюветах – с толщиной слоя 3 – 5 см. Кюветы с максимальной толщиной поглощающего слоя выбирают также при определении чувствительности метода, т. е. при определении наименьшей концентрации окрашенного вещества. При запол-

62

 

нении кювет резко пахнущими жидкостями, кислотами и легко испаряющи-мися растворителями, их обязательно следует закрывать крышками.

63

 

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ: «ФОТОМЕТРИЯ»

  1. Какие существуют виды взаимодействия электромагнитного излучения
    • веществом (регистрируемые в оптических методах анализа)?
  2. Какими способами характеризуется электроманитное излучение(какова природа света)?
  3. Суть понятия “длина волны”, единицы измерения λ ?
  4. Что означают понятия “частота V и волновое число V* в каких едини-

цах они измеряются?

  1. Как называется спектр графической зависимости оптической плотности от длины волны? Какие спектры Вам известны?
  2. Понятия молярного и удельного коэффициентов поглощения?
  3. Что лежит в основе классификации оптических методов: на ИК-, види-

мую область и УФ – спектроскопию? Сравните полноту информации, по-лучаемой при каждом из этих методов, чем это обусловлено?

  1. Принципиальная схема устройства спектрофотометров, назначение от-

дельных частей.

  1. В чем преимущество фотоколориметрии по сравнению с визуальными методами колориметрии.
  2. Какой закон лежит в основе спектроскопического анализа, в чем суть?
  3. Перечислите основные фотометрические величины и их размерность,

выводимые из основного закона светопоглощения и характеризуйте их.

  1. Какие причины могут обусловить отклонения от основного закона све-

топоглощения?

  1. На чем основано применение ИК-спектроскопии в фармацевтическом

(фармакопейном анализе), в каком диапазоне длин волн строится ИК-спектр?

  1. Что следует понимать под «характеристическими частотами» в ИК-

спектроскопии, подтвердите примерами?

64

 

  1. Что лежит в основе методик качественного определения веществ мето-

дом УФ-спектроскопии, поясните примерами?

  1. На чем основан количественный анализ методом УФ- спектроскопии,

область применения, приведите примеры известные Вам.

  1. Перечислите приемы основных фотометрических измерений в количе-

ственном анализе.

  1. Требования к стандартным образцам, применяемым в фотометрии и их классификация?
  2. Каким образом осуществляется поверка шкалы длин волн спектрофото-

метра, какие эталоны оптических плотностей Вам известны?

  1. Что понимать под «сходимостью спектрофотометрических данных», в каких единицах она «сходимость» выражается?
  2. Какие основные факторы влияют на воспроизводимость результатов спектрофотометрических измерений, перечислите и поясните каждый из них?
  3. Требования, предъявляемые к реакциям окрашивания, используемым в фотоэлектроколориметрии?
  4. Сущность фотоэффекта и закон Столетова, что называется порогом фо-

тоэффекта, (обьяснить на примере работы фотоэлемента)?

  1. Назначение светофильтров в фотоэлектроколориметрах, правила выбора светофильтра.
  2. Какие из соединений имеют полосы поглощения в УФ-области (200 –
    1. нм.): KCl, Na2CO3, СН3-СН2-CН2-СН3, СН2=CН- СН=СН2? С какими энергетическими переходами связано это поглощение?
  3. Какие из перечисленных соединений имеют полосы поглощения в ИК-

области: О2, N2, KBr, С6Н5NO2? С какими энергетическими переходами связано это поглощение?

65

 

СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ ПО ФОТОМЕТРИИ:

  1. Рассчитайте удельный показатель поглощения рибофлавина в мак-симуме длины волны 444 нм, если оптическая плотность раствора
    1. · 10 –5 г препарата в 1 мл, равна 0,328 при толщине слоя 10 мм.
  2. Найдите молярный показатель поглощения для фурагина при длине волны 396 нм., если оптическая плотность 0,0005% раствора препа-рата при толщине слоя 10 мм равна 0,40, М.м. 264,20.
  3. Дайте заключение о качестве лекарственной формы состава:

Раствора рибофлавина 0,02% – 10 мл.

Кислоты аскорбиновой

0,02

Тиамина бромида

0,02

Калия йодида

0,3

по количественному содержанию рибофлавина, если оптическая плотность раствора , полученного разведением 0,5 мл лекарствен-ной формы до 10 мл. водой, измеренная при длине волны 445 нм в кювете с толщиной поглощающегося слоя 10 мм, равна 0,340, Удельный показатель рибофлавина в максимуме при 445 нм равен 328.

  1. Дайте заключение о качестве раствора рибофлавина 0,02% – 200 мл (с учетом норм допустимых отклонений согласно приказу N 305), если оптическая платность испытуемого раствора 0,230: оптическая плотность стандартного раствора 0,265, а концентрация стандарт-ного раствора 0,0002 г/мл.
  2. Дайте заключение о качестве лекарственной формы состава:

Фурацилина

0,2

Натрия хлорида

9,0

Воды для инъекций до

1 л.

по количественному содержанию фурацилина , если оптическая плотность раствора , полученного смешиванием 1 мл лекарственн-

66

 

ной формы и 4 мл 0,1м раствора Nа0Н, измеренная при длине вол-ны 450 нм в кювете с толщиной слоя стандартного раствора, 3 мм, равна 0,295.

  1. Оптическая плотность стандартного раствора, полученного из 1 мл 0,02 % раствора РСО фурацилина по той же методике равна 0,290.Содержание фурацилина в 1 мл препарата должно быть

0,000194 –0,000206 г.

  1. Рассчитайте содержание левомицетина в лекарственной форме со-става:

Раствора левомицетита 0,015 – 10 мл

Натрия хлорида 0,09 г

если оптическая плотность 10 мл, раствора, полученного из 1,5 мл, разведениия лекарственной формы 1 : 5, измеренная при длине волны 364 в кювете с толщиной слоя 5 мм равна 0,40. Оптическая плотность 10 мл стандартного раствора левомицетина, полученного из 1,5 мл 0,02% раствора левомицетина, измеренная в тех же усло-виях, равна 0,30.

  1. Дайте заключение о качестве рибофлавина по содержанию погло-щающих примесей, если значения оптической плотности раствора, полученного из 0,0695 г препарата разведением в 10000 раз при длинах волн 267, 373 и 444 нм, соответственно равны 0, 470, 0,152 и

0,172. Д 373/Д267 должно быть от 0,31 до 0,33; Д 444/Д267 – от 0,36 до

0,38.

  1. Дайте заключение о качестве рибофлавина по количественному со-держанию, если оптическая плотность раствора, полученного из 1 г препарата разведением водой в 1000 раз, измеренная при длине волны 444 нм в кювете с толщиной слоя 5 мм равна 0,230, Удельный показатель поглощения 100% препарата в максимуме при длине волны 444 нм – 328, потеря в массе при высушивании 1,20%. Со-

67

 

держание рибофлавина в препарате в пересчете на сухое вещество должно быть 98,0-102%.

10. Дайте заключение о качестве раствора рибофлавина 0,02 – 200 мл по количественному содержанию согласно приказу № 305, если опти-ческая плотность испытуемого раствора 0,231, оптическая плот-ность стандартного раствора 0,245, концентрация стандартного рас-твора 0,0002 г/мл.

11. Составить методику количественного определения масляного рас-твора дезоксикортикостерона ацетата 0,5% для инъекций с теорети-ческим обоснованием и полной расчетной аргументацией (1 мл рас-твора стандартного образца содержит 0,0005 г дезоксикортикосте-рона ацетата).

12. Составить методику количественного определения рибофлавина с теоретическим обоснованием и полной расчетной аргументацией для лекарственной формы:

Рибофлавина 0,002

Глюкозы 0,2

Раствора цитраля 0,01-10 мл

(1 мл стандартного образца рибофлавина содержит 0,00004 г препа-рата).

13. Составить методику количественного определения таблеток предни-золона 0,005 с теоретическим обоснованием и полной расчетной ар-гументацией (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00001 г преднизолона, средняя масса таблетки 0,15 г).

14. Составить методику количественного определения таблеток метил-тестостерона 0,0005 г с полной теоретической и расчетной аргумен-тацией (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00001 г ме-тилтестостерона, а средняя масса таблеток 0,05 г).

15. Составить методику количественного определения метандростено-лона 0,001 г с полной теоретической и расчетной аргументацией. 1

68

 

мл раствора стандартного образца содержит 0, 0005 г метандросте-нолона, Средняя масса таблетки 0,10 г.

16. Выбрать методы количественного анализа компонентов лекарствен-

ной формы, приготовленной по прописи:

Фурацилина

0,001

Раствора стрептоцида растворимого

0,8% – 10,0

Составить методику количественного анализа фурацилина с теоре-тическим обоснованием и полной расчетной аргументацией (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00001 г фурацилина).

17. Составить методику количественного определения таблеток

синэстрола 0,001 с теоретическим обоснованием и полной расчет-ной аргументацией. (1 мл раствора стандартного образца содержит 0,00003 г. синэстрола. Средняя масса таблеток 0,10 г.).

18. Составить методику количественного определения раствора пла-тифиллина гидротартрата 0,2% для инъекций с теоретическим обос-нованием и расчетной аргументацией. (1 мл раствора стандартно-го образца содержит 0,002 г. платифиллина гидротартрата).

19. Составить методику количественного определения таблеток резер-пина 0,00025 г. с полной расчетной аргументаций и теоретическим обоснованием.(1 мл раствора стандартного образца содержит 0,000008 г. резерпина. Средняя масса таблетки 0,10 г.).

20. Составить методику количественного определения таблеток этини-лэстрадиола 0,00001 г. с теоретическим обоснованием и полной рас-четной аргументацией. (1 мл раствора стандартного образца содер-жит 0,00001 г. этинилэстрадиола. Средняя масса таблеток 0,05 г.).

21. Составить методику количественного определения раствора адрена-лина гидротартрата 0,18% для инъекций с теоретическим обоснова-нием и полной расчетной аргументацией. (1 мл раствора стандарт-ного образца содержит 0,000091 г. адреналина гидротартрата).

69

 

22. При определении примеси свободной салициловой кислоты в кис-лоте ацетилсалициловой 0,3045 г. препарата растворили в спирте в мерной колбе вместимостью 25 мл, прибавили1 мл 0,2% раствора железоаммониевых квасцов и довели раствор спиртом до метки оп-тическая плотность полученного раствора, измеренная в максимуме при длине волны 520 нм в кювете с толщиной слоя 50 мм равна 0,260 , оптическая плотность раствора стандартного образца кисло-ты салициловой, полученной из 1 мл 0,01 % в тех же условиях равна 0,270. Дайте заключение о качестве препарата.

23. Дайте заключение о качестве лекарственной формы по количе-ственному содержанию фурацилина согласно приказа мз РФ N 305 фотометрическим способом по методике: один суппозиторий рас-плавляют на водяной бане (дважды извлекают фурацилин спиртом по 10 мл, объединяя извлечения в мерной колбе вместимостью 25 мл и доводят спиртом до метки (раствор А); 0,5 мл раствора А раз-водят водой до 10мл (раствор Б); 1 мл раствора Б помещают в про-бирку, прибавляют 2 мл 0,1 м раствора натрия гидроксида и дово-дят объем водой до 10 мл. У полученного раствора определяют оп-тическую плотность (Дх) в кювете с толщиной слоя 10 мм при све-тофильтре с длиной волны 400 нм (раствор сравнения – вода). Удельный показатель поглощения фурацилина Е 1см1% равен 470, Дх = 0,458.

Экстракта белладоны

0,015

Фурацилина

0,05

Танина

0,1

Масла какао

2,5

24. При количественном определении рутина в таблетках «Аскорутин» (следующего состава:

Кислоты аскорбиновой

0,05

70

 

Рутина 0,05 Спектрофотометрическим методом оптическая плотность раствора полученного из навески 0,0300 г. порошка растертых таблеток и растворенных в 250 мл при длине волны 420 нм в кювете с толщи-ной слоя в 10 мм равна 0,390 . Оптическая плотность 0,02% раство-ра рабочего стандартного образца рутина в тех же условиях была ровна 0,393. Средняя масса одной таблетки составляла 0,330 г. Сде-лайте заключение о качестве препарата по содержанию рутина, ко-торого в 1 таблетке должно быть 0,04625 – 0,05375 г.

71

 

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ

  1. Включение в статью ГФ на глюкозу характеристики удельного показа-

теля поглощения

а) целесообразно

б) нецелесообразно

  1. Метод УФ – спектрофотометрии не используется в анализе а) цефалексина б) стрептомицина сульфата

в) феноксиметилпенициллина г) цефалотина натриевой соли

д) бензилпенициллина калиевой соли

  1. Применение железа (111) хлорида как реагента для фотометрического определения адреналина гидротартрата

а) целесообразно

б) нецелесообразно

4.Укажите, для идентификации каких классов органических веществ мож-но использовать ИК – спектры

а) ациклических

б) алифатических

в) гетероциклических

г) ароматических

  1. В ИК – спектроскопии при подготовке образцов для анализа применяют а) воду б) этиловый спирт

в) хлороформ

72

 

г) калия бромид

д) вазелиновое масло

  1. ИК – спектроскопия отличается от УФ – спектрофотометрии а) областью электромагнитного спектра б) природой светопоглощения в) характером светопоглощения

г) зависимостью светопоглощения от концентрации д) способами расчета концентрации

  1. Отличие УФ – спектрофотометрии от фотоколориметрии заключается а) в зависимости светопоглощения от толщины раствора б) в способах расчета концентрации вещества в) в используемой области оптического спектра

г) в зависимости светопоглощения от концентрации вещества в растворе

8. Укажите методы основанные на измерении поглощения электромагнит-ного излучения

а) УФ – спектрофотометрия

б) ИК – спектроскопия

в) рефрактометрия

г) поляриметрия

д) фотоколориметрия

  1. К оптическим методам относятся а) полярография б) поляриметрия в) потенциометрия

г) фотоколориметрия

73

 

  1. Фотоколориметрические методы основаны на измерении интенсивно-

сти окраски продуктов реакции

а) образования азокрасителя

б) образования ауринового красителя

в) образования гидроксаматов железа или меди г) образования индофенолового красителя

  1. Для определения посторонних примесей в препарате кортизона ацетат применяют методы

а) УФ – спектрофотометрии б) гравиметрии в) фотоколориметрии

г) тонкослойной хроматографии

  1. Кортизон от преднизолона можно отличить

а) по реакции с концентрированной серной кислотой

б) УФ – спектром

в) по температуре плавления

г) по реакции образования оксима

  1. Укажите методы, применяемые для количественного определения сте-

роидных гормонов

а) гравиметрия

б) спектрофотометрия

в) фотоколориметрия

г) ВЭЖХ

  1. Укажите методы анализа, которые можно использовать для количе-

ственного определения сердечных гликозидов в лекарственных формах а) ВЭЖХ

74

 

б) УФ – спектрофотометрия

в) фотоколориметрия

г) биологическая стандартизация

  1. Какой метод анализа основан на поглощении света анализируемым веществом

а) рефрактометрия б) поляриметрия в) фотометрия г) хроматография

д) потенциометрия

  1. Что является определяемым показателем при фотометрическом методе анализа?

а) Электродвижущая сила

б) показатель преломления

в) оптическая плотность

  1. Удельный показатель поглощения это

а) оптическая плотность раствора, содержащего в 100 мл 1г вещества

б) угол поворота плоскости поляризации монохроматического света на путь длиной в 1 дм в среде, содержащей оптически активное вещество, при условном приведении концентрации этого вещества к значению равному

1г/мл

  1. Какому методу анализа соответствует формула расчета концентрации вещества в процентах С = Д / (Е 1см / 1%) ?

а) Рефрактометория

б) поляриметрия

в) фотометрия

75

 

  1. Установите соответствие: для работы в
  2. УФ – области
  3. ИК – области
  4. видимой области

призмы и оптика изготавливаются из

а) из кристаллов натрия хлорида, калия бромида, лития фторида

б) специального кварцевого стекла

в) обычного стекла и кварцевого стекла

  1. Кто дал определение электромагнитной волны?

а) Максвелл

б) Ламберт

в) Бугер

г) Бер

  1. В спектрофотометрическом методе анализа используют поток света а) монохроматический б) полихроматический
  2. В фотоэлектроколориметрии используют поток света

а) монохроматический

б) полихроматический

  1. Метод спектрофотометрии используют для а) качественного определения вещества б) количественного определения вещества
  2. Метод фотоэлектроколориметрии используют для а) качественного определения вещества б) количественного определения вещества

76

 

  1. При фотоэлектроколориметрии используют растворы а) окрашенные б) бесцветные в) прозрачные г) мутные
  2. При спектрофотометрии используют растворы

а) окрашенные

б) бесцветные

в) прозрачные

г) мутные

  1. Фотометрия – оптический метод анализа, основанный на явлении а) рассеяния света б) отражение света в) абсорбции света г) люминесценцией
  2. Волновой природой света объясняются такие явления как

а) отражение

б) рассеяние

в) поглощение

г) испускание

  1. Корпускулярной природой света объясняются такие явления как а) отражение б) рассеяние в) поглощение г) испускание

77

 

  1. Каким способом объясняют природу явлений интерференции, дифрак-

ции и преломления света?

а) Способом, исходящим из волновой природы света

б) способом, исходящим из корпускулярной природы света

  1. Расстояние, проходимое волной за время одного полного колебания –

это

а) частота

б) волновое число

в) длина волны

г) спектр

  1. Число раз в секунду, когда электрическое (или магнитное) поле дости-

гает своего максимального положительного значения – это

а) частота

б) волновое число

в) длина волны

г) спектр

  1. Число длин волн, укладывающихся в единицу длины – это а) частота б) волновое число

в) длина волны г) спектр

  1. Связь между волновой и корпускулярной природой света описывается а) законом Бугера – Ламберта – Бера б) законами Столетова в) уравнением Планка

78

 

  1. Установите соответствие: для измерения
  2. длины волны
  3. частоты
  4. волнового числа используют а) герц

б) обратные сантиметры в) сантиметры

  1. В ИК – области происходят изменения в энергетическом состоянии а) спинов ядер и электронов б) валентных электронов

в) электронов внутренних оболочек

г) атомов в молекулах из – за колебаний

  1. В УФ – и видимой области происходят изменения в энергетическом состоянии

а) спинов ядер и электронов

б) атомов в кристаллической решетке

в) атомов в молекулах из – за колебаний г) валентных электронов

  1. Выберете определение соответствующее понятию спектр поглощения а) распределение по частотам (или по длинам волн) значений полярного

коэффициента поглощения

б) графическая зависимость оптической плотности или молярного коэф-

фициента поглощения от частоты или длины волны падающего света

79

 

  1. Что служит источником излучения при спектрофотометрическом ме-

тоде анализе в УФ – области?

а) лампа накаливания

б) водородная лампа

в) стержень из карбида кремния

  1. Отношение интенсивности светового потока, прошедшего через рас-

твор к интенсивности падающего светового потока – это

а) пропускание

б) погашение

в) молярный показатель поглощения

г) удельный показатель поглощения

  1. К физико – химическим причинам отклонений от закона Бугера –

Ламберта – Бера относится

а) несоответствие подставляемого в уравнение значения концентрации ис-

тинной концентрации вещества в растворе

б) флуоресценция анализируемого вещества

в) немонохроматичность падающего на образец светового потока

г) распределение поглощающего вещества в объеме анализируемого объ-екта

  1. Нелинейная зависимость показания приборов от интенсивности свето-

вого потока относится к причинам отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера

а) физико – химическим

б) инструментальным

в) связанным с анизотропией изучаемого объекта

  1. Хромофорными группами являются

80

 

а)С–С

б)С=С

в)С≡С

г)N=О

  1. К основным приемам фотометрических измерений относятся а) метод градуировочного графика б) метод молярного коэффициента поглощения

в) определение по стандартному образцу

  1. Какие приемы используют для перевода в окрашенное соединение определяемого вещества при фотометрическом определении?

а) Образование окрашенного соединения в результате окислительно – вос-становительного взаимодействия между определяемым ионом и реагентом

б) обесцвечивание окрашенного соединения вследствие взаимодействия с ним определяемого иона

в) осаждение определяемого иона осадителем и последующее определе-ние эквивалентного количества осадка в виде окрашенного соединения

г) проведение каталитической реакции между двумя веществами, одно из которых окрашено или может быть превращено в окрашенное соединение

81

 

ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ

  1. б
  2. б
  3. а,б,в,г
  4. в,г,д
  5. в,г,д
  6. а,б,в
  7. в
  8. а,б,д
  9. г
  10. а,б,в,г
  11. г
  12. б, в
  13. а,б,в,г
  14. а,б,в,г
  15. в
  16. в
  17. а
  18. в
  19. 1.б,2.а,3.в
  20. а
  21. а
  22. б
  23. а,б
  24. б
  25. а,в
  26. а,б,в
  27. в
  28. а,б
  29. в,г
  30. в
  31. в
  32. а
  33. б
  34. в
  35. 1.в,2.а,3.б
  36. г
  37. г
  38. а, б
  39. б
  40. а
  41. а, б
  42. б
  43. б,в,г
  44. а,б,в
  45. а,б,в,г

82

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Берштейн И.Я., Каминский Ю.Л. Спектрофотометрический анализ в ор-

ганической химии. – Л.: Химия, 1986. – 200 с.

  1. Бабко А.К., Пилипенко А.Т. Фотометрический анализ. – М.: Химия,

1968-386 с.

  1. Булатов М.И.,Калинкин Н.П. Практическое руководство по фотомет-

риским и спектрофотометрическим методам анализа. –5-е изд. перераб. – Л.

Химия, 1986. –432 с.

  1. Васильев В.П. Физико-химические методы анализа. М.: Высшая школа,

1989-384 с.

  1. Крамаренко В.Ф., Попова В.И. Фотометрия в фармацевтическом анали-

зе. Киев.: Здоровье, 1972.-190 с.

  1. Кулешова М.Н., Гусева Л.Н., Сивицкая О.К. Анализ лекарственных форм изготовленных в аптеках –2-е изд., перераб. и доп.-М.: Медицина,

1989.-с.145-173.

  1. Руководство к лабораторным занятиям по фармацевтической химии/ Э.

Н. Аксенова, О. П. Андрианова, А. П. Арзамасцев и др./ Под ред. А. П. Арза-масцева.– М.: Медицина, 1987.– 304 с.

  1. Фармацевтический анализ лекарственных средств/ В. А. Шаповалова,

В. А. Заболотный, И. Т. Депешко и др./ Под общ. ред. В. А. Шаповаловой,– Харьков: ИМП «Рубикон», 1995.– 400 с.

83

 

Учебное издание

Илларионова Елена Анатольевна Сыроватский Игорь Петрович

Фотометрия. Теоретические основы метода.

Практическое применение метода.

Компьютерная верстка – И.П. Сыроватский

Подписано в печать 2011. Формат 60х84/16. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 9,5 Тираж экз. Заказ

Отпечатано в типографии ИГМУ,

г. Иркутск, ул. Красного Восстания, 1

84

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *