Химия · Аналитическая и физическая химия · 2 курс

Оптические методы анализа

Как по поглощению света измерить железо и медь в речной воде?

Ситуация

В экологическую лабораторию привезли пробы воды из реки Ахангаран возле Алмалыкского горно-металлургического комбината: сколько в воде железа и меди? Железо превращают с 1,10-фенантролином в оранжево-красный комплекс и измеряют на спектрофотометре, а медь определяют на атомно-абсорбционном спектрометре, распыляя пробу в пламя. Натрий и калий в минеральной воде определяют на пламенном фотометре, а криминалисты находят невидимые следы крови с помощью люминола и синего света. Как свет «рассказывает» о количестве вещества?

Тема

Оптический анализ: спектрофотометрия, ААС, АЭС, люминесценция. Экологическая лаборатория Алмалыкского ГМК: медь в воде реки Ахангаран — на атомно-абсорбционном спектрометре, железо — в виде цветного комплекса с фенантролином…

Ключевые понятия

Закон Бугера–Ламберта–Бера
Атомно-абсорбционный анализ
Люминесценция

Формулы

A = \lg \frac{I_{0}}{I} = - \lg T = ε l c

Закон Бугера–Ламберта–Бера: оптическая плотность (поглощение) $A$ пропорциональна толщине слоя $l$ (см) и концентрации $c$ (моль/л); $ε$ — молярный коэффициент поглощения, л/(моль·см).

c_{\min} = \frac{3 s_{хол}}{b}

Предел обнаружения: определяется стандартным отклонением сигнала холостого раствора $s_{хол}$ и наклоном градуировочной прямой $b$ .

c_{x} = \frac{a}{b} (A = a + b c_{доб})

Метод добавок: если продолжить прямую до $A = 0$ , она пересечёт ось абсцисс при $- c_{x}$ — влияние матрицы учитывается автоматически.

\frac{N_{1}}{N_{0}} = \frac{g_{1}}{g_{0}} e^{- Δ E / k T}

Распределение Больцмана: доля возбуждённых атомов в пламени; для Na при 2500 К ≈ 1,7·10⁻⁴.

F = k φ I_{0} (1 - 10^{- ε l c}), \frac{F_{0}}{F} = 1 + K_{S V} [Q]

Интенсивность флуоресценции (при малых $c$ $\approx 2,3 k φ I_{0} ε l c$ ) и уравнение тушения Штерна–Фольмера; $φ$ — квантовый выход.

Теория

Электромагнитное излучение и молекулярная спектроскопия

Свет характеризуется длиной волны $λ$ , частотой $ν = c / λ$ , волновым числом $1 / λ$ и энергией фотона $E = h ν$ . УФ (200–380 нм) и видимый (380–750 нм) свет переводит в молекуле электроны на более высокие орбитали — возникают широкие полосы поглощения; у атомов — узкие линии. Раствор выглядит в цвете, дополнительном к поглощённому: $[Fe (phen)_{3}]^{2 +}$ поглощает зелёно-голубой свет (510 нм) — оранжево-красный; $MnO_{4}^{-}$ поглощает зелёный (525 нм) — фиолетовый. Фотометрическая реакция: определяемый ион превращают в окрашенное соединение; $Fe^{3 +}$ сначала восстанавливают гидроксиламином до $Fe^{2 +}$ ( $4 Fe^{3 +} + 2 NH_{2} OH \overset{}{\to} 4 Fe^{2 +} + N_{2} O + 4 H^{+} + H_{2} O$ ), затем $Fe^{2 +} + 3 phen \overset{}{\to} [Fe (phen)_{3}]^{2 +}$ (pH 3–9, ацетатный буфер). Для этого комплекса $λ_{m a x}$ ≈ 510 нм, $ε$ порядка 10⁴ л/(моль·см) (точное значение вы измерите сами в задании 1).

Закон Бугера–Ламберта–Бера и отклонения от него

$A = ε l c$ : если слой вдвое толще, $A$ вдвое больше, а пропускание $T$ возводится в квадрат. Закон справедлив для монохроматического света, разбавленных растворов ( $c < 0,01$ M) и неизменного химического состояния. Отклонения: (1) приборные — широкий спектральный интервал (на крутом склоне полосы или в фотометре со светофильтром) и рассеянный свет (при A > 2 прямая загибается); (2) химические — диссоциация, полимеризация, равновесия, зависящие от pH ( $2 CrO_{4}^{2 -} + 2 H^{+} \overset{}{⇌} Cr_{2} O_{7}^{2 -} + H_{2} O$ ); (3) при высокой концентрации меняется показатель преломления. Поэтому измерение проводят на $λ_{m a x}$ (там $ε$ наибольший, и небольшая ошибка в $λ$ не ощущается) и в диапазоне A ≈ 0,1–1.

Спектрофотометр и фотометрический анализ (лаборатория)

Простой фотометр (фотоколориметр): лампа → светофильтр (ширина 30–50 нм) → кювета → фотоэлемент. Спектрофотометр: дейтериевая (190–340 нм) и галогенная (340–1100 нм) лампы → входная щель → дифракционная решётка (монохроматор, поворачиваясь, выбирает $λ$ ) → выходная щель → кювета → фотодетектор; интервал 1–2 нм. В УФ-области нужна кварцевая кювета — обычное стекло поглощает свет короче 320 нм. Порядок работы: записывают спектр и выбирают $λ_{m a x}$ ; на каждой $λ$ устанавливают нуль по холостому раствору (реактивы, без железа); измеряют стандарты и строят градуировочный график $A = a + b c$ методом наименьших квадратов; неизвестную пробу измеряют 3 раза, $c = (A - a) / b$ . Метрологические характеристики: чувствительность (наклон $b$ ), предел обнаружения $3 s_{хол} / b$ , предел количественного определения $10 s_{хол} / b$ , диапазон линейности, селективность — другие ионы ( $Cu^{2 +}$ , $Ni^{2 +}$ , $Co^{2 +}$ тоже образуют комплексы с фенантролином) не должны мешать. Этим методом проверяют подчинение закону растворов синтезированного $[Cu (NH_{3})_{4}] SO_{4} \cdot H_{2} O$ (ε ≈ 50, 600 нм) и УФ-спектр кофеина (273 нм).

Атомно-абсорбционная спектрометрия

Пробу распыляют в пламя (воздух–ацетилен, ≈ 2300 °C) или нагревают в электротермическом атомизаторе — графитовой трубке — со стадиями высушивания, озоления (пиролиза), атомизации и очистки. Пар свободных атомов поглощает излучение лампы с полым катодом — именно резонансную линию этого элемента (Cu 324,7 нм); оптическая плотность атомного пара $A$ тоже подчиняется закону Бугера–Ламберта–Бера. В пламени ≈ 100 % атомов находится в основном состоянии, поэтому ААС мало чувствительна к температуре. Фоновое излучение/поглощение (рассеяние на молекулах, частицах солей) измеряют дейтериевой лампой и вычитают. Матричный эффект: соли и кислоты в пробе снижают атомизацию — по внешним стандартам результат занижается; в методе добавок стандарты добавляют в саму пробу, а прямую продолжают до $- c_{x}$ . Чувствительность графитовой печи в сотни раз выше, чем пламени (пикограммы), сигнал — короткий пик, измеряют его площадь (A·с).

Атомно-эмиссионный анализ и пламенная фотометрия; люминесценция

В пламени небольшая часть атомов возбуждается теплом (распределение Больцмана) и при возвращении в основное состояние излучает линейчатый спектр: Na 589,0/589,6 нм (жёлтый), K 766,5/769,9 нм (фиолетовый), Li 670,8 нм (красный), Ca 422,7 нм (происхождение линейчатых спектров — в эксперименте «Строение атома и спектры»). Для Na при 2500 К $N_{1} / N_{0}$ ≈ 1,7·10⁻⁴, при 3000 К ≈ 8,7·10⁻⁴ — при росте температуры на 20 % сигнал вырастает в несколько раз: эмиссия требует стабильного пламени. Калий легко ионизуется (4,34 eV) — ионы эту линию не излучают; добавляют ионизационный буфер (CsCl). При большой концентрации атомы на холодном краю пламени вновь поглощают свет — линия загибается (самопоглощение). Люминесценция: молекула поглощает свет (спектр возбуждения) и за короткое время излучает на большей длине волны (спектр люминесценции, стоксов сдвиг; форма спектра не зависит от возбуждающей $λ$ — правило Вавилова–Каши). Квантовый выход $φ$ — число испущенных фотонов / число поглощённых (сульфат хинина ≈ 0,55); энергетический выход — отношение энергий. При малых $c$ $F \propto c$ ; при больших $c$ свет поглощается в передней части кюветы — эффект внутреннего фильтра, $F$ уменьшается; тушители вроде $Cl^{-}$ подчиняются закону Штерна–Фольмера. Люминофоры (хинин, флуоресцеин, родамины) — люминесцентные индикаторы: окрашенный или мутный раствор можно титровать в УФ-свете. Хемилюминесценция: люминол окисляется $H_{2} O_{2}$ в щелочной среде, катализатор — гемин крови; возбуждённый 3-аминофталат излучает при ≈ 425 нм.

Безопасность и модель

Безопасность: не смотрите на УФ-лампу без защитных очков; ацетилен — горючий газ, пламя в ААС зажигают под вытяжкой прибора; с $HNO_{3}$ , аммиаком и $H_{2} O_{2}$ работайте в перчатках и очках; при распылении раствора люминола не направляйте на лицо. Модель: спектры — гауссовы полосы, подогнанные к литературным $λ_{m a x}$ и $ε$ ( $[Fe (phen)_{3}]^{2 +}$ 510 нм / ≈ 10⁴; $MnO_{4}^{-}$ 526 нм / ≈ 2,4·10³; $[Cu (NH_{3})_{4}]^{2 +}$ ≈ 600 нм / ≈ 50; кофеин 273 нм / ≈ 9,7·10³); прибор — треугольная щелевая функция и рассеянный свет (спектрофотометр 0,05 %, фотоколориметр 1 %); шум случайный; чувствительность ААС (1 % поглощения при 0,077 мг/л Cu), ослабление матрицей (12 %) и фон (A = 0,025), ионизация и самопоглощение — типичные значения; составы речной и минеральной воды условные; для хинина $K_{S V}$ = 200 л/моль (модель).

Знаете ли вы?

Закон поглощения сложился в три этапа: П. Бугер (1729) и И. Ламберт (1760) показали зависимость от толщины слоя, А. Бер (1852) — от концентрации.
Атомно-абсорбционную спектрометрию в середине 1950-х годов как аналитический метод предложил австралийский физик Алан Уолш (CSIRO, Мельбурн); сегодня это один из основных методов определения металлов в воде и почве.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Термохимия и энергия Гиббса — 1 курс
Электрохимический анализ — 1 курс
Качественный анализ и гравиметрия — 2 курс
Титриметрический анализ — 2 курс
Экстракция и хроматография — 2 курс
Спектры: определение строения — 2 курс
Сплавы: диаграммы состояния — 2 курс
Химическая кинетика и уравнение Аррениуса — 2 курс
Катализ и ферменты — 2 курс
Коллоиды и адсорбция — 2 курс