Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1 курс / Химия / Kharitonov_Yu_Ya_-_Analiticheskaya_khimia_2_chast

.pdf
Скачиваний:
42
Добавлен:
23.03.2024
Размер:
19.67 Mб
Скачать

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

полосу с максимумом при длине

 

волны A-i, а компонент 2 — полосу

 

с максимумом при длине волны

 

Х2- Обе полосы частично налага­

 

ются друг на друга, так что сум­

 

марное светопоглощение раствора

 

при обеих длинах волн складыва­

 

ется

из светопоглощения

обоих

 

компонентов (рис. 8.13).

 

 

 

Пусть

оптическая

плотность

рис g.1 3 . Спектр поглощения двух ве-

раствора,

измеренная

при длинах

ществ при их совместном присутствии:

волн А.| и Х .2 в кювете с толщиной

у — полоса поглощения компонента 1 , 2

поглощающего слоя /, равна А| и А2

полоса поглощения компонента 2; 3 сум-

соответственно (рис. 8.13).

 

марный спектр поглощения раствора

 

Согласно закону аддитивности оптической плотности (8.6) можно

написать

 

 

 

 

 

 

 

Л

= e Q \c ll +e ( 2 \c 2l,

 

 

 

А2 —б(1)>.г с,/ + б(2)^

где

e(l)Xi

и е(2)х — соответственно молярные коэффициенты погаше­

ния компонентов 1 и 2 при длине волны А.|; е(1)^ и е(2)Х; — соответст­

венно молярные коэффициенты погашения компонентов 1 и 2 при длине волны Х2\ С\ и с2 — концентрация соответственно компонента 1 и компо­ нента 2 в анализируемом растворе.

Решая эти два уравнения с двумя неизвестными С\ и с2, можно опре­ делить обе концентрации:

<2)h Ai - e ( 2 \ A 2

- 6 ( 2 ) ,е(1)Хг]/’

[е(1)Х] е(2)^ -е(1),2е(2), ]/'

Аналогично можно провести измерения и расчеты и в тех случаях, когда в анализируемом растворе одновременно присутствуют более двух определяемых веществ.

Рассматриваемым методом можно определять медь, кобальт и ни­ кель при их совместном присутствии в виде комплексонатов фотометрированием раствора при трех длинах волн (436; 367 и 328 нм); ами­ допирин и кофеин — при 272 и 255 нм; дикаин и новокаин — при 311 и 290 нм и т.д.

341

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

8.2.6. Дифференциальный фотометрический анализ. Понятие о производной спектрофотометрии

Описанный выше метод фотометрии иногда называют непосредст­ венной спектрофотометрией (фотометрией), когда светопоглощение ана­ лизируемого раствора измеряют по отношению к раствору сравнения, оптическая плотность которого близка к нулю (принимается равной нулю).

Кроме метода непосредственной спектрофотометрии разработаны и нашли применение дифференциальная спектрофотометрия (фотометрия) и производная спектрофотометрия.

Большой вклад в развитие современной дифференциальной и произ­ водной спектрофотометрии, особенно ее приложений к исследованию и анализу лекарственных препаратов, внесли отечественные ученые В.Г. Бе­ ликов и Е.Н. Вергейчик.

Дифференциальная спектрофотометрия (фотометрия). Если светопоглощение анализируемого раствора измеряют по отношению к среде сравнения (раствор сравнения, диафрагма, оптический клин), опти­ ческая плотность А которой существенно больше нуля (например, А = = 0,1— 1,0), то такой спектрофотометрический метод называют диффе­ ренциальной спектрофотометрией, или дифференциальным фотомет­ рическим анализом.

Одно из основных достоинств дифференциальной спектрофотомет­ рии состоит в уменьшении ошибки спектрофотометрических определе­ ний. Поэтому дифференциальную спектрофотометрию иногда называют прецизионной спектрофотометрией.

Дифференциальная спектрофотометрия используется, в частности, прн получении ИК спектров поглощения таких веществ, у которых на­ блюдается большое общее рассеивание света, вследствие чего светопропускание в ИК области сильно понижается (иногда до 10—20%), спектры получаются нечеткими, полосы поглощения трудно идентифицируются. Для устранения этого явления в канал сравнения вводят диафрагму, пе­ рекрывающую часть светового потока. При этом шкала пропускания расширяется и ИК спектры поглощения получаются более четкими, по­ лосы поглощения идентифицируются надежно.

Среди различных вариантов дифференциальной спектрофотометрии в аналитической практике распространен простой способ, когда оптиче­ скую плотность анализируемого раствора измеряют по отношению к рас­ твору сравнения, содержащему то же определяемое вещество, что и ана­ лизируемый раствор, но с несколько меньшей концентрацией. В этом случае измеряемая относитепьная оптическая плотность Ах равна разно­ сти оптической плотности анализируемого раствора и оптической плот­ ности А0 раствора сравнения.

342

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

Метод используют тогда, когда концентрация раствора — большая (десятки процентов) и оптическая плотность — высока. При высокой оптической плотности возрастает ошибка непосредственных спектрофо­ тометрических определений. Применение же раствора сравнения, также содержащего определяемое вещество, позволяет уменьшить измеряемую относительную оптическую плотность Ах анализируемого раствора, рас­ ширить протяженность шкалы светопропускания и снизить ошибку оп­ ределений до нескольких десятых долей процента.

Наименьшую ошибку получают тогда, когда разность оптических плотностей измеряемого раствора и раствора сравнения минимальна, а оптическая плотность раствора сравнения — высокая, вплоть до А = 1. Однако на практике все же приходится избегать применение раствора сравнения с очень высоким светопоглощением, так как при этом умень­ шается энергия светового потока, попадающего в приемник излучения, вследствие чего работа приемника излучения становится менее устойчи­ вой, уменьшается отношение сигнал : шум (уровень шумов обусловлен особенностями конструкции спектрофотометра). Для увеличения энергии светового потока приходится увеличивать ширину щели спектрофото­ метра.

Сущность метода состоит в следующем.

Готовят ряд (пять—десять) эталонных растворов определяемого ве­ щества с различной, точно заданной концентрацией с0, сь с2, ..., с„. Вначале при выбранной длине волны в оба канала спектрофотометра по­ мещают одинаковые кюветы с одним и тем же эталонным раствором (концентраций определяемого вещества равна с0), относительно которого будут прбводить последующие измерения, и устанавливают шкалу опти­ ческой плотности в положение А - 0.

Затем при той же постоянной аналитической длине волны измеряют оптическую плотность А, (/' - 1; 2; ...; п) каждого эталонного раствора и оптическую плотность Ах анализируемого раствора относительно эталон­ ного раствора с концентрацией с0 и собственной оптической плотностью А0 (относительно чистого растворителя), после чего находят концентра­ цию с\ определяемого вещества в анализируемом растворе следующими способами.

Расчетный способ. При этом способе предполагается выполнимость основного закона светопоглощения. В соответствии с этим законом мож­

но написать:

 

 

4

= е/(с, -

со)>

с,

~ со = А

1 s t ’

сх =с0 + Ах / е/,

где е — молярный коэффициент погашения определяемого вещества, / — толщина поглощающего слоя.

343

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

 

Если ввести фактор пересчета F

 

 

F = 1/е/,

 

 

то последнее уравнение можно пере­

 

писать в виде:

 

 

 

с, = с0 + FAX.

 

 

Это уравнение и используют для

 

расчета концентрации cxi) определяе­

 

мого вещества на основании измере­

Рис. 8.14. Градуировочный график в

ния Ах и при известной концентрации

с0эталонного раствора сравнения.

методе дифференциальной спектро­

Фактор пересчета F находят по

фотометрии для нахождения концен­

результатам

измерений

оптических

трации сх определяемого вещества в

плотностей

А, эталонных

растворов

растворе по измеренной оптической

относительно эталонного

раствора с

плотности А„

концентрацией с0:

 

 

 

A, = el(c .-c0),

F = 1/е/ = (с/ - с0) / А,.

Рассчитывают среднее значение фактора пересчета

1 /=п С. —сп F = n-~Yt - А,

где п — число измеренных эталонных растворов.

Способ градуировочного графика. По полученным эксперименталь­ ным значениям А, строят градуировочный график, откладывая по оси абсцисс известные величины концентрации эталонных растворов с,, а по оси ординат — значения оптической плотности At эталонных растворов, измеренной относительно эталонного раствора с концентрацией с0 (рис. 8.14). По этому графику, зная измеренное значение Ах, находят концен­ трацию сх определяемого раствора.

Часто строят серию градуировочных графиков, используя каждый раз в качестве раствора сравнения эталонный раствор с постепенно уве­ личивающейся концентрацией определяемого вещества, с тем чтобы по­ добрать такой раствор сравнения, концентрация которого была бы наи­ более близкой к концентрации анализируемого раствора.

Способом градуировочного графика можно пользоваться и тогда, ко­ гда наблюдаются отклонения от основного закона светопоглощения.

Дифференциальная спектрофотометрия в разных вариантах приме­ няется при определении ряда металлов и неметаллов, органических со­ единений, лекарственных веществ. Так, разработаны варианты анализа методом дифференциальной спектрофотометрии многих двухкомпонент­ ных смесей лекарственных веществ: кофеин и аспирин, кофеин и амидо344

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

пирин, кофеин и фенацетин, теобромин и барбамил, теофиллин и барбамил, папаверина гидрохлорид и дибазол, папаверина гидрохлорид и ки­ слота никотиновая — и т. д.

Аналогичные методы применяются и в дифференциальной фото­ электроколориметрии.

Понятие о производной спектрофотометрии. Производную спек­ трофотометрию относят к одному из вариантов дифференциальной спек­ трофотометрии. Если в описанном выше варианте дифференциальной спектрофотометрии используют разность оптических плотностей при одной и той же длине волны X = const , = г1(сх - с0)), то в производной спектрофотометрии также измеряют разность светопоглощения, но при двух длинах волн X] и Х2, разделенных небольшим интервалом АХ= Х2 - Х|.

, Предел отношения разности оптических плотностей АА = Л2 - А, со­ ответственно при двух длинах волн Х2 и Х| к АХ равен математической первой производной

iim —

сU

= /(Х )

4»-*0 АХ

сIA

ипредставляет собой некоторую функциюДХ) от длины волны.

Впроизводной спектрофотометрии определяют математические производные от оптической плотности по длине волны

dA d2A

(чаще всего — не выше второй производной) и строят график спектраль­ ной кривой в координатах

АА -X, А1 А -X ит.д., dX dX2

откладывая по оси абсцисс длину волны, а по оси ординат — первую или вторую производную (иногда — производные более высокого порядка).

В методе определяют также производные от оптической плотности не только по длине волны, но и по волновому числу v (или по частоте)

АА_

А2 А

dv ’

и т.д.

dv2

и получают соответствующие спектральные кривые в координатах произ­ водная по волновому числу (ось ординат) — волновое число (ось абсцисс).

Достоинство рассматриваемого метода состоит в том, что на спек­ тральных кривых, записанных в координатах производная — длина вол­ ны (или производная — волновое число), отчетливо получаются полосы, проявляющиеся лишь в виде скрытых максимумов п нечетких перегибов

345

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

на полосе поглощения при обычном представлении спектральной кривой в координатах оптическая плотность (или коэффициент погашения) длина волны. Такие полосы на спектральных кривых производных можно использовать как в качественном анализе (идентификация веществ по спектру), так и при количественном определении веществ в растворах (с использованием в качестве аналитической полосы максимумов на произ­ водных спектральных кривых), в том числе компонентов смесей без их предварительного разделения.

Величина первой производной пропорциональна крутизне наклона исходной спектральной кривой А =/{Х), а точки пересечения кривой пер­ вой производной с осью длин волн отвечают максимумам или миниму­ мам на исходной спектральной кривой. При этом форма производной кривой усложняется: максимуму на исходной спектральной кривой А =J{X) соответствуют положительный и отрицательный максимумы на

кривой AAIAX =fiX).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На кривой второй производной максимуму в

исходном спектре

 

A =J{X)

соответствует также

мак­

 

симум, но взятый с обратным зна­

 

ком. К тому же вторая производная

 

позволяет

фиксировать

две сосед­

 

ние полосы поглощения, разделен­

 

ные

меньшим

интервалом

длин

 

волн. Поэтому на практике чаще

 

предпочитают

пользоваться

спек­

 

тральной кривой второй

производ­

 

ной, чем первой.

 

 

 

 

 

 

Производные

спектральные

 

кривые получают либо численными

 

методами дифференцирования, ли­

 

бо

непосредственно

на

регистри­

 

рующем спектрофотометре, если на

 

нем предусмотрена запись кривых

 

производных (например, с исполь­

 

зованием дифференцирующих при­

 

ставок к саморегистрирующим спек­

 

трофотометрам).

 

 

 

 

 

 

Вид спектральных кривых су­

 

щественно

зависит

от

величины

Рис. 8.15. Спектр поглощения (а) и спек-

интервала

АХ,

используемого

в

тральная кривая второй производной (б),

Расчетах

кривой производной.

В

построенная с интервалом АХ =4 нм, рас-

случае широких полос поглощения

творатеофиллина

в исходных спектрах А —J{X) спек-

346

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

тральную

кривую

производной

 

 

 

рассчитывают для интервала АХ =

 

 

 

= 2; 4; 6 и 8 нм; оптимальный ин­

 

 

 

тервал составляет 4 нм.

 

 

 

 

 

 

На рис. 8.15 приведены спек­

 

 

 

тральные кривые для раствора ле­

 

 

 

карственного

препарата теофилли-

 

 

 

на

в

координатах

Е— X (а)

и

 

 

 

d2/l/dX2— X (б), где Е — удельный

 

 

 

коэффициент

погашения

теофил-

 

 

 

лина в растворе. При этом кривая

 

 

 

второй

производной

построена

с

240

260

280 X, нм

интервалом АХ = 4 нм.

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.16. Спектр поглощения (1) и спек-

в

Двум отчетливым максимумам

спектре

поглощения

раствора

тРа,,ьная кривая второй производной (2)

теофиллина отвечают два столь же

Раств°Ра смеси амидопирина идибазола

отчетливые минимумы (отрицательные максимумы) на кривой второй производной. Кроме того, на этой кривой проявляются и малоинтенсивные скрытые максимумы.

Метод позволяет идентифицировать скрытые максимумы в спектре раствора смесей. На рис. 8.16 в качестве примера представлены спектр поглощения раствора смеси лекарственных препаратов амидопирина с дибазолом и спектральная кривая второй производной для того же рас­ твора. Полосы обоих компонентов, включая скрытые максимумы, четко проявляются на кривой второй производной и могут быть использованы для определения компонентов в их смеси.

На рис. 8.17 показана спектральная кривая четвертой производной для смеси амидопирина и дибазола. Скрытые максимумы и перегибы проявляются на ней еще более отчетливо, чем на спектральной кривой второй производной, что может быть использовано для идентификации дибазола в лекарственных формах.

Переход к производным кривым более высокого порядка повышает случайные ошибки фотометрических определений.

Разработаны многочисленные методики, использующие производ­ ную спектрофотометрию для идентификации и определения различных веществ, особенно — лекарственных препаратов. Так, по первым произ­ водным предложено анализировать смесь теобромина и салицилата на­ трия, бутамида в трехкомпонентной смеси. По вторым производным идентифицируют дибазол, кофеин, папаверина гидрохлорид, теобромин, теофиллин; определяют амидопирин, атропин, бензотропин, бутадион, дифенилгидантоин, кофеин, нифуроксим и фуразолидон при совместном присутствии, папаверина гидрохлорид, парацетамол, стрептомицин, тео­ филлин и др. По четвертой производной определяют дибазол.

347

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

Методами производной спек­ трофотометрии анализируют так­ же соединения урана(\П) в при­ сутствии солей железа; соединения редкоземельных элементов и т.д.

 

8.2.7.

Чувствительность и

 

погрешности фотометрического

 

 

 

анализа

 

 

 

Чувствительность

фото­

 

метрического анализа

характери­

 

зуется

минимальной

концентра­

 

цией cmm определяемого вещества

 

в анализируемом

растворе, кото­

 

рую еще можно определить фото­

 

метрическим методом. Эту мини­

 

мальную

концентрацию

можно

 

оценить следующим образом.

 

В

соответствии с

основным

 

законом светопоглощения имеем

 

 

 

л 111111 —

£ C m j n / ,

 

 

Рис. 8.17. Спектр поглощения раствора

где /4т;„

= 0,01

— минимальное

содержащего смесь амидопирина и диба-

значение

оптической

плотности,

зола (а), и спектральная кривая четвертой

которое можно измерить на обыч-

производной (б) для того же раствора

ном спектрофотометре. При тол­

щине поглощающего слоя / = 1 см получаем:

 

 

 

 

 

Cmin = 0,01/е.

 

 

 

 

(8.8)

Формула (8.8) позволяет оценить минимальную концентрацию опре­ деляемого вещества в анализируемом растворе по его молярному коэф­ фициенту погашения. Максимально возможное значение молярного ко­ эффициента погашения считают равным примерно е » 105 л ■моль"1• см-1. Следовательно, минимальная концентрация, определяемая фотометриче­ ским методом, может составлять

Pmin ~ 0,01/105 » КГ7 моль/л при толщине поглощающего слоя / = 1 см.

Погрешности фотометрического анализа. Ошибки фотометриче­ ского анализа зависят от ряда факторов: неточностей определения опти­ ческой плотности, толщины кювет и их установки в кюветном отделении прибора, фиксации позиций 0% и 100% пропускания на шкале прибора,

348

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

нестабильности работы приемника излучения спектрального прибора и т.д. Учет всех источников ошибок фотометрических определений пред­ ставляет собой сложную задачу.

Основной вклад в систематическую ошибку определения концен­ трации непосредственным фотометрическим методом вносит погреш­ ность измерения оптической плотности (или пропускания), что обуслов­ лено спецификой фотометрии.

Пусть dA и Ас — соответственно бесконечно малая абсолютная ошибка измерения оптической плотности А и концентрации раствора с. Если при аналитической длине волны не наблюдаются отклонения от основного закона светопоглощения в определенных пределах изменения оптической плотности и концентрации анализируемого раствора, то от­ носительная процентная ошибка определения оптической плотности и относительная ошибка определения концентрации

100% н — 100%

Ас

совпадают. Действительно:

dA

Edcl

dс

— • 100% = ------ 100% = — 100% = A,

A

Бcl

c

где E — молярный коэффициент погашения определяемого вещества, / — толщина поглощающего слоя.

Если выполняется основной закон светопоглощения, то относитель­ ная ошибка фотометрического определения концентрации будет зависеть от пропускания Т в соответствии с уравнением (8.9):

dc 0’434d r

(8.9)

сT\gT

Докажем, что это, действительно, так. Как было показано ранее, опти­ ческая плотность Л и пропускание Т связаны между собой соотношением:

A = - \ g T = \ g j ——

In—= 0,4341п—.

2,303

Т

Т

Дифференцируя это уравнение по Т, получаем:

dA

0,434

или dA = - М * 1 с17’.

dТ

Т

Т

Разделим последнее уравнение слева и справа на оптическую плот­ ность А :

dA

0,434 JT,

0,434

— =

--------- dТ =

-------- dТ.

А

ТА

T\gT

349

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ М М А им .И .М . Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

посколькуА =

сIA

Ас

-lgT . Учитывая, что

= — , получаем

 

А

с

Ас 0,434 АТ, с ~ T \ g T

что совпадает с (8.9).

Минимуму функции (8.9) отвечает значение Т - 36,8% или А = 0,434, т.е. минимальная ошибка Дтш бывает тогда, когда фотометрические из­ мерения проводят при Л = 0,434, о чем и упоминалось ранее.

Для построения графика функции (8.9), т.е. зависимости Ас!с от Т, приближенно полагают

АТ х АТ = const,

где АТ — конечное небольшое приращение Т. Эту абсолютную ошибку определения Т в расчетах задают равной какой-либо реально приемлемой постоянной величине, например, АТ = 0,005 (относительная процентная ошибка при этом будет равна (Д771 ) ■100% = 0,005 • 100% = 0,5%).

Приближение АТ » Д Т = const не соответствует действительности, однако получаемая в результате расчетов кривая ошибок правильно от­ ражает тенденцию в изменении Д в зависимости от изменения Т или А и позволяет количественно оценить оптимальный интервал изменения Т или А, в котором можно проводить фотометрические измерения с пони­ женной величиной ошибки Д.

На рис. 8.18 представлен график функции (8.9), рассчитанный при АТ » АТ = 0,005 (относительная процентная ошибка равна 0,5%).

Выше указывалось, что минимальной ошибке Дтш отвечает значение Т = 36,8% или А = 0,434. Обычно ошибку считают приемлемой, если ее

величина не превышает 2Д,„т. Как следует из рассмотрения рис. 8. ГС?, из­

 

мерения в этом случае можно прово­

 

дить при значении пропускания Т от

 

-10% до -75%, т.е. в интервале изме­

 

нения оптической плотности от -0,12

 

до -1,0. При таких значениях оптиче­

 

ской плотности

процентная

относи­

 

тельная

систематическая

ошибка фо­

 

тометрического

определения

кон­

 

центрации

раствора не

превышает

 

~±2%. При значениях А, меньших,

Рис. 8.18. Зависимость относительной

чем ° ’12’ И б0ЛЬШИХ’ чем

1,0, относи-

систематической ошибки Дфотомет-

тельная

ошибка

фотометрического

рических измерений от величины

определения

концентрации раствора

пропускания Т при АТ* АТ = 0,005

возрастает.

 

 

 

 

350