7

Таблиця 1.2. Кольори та енергетичні характеристики ЕМВ видимого діапазону

Спектральний колір,	Діапазон довжин	Колір, що
колір поглинутого ЕМВ	хвиль, нм	спостерігається
	УФ -діапазон
Фіолетовий	380 – 420	Зелено-Жовтий
Синій	420 – 440	Жовтий
Блакитний	440 – 470	Оранжевий
Блакитно-зелений	470 – 500	Червоний
Зелений	500 – 520	Пурпурний
Жовто-Зелений	520 – 550	Фіолетовий
Жовтий	550 – 580	Синій
Оранжевий	580 – 620	Блакитний
Червоний	620 – 680	Блакитно-зелений
Пурпурний	680 – 780	Зелений
	ІЧ діапазон

Людське око є дуже чутливим інструментом, що відмінно реагує на зміну відтінку кольору і тому успішно використовується в, так званих, візуальних методах спектрофотометрії. Зорові рецептори, розташовані на сітківці ока людини, поділяють на три типи залежно від чутливості до певного спектрального діапазону. Максимуми чутливості рецепторів припадають на 420, 534 та 564 нм, що відповідає синьому, зеленому та червоному кольорам (рис. 1.6). Ці кольори прийнято вважати базовими чи “основними”. Усі інші кольори сприймаються як суміш основних кольорів у певній пропорції. При сумісній дії потоку фотонів однакової інтенсивності усіх довжин хвиль видимого діапазону спектру на зоровий апарат людини, в неї виникає відчуття білого кольору. Відчуття білого кольору викликає також оптичне змішування деяких пар кольорів. Такі пари кольорів називають комплементарними, або додатковими. Додатковими кольорами є, наприклад, зелений та пурпурний, жовтий та синій, блакитний та червоний.

Людина сприймає речовини чи тіла забарвленими через їх вибіркову взаємодію з світлом видимого діапазону (400–750 нм). Розчин чи предмет здаються забарвленими, якщо вони по різному поглинають світло різних ділянок видимої спектрального діапазону.

Для наочності сприйняття зручно представити біле світло у формі трьох складових – основних спектральних діапазонів (синього, зеленого та червоного), як зображено на рис. 1.7 (у кольорі рис.1.7 наведений у Додатку 3). Забарвлене у чорний колір непрозоре тіло суттєво поглинає усі три складові білого світла (рис. 1.7, а та Додаток 3). Тіло має білий колір, якщо хвилі всіх трьох спектральних діапазонів відбиваються від поверхні (рис. 1.7, б).

Зовсім безбарвним видається прозоре тіло, яке не поглинає жодної з трьох складових білого світла (рис. 1.7, в). Кольорове тіло вибірково поглинає одну або кілька складових білого світла. Інші складові відбиваються від непрозорого тіла (рис. 1.7, г, д), або проходять крізь прозоре тіло (рис. 1.7, е, є). Внаслідок такого

8

вибіркового поглинання ЕМВ тіло видається забарвленим у колір тієї складової, або кількох складових, що ним не поглинаються. Якщо від поверхні непрозорого тіла відбивається лише синя складова (зелена та червона ним поглинаються), воно видається забарвленим у синій колір (рис. 1.7, г). Від забарвленого у червоний колір тіла (рис. 1.7, д) відбивається лише червона складова (синя та зелена ним поглинаються).

а

б

в

	г			д		е		є
		Непрозоре тіло					Прозоре тіло

Рис. 1.7. Забарвлення тіл внаслідок взаємодії з білим світлом

Тіло може вибірково поглинати лише вузький діапазон хвиль, що відповідає окремому спектральному кольору. У такому разі воно видається забарвленим у колір, додатковий до того, що поглинається (табл. 1.1). Так, наприклад, забарвлене у фіолетовий колір тіло вибірково поглинає хвилі жовто-зеленого діапазону, забарвлене у зелений колір – пурпурного тощо.

Зміну забарвлення від жовтого через червоне до синього називають

поглибленням кольору, а навпаки (від синього до жовтого) – підвищенням кольору.

1.1.2.Закони світлопоглинання

Успектрофотометрії для кількісного визначення компоненту його спочатку переводять

узабарвлену сполуку, розчинну у воді або

органічному розчиннику.			Розчин		у	кюветі
(рис. 1.8, Додаток 3) розміщують на шляху ЕМВ
та	вимірюють	ослаблення		інтенсивності
світлового потоку при проходженні крізь кювету.
З	монохроматичного		світлового		(з	певною
λ, нм) потоку інтенсивністю І0, що потрапляє на							Рис. 1.8. Світловий потік
кювету з розчином, частина світла (Іа)
поглинається, інша частина (І1) проходить крізь							інтенсивністю I0 проходить
зразок, а ще одна частина (Іr) відбивається							крізь розчин у кюветі
стінками кювети та розсіюється:							товщиною l

9

І0 = Іа + Іr +І1.

Спектрофотометричні вимірювання завжди проводять відносно розчину порівняння у аналогічній кюветі. В такому випадку долі відбитого та розсіяного світла Іr будуть для обох кювет однаковими, і тому ними можна знехтувати.

Частка світла, що поглинається, залежить від товщини поглинаючого шару та концентрації часток у розчині. Залежність світлопоглинання від товщини поглинаючого шару та концентрації поглинаючих часток називають основним законом світлопоглинання, який відомий також як закон Бугера-Ламберта-Бера:

А= К . ℓ . C ,	(1.6)
де А=lg(I0 / I1 ), тобто оптична густина	розчину, К = const, ℓ – товщина

поглинаючого шару, см. Найпоширенішим способом вираження концентрації речовини у аналітичний практиці є молярна концентрація (С, моль/л). У такому випадку К називають молярним коефіцієнтом поглинання речовини і позначають ε,

а вираз основного закону світлопоглинання записують так:

	A =lg	I0	=ε l C .	(1.7)
		I

Видно, що молярний коефіцієнт поглинання (ε) чисельно дорівнює оптичній густині розчину речовини з концентрацією 1,0 моль/л, виміряній в кюветі з товщиною поглинаючого шару 1,0 см:

ε = l AC .

Розмірність молярного коефіцієнта поглинання (л.моль-1.см-1) є однозначною і тому не вказується в довідниках. Молярний коефіцієнт поглинання характеризує речовину, тому його значення залежить від природи речовини. Крім цього, величина

ε залежить ще від довжини хвилі, температури розчину та природи розчинника, і не залежить від інтенсивності світлового потоку. Значення молярного коефіцієнта поглинання речовин, які застосовують у спектрофотометричному аналізі, лежать в межах від n×102 (для забарвлених комплексів металів з неорганічними лігандами) до n×104 (для органічних сполук та комплексів металів з лігандами органічної природи).

Як аналітичний відгук у спектрофотометрії зручно використовувати саме оптичну густину розчину, оскільки величина А, відн. од. залежить від концентрації оптично-активної речовини прямо пропорційно.

Окрім оптичної густини розчину, як аналітичний відгук можуть бути використані інші величини, зокрема пропускання Т – співвідношення між початковою інтенсивністю світлового потоку (І0) та інтенсивністю потоку, що пройшов крізь зразок (І1):

10

T = I1 . (1.8)

I

0

Пропускання Т виражають у відносних одиницях або відсотках. Значення Т лежить у діапазоні від 0 до 1 або від 0% (світловий потік повністю поглинається зразком) до 100% (практично не поглинається).

Зв'язок між оптичною густини розчину (А, відн. од.) та пропусканням (Т, відн. од. або %) описується рівнянням:

A = −lg T ,	(1.9)
Т =10−А =10−ε l C .	(1.10)

Основний закон світлопоглинання є універсальним, оскільки був виведений без врахування природи поглинаючого середовища та характеру поглинутого випромінювання. Саме тому він використовується не тільки у спектрофотометрії, а й у інших абсорбційних спектроскопічних методах (атомній абсорбційній спектроскпії, ІЧ-спектроскопії, рентгенівських методах).

Відхилення від закону Бугера-Ламберта-Бера. Лінійна залежність А=f(С) при

ℓ=const (рис. 1.9) може бути викривлена дією різних факторів, зокрема фізичних, інструментальних чи хімічних. Відхилення від основного закону світлопоглинання можна поділити на три групи залежно від причин, що їх обумовлюють: істинні,

інструментальні та хімічні.

Істинні відхилення викликані дійсними обмеженнями основного закону світлопоглинання, обумовленими тим, що закон виведено для дуже розбавлених розчинів, у яких взаємний вплив центрів поглинання є незначним. При збільшенні концентрації центрів світлопоглинання у розчині (С ≥ 0,01 моль/л) середня відстань між ними зменшується на стільки, що вони починають впливати на розподіл зарядів на сусідніх частках, що може стати причиною зміни здатності поглинати ЕМВ певної довжини хвилі. Крім того, при високих концентраціях забарвленої речовини змінюється коефіцієнт заломлення світла у розчині. Значне зміна n може зумовити від’ємні відхилення від основного закону світлопоглинання (рис. 1.9, крива 2).

A

2

1

3

C

Рис. 1.9. Лінійна залежність А=f(С) (1) та від’ємні відхилення від неї, обумовлені істинними (2), інструментальними (2) та хімічними (3) причинами

Інструментальні причини відхилень пов’язані зі способом вимірювання оптичної густини розчину. Вони можуть бути спричинені немонохроматичністю джерела випромінювання або впливом розсіяного випромінювання.

11

Основний закон світлопоглинання виведений для монохроматичного світлового потоку. Однак на практиці на кювету з розчином зазвичай потрапляє немонохроматичне випромінювання. Зі збільшенням концентрації речовини в розчині сумарний молярний коефіцієнт поглинання поступово зменшується, що обумовлює від’ємні відхилення (рис. 1.9, крива 2).

Ступінь монохроматичності джерела залежить від ширини смуги випромінювання. Показано, що для більшості практичних задач (окрім вимірювання світлопоглинання дуже концентрованих розчинів) можна вважати джерело монохроматичним, якщо справджується умова Уолша:

ωджерела ≤0,5 а,

де ωджерела – напівширина смуги випромінювання джерела, а а – напівширина смуги поглинання, розрахована за формулою (1.4).

Відхилення залежності А=f(С) від прямолінійної можуть бути спричинені іншою інструментальною причиною – впливом розсіяного світла. Розсіяне світло є стороннім випромінюванням, що виникає в оптичній системі приладу внаслідок відбиття та розсіювання світла на поверхні лінз, дзеркал та інших оптичних деталей. Розсіяне світло включає в себе практично весь діапазон випромінюваних джерелом довжин хвиль і, накладаючись на випромінювання, що виходить з монохроматора, також потрапляє на зразок, спричиняючи від’ємні відхилення (рис. 1.9, крива 2). Частка розсіяного світла збільшується зі збільшенням ширини щілини монохроматора. Найбільш значним є вплив розсіяного світла в УФ-ділянці, де чутливість детектора зазвичай є значно меншою.

Хімічні причини відхилень пов’язані з хімічними реакціями, що супроводжують зміну концентрації речовин у розчині.

Відхилення від закону Бугера-Ламберта-Бера спостерігаються в системах, для яких характерне явище полімеризації. Так, наприклад, у розчинах органічних барвників при їх концентрації ≥10–4 моль/л зазвичай існують у рівновазі мономерна та димерна форми реагенту. Так, наприклад, для родаміну 6Ж максимум у спектрі поглинання димерної форми зсунутий гіпсохромно на 25 нм відносно максимуму мономерної форми (рис. 1.10). Зі збільшенням вмісту барвника у розчині мольна частка димерної форми зростає, а мономерної – зменшується. Тому при фотометруванні розчину при довжинах хвиль, що відповідають максимумам поглинання димеру (λ1) та мономеру (λ2), отримаємо відповідно додатне та від’ємне відхилення.

Від’ємні відхилення від основного закону світлопоглинання можуть бути спричинені руйнуванням забарвлених комплексних сполук невисокої стійкості при розбавленні розчину внаслідок збільшення ступеня дисоціації комплексів. В такому випадку відхилення спотворюють найбільш важливу для аналітичної практики початкову ділянку залежності (рис. 1.9, крива 3). Відхилення від закону Бугера- Ламберта-Бера будуть незначними лише у випадку застосування у практиці аналізу комплексних форм з К >105–106. Введення великого надлишку реагенту сприяє зміщенню рівноваги аналітичної реакції в бік утворення комплексу, прискорює

12

встановлення рівноваги в системах зі ступінчастим комплексоутворенням і, як наслідок, дозволяє уникнути спотворення лінійної градуювальної залежності.

A		а
	С3
		С1
	С2
	С1	С2
		С3
500	λ1	λ2	550 λ, нм

б
А	λ1
(+)
(-) λ2
С, М

Рис. 1.10. Спектри поглинання розчинів родаміну 6Ж в суміші пропіловий спиртСCl4 (а) та градуювальні залежності (б) при різних λ. С3>C2>C1, λ1=510 нм,

λ2=535 нм.

Закон адитивності оптичних густин. Якщо в розчині присутні водночас кілька речовин, що поглинають світло, і вони не взаємодіють між собою, або існують в стані рівноваги, оптична густина розчину, виміряна при певній довжині хвилі, дорівнює сумі парціальних оптичних густин (вкладів) кожної з цих речовин:

n
Aλ =ε1λ l C1 +ε2λ l C2 +...=l∑εіλ li Ci ,	(1.15)

i=1

де εіλ та Сі – молярний коефіцієнт поглинання та концентрація і-тої речовини

відповідно.

На рис. 1.11 наведено ілюстрацію до закону адитивності оптичних густин. Спектр розчину, що містить одночасно компоненти А та В з концентраціями СА та СВ відповідно, можна реєструвати приладом, або отримати розрахунковим шляхом. Для цього слід застосувати закон адитивності до спектрів розчинів окремих компонентів у тому ж розчиннику. Зі спектрів розчинів речовин А з СА (рис. 1.11, крива 1) та В з СВ (рис. 1.11, крива 1) визначають для кожної окремої довжини хвилі

(λ, нм) значення парціальних оптичних густин

речовин А ( ААλ ) та В ( АВλ ).Отримані значення

сумують за формулою: ААλ+В = ААλ + АВλ .

А		3
0.4	1
		2
0.2
250	300	350	400
		λ, нм
Рис. 1.11. Спектри поглинання
розчинів речовин А (1), В (2) та
їх суміші (3). С(А)1=С(А)3,
	С(В)2=С(В)3

				13
Графік	отриманої залежності	ААλ+В = f (λ, нм)	ідентичний	спектру
поглинання	розчину суміші речовин,	отриманому із	застосуванням	приладу

(рис. 1.11, крива 3). Закон адитивності покладено в основу спектрофотометричних досліджень багатокомпонентних систем.

1.1.3. Спектрофотометричні прилади

Інструментальні методи передбачають використання для вимірювання світлопоглинання зразків фотоелектричних приладів, а саме фотоелектроколориметрів (ФЕК), фотометрів (ФМ) та спектрофотометрів (СФ). В такому випадку можна проводити вимірювання, як у видимій, так і в УФта ІЧділянках спектру, а також автоматизувати методику.

Блок-схема приладу, що використовують для вимірювання світлопоглинання, включає шість основних елементів (рис. 1.12).

Джерело		Регулювання		Моно-		Дослід-		Детек-		Реє-
випромі-		інтенсивності		хромати-		жуваний		тування		стра-
нювання		світлового		зація		розчин				ція
1		потоку 2		3		4		5		6

Рис. 1.12. Блок-схема фотоелектричного приладу

Основними параметрами, що визначають якість фотоелектричного приладу, є

інтенсивність джерела випромінювання, ефективність монохроматизації світла та чутливість детектора.

Джерела випромінювання (рис. 1.12, блок 1) повинні давати безперервний спектр в якомога ширшій спектральній ділянці. В більшості випадків спектрофотометри обладнані двома окремими джерелами випромінювання – для УФта видимої ділянки спектру. Для випромінювання ЕМВ УФ-ділянки зазвичай використовують дейтерієві чи ксенонову лампи, які випромінюють світло у діапазоні довжин хвиль 180–400 та 190–750 відповідно. Джерелами випромінювання ЕМВ видимого діапазону є вольфрамові та галогенні лампи. Вольфрамові лампи дають безперервний спектр видимого діапазону, однак з метою вирівнювання його по енергії компенсують так званий тіньовий струм («0» на приладі). Перевагами галогенних ламп є більш широкий спектральний діапазон, вища інтенсивність випромінювання та довший термін експлуатації. В сучасних спектрофотометрах переключення джерел випромінювання при переході від УФдо видимої ділянки здійснюється автоматично. Перспективним джерелом монохроматичного випромінювання високої інтенсивності є лазар.

З метою регулювання інтенсивності світлового потоку на його шляху ставлять діафрагму, регульовану щілину або сірий фільтр (рис. 1.12, блок 2).

Блок монохроматизації світлового потоку (рис. 1.12, блок 3) спектрофотометра (СФ) та фотоелектроколориметра (ФЕК) принципово різняться. У найпростіших фотоелектричних приладах ФЕК виділення певної ділянки спектру здійснюють з використанням кольорових світлофільтрів, які дозволяють виділяти потік

14

випромінювання в межах досить вузького спектрального діапазону. Світлофільтри характеризуються певним спектром світлопропускання. Кількісною характеристикою якості світлофільтра є напівширина смуги пропускання (визначається за аналогією до напівширини смуги поглинання, див. рис. 1.3). Для хорошого світлофільтра вона не перевищує 20–30 нм. Підбирають світлофільтр так, щоб максимум його пропускання був близький до максимуму світлопоглинання розчину. На рис. 1.13 серед інших фотоелектричних приладів наведено, як приклад, фотоколориметр КФК-2МП, що має набір кольорових світлофільтрів.

Рис. 1.13. Фотоелектричні прилади для вимірювання світлопоглинання

Фотоколориметр	Фотометр КФК-3-01,	Спектрофотометри
КФК-2МП	Загорський оптико-	ЮНІКО-2100	UV-1800, Шимадзу
	механічний завод	(однопроменевий)	(двопроменевий)

Більш сучасні прилади фотометри та спектрофотометри (рис. 1.13) мають блоки монохроматизації, обладнані монохроматорами. Монохроматор є одним з найважливіших елементів спектрофотометра. Він призначений для розкладання ЕМВ, що випромінює джерело, у спектр та виділення з нього променів монохроматичного випромінювання з певною довжиною хвилі (0,1–2,0 нм). Монохроматор складається з системи щілин, диспергуючого елемента (дифракційна ґратка або призма), а також лінз та ввігнутих дзеркал для фокусування монохроматичного випромінювання. В сучасних спектрофотометрах як диспергуючий елемент в основному використовують дифракційні ґратки, оскільки для них дисперсія світлових променів не залежить від довжини хвилі. Для УФта видимої ділянки використовують ґратки з 1800–2400 та 600–1200 штрихів на мм.

Розчин аналіту поміщають	на шляху світлового потоку в кюветах
(рис. 1.12, блок 4) точно відомої	товщини (рис. 1.14). Для вимірювань в УФ-

діапазоні використовують кварцові кювети, для вимірювань у видимій ділянці спектру придатні також скляні та пластикові кювети. В стандартний набір скляних кювет до приладу входять по парі кювет з довжиною ℓ: 0,50; 1,0; 2,0; 3,0 та 5,0 см. Випускають також кювети з ℓ від 5 мкм до 10 см, та мікрокювети для аналізу невеликих об’ємів розчину (до 100 мкл). Кювети виготовляють з хімічно стійкого матеріалу. Кювети в приладі встановлюють у спеціальні тримачі (рис. 1.15), що знаходяться в середині вимірювальної камери та забезпечують точне та добре відтворюване положення зразка на шляху світлового потоку.

Частина світлового потоку, яка не поглинулась при проходженні крізь зразок, потрапляє на детектор (рис. 1.12, блок 5), де відбувається перетворення енергії електромагнітного випромінювання на електричну. Як детектори в різних типах

15

приладів використовують фотоелементи, фотопомножувачі, фоторезистори та фотодіоди.

	а		б
Рис. 1.14. Кювети для	Рис. 1.15. Кюветотримачі з кюветами для
спектрофотометричних вимірювань	однопроменевого	(а)	та двопроменевого
	(б) фотоелектричного		приладу

Фотоелемент перетворює світлову енергію в електричну. Фотони потрапляють на поверхню фоточутливого катода та вибивають з нього електрони. Ці електрони прискорюються у електричному полі між катодом та анодом, і в зовнішньому ланцюзі виникає струм. Спектральна чутливість фотокатода залежить від матеріалу, з якого він виготовлений. Як правило, фотокатод складається з трьох шарів: провідник (Ag), напівпровідник (біметалічний чи оксидний шар) та тонкий поглинаючий шар (лужний метал, найчастіше Cs). Фотокатод зі складом шарів Ag/сплав Cs-Sb/Cs («синій» фотокатод) чутливий до хвиль з λ≤650 нм. Для вимірювань у більш довгохвильовій ділянці спектру варто використовувати інший фотокатод Ag/Cs-О-Cs/Cs («червоний»). У більш старих приладах використовували селеновий (до 600 нм) та церієвий (700–800 нм) фотоелементи.

У сучасних дуже чутливих приладах як детектор використовують фото помножувач. Він складається з ряду додаткових діодів, на яких множаться вибиті з катода електрони. В результаті досягається багатократне збільшення сили струму (до 108 разів).

Далі електричний сигнал потрапляє на датчик (рис. 1.12, блок 6), яким може слугувати гальванометр, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) або самописець (зручний для реєстрації спектру). Сучасні спектрофотометри мають вихід на комп’ютер та укомплектовані програмним забезпеченням, що значно спрощує та полегшує обробку даних.

Послаблення інтенсивності світлового потоку, що пройшов крізь досліджуваний розчин, порівнюють з інтенсивністю такого ж потоку, що пройшов крізь „розчин порівняння”. У однопроменевих приладах кювети з розчинами розміщують на шляху світлового потоку по черзі шляхом переміщення кюветотримача всередині кюветного відділення. Однак, значно кращі характеристики мають двопроменеві фотоелектричні прилади. На рис. 1.16 наведено принципову схему такого приладу. У оптичній частині спектрофотометра світловий потік розподіляється системою дзеркал у двох напрямках. Один промінь проходить через кювету з досліджуваним розчином (4), інший - через аналогічну кювету з „розчином порівняння” (4'), який не містить визначуваного компонента. В

16

кюветному відділенні двопроменевого приладу кювети закріплені в статично розташованому кюветотримачі (рис. 1.15 б).

								1
5’														5
		4’				3’			2	3	4
								2’

6

Рис. 1.16. Принципова схема двопроменевого фотоелектричного приладу. 1 – джерело ЕМВ, 2,2' – щілина, 3 – монохроматор (світлофільтр), 4,4' – досліджуваний розчин у кюветі, 5,5' – детектор, 6 – датчик.

Застосування такої схеми вимірювання оптичної густини досліджуваного розчину дозволяє отримати стабільні та добре відтворювані результати. На рис. 1.13 наведено фотографію сучасного двопроменевого спектрофотометра UV-1800 (Шимадзу).

1.1.4. Розрахунок вмісту аналіту

Для визначення концентрації аналіту в досліджуваному розчині за результатами його фотометрування використовують кілька способів.

Метод градуювального графіка є одним з кращих та найбільш застосовних у фотометрії методів визначення концентрації. Для побудови градуювального графіка готують серію розчинів, що містить різну кількість визначуваного компоненту та однакову кількість всіх необхідних реактивів. Інколи розчини витримують певний час для більш повного розвитку забарвлення та вимірюють оптичну густину А при певній λ, нм (λопт) у випадку СФ або при ефективній довжині хвилі (λеф) у випадку ФЕКу.

Результати спектрофотометричного визначення аналіту залежать від правильності вибору робочої довжини хвилі та товщини поглинаючого шару. Робочою довжиною хвилі найчастіше обирають ту, при якій поглинання забарвленого продукту реакції є максимальним (λmax). Однак, якщо при цій довжині хвилі поглинає реагент або присутні в розчині домішки, за робочу обирають ту довжину хвилі, при якій різниця поглинання продукту та реагенту є найбільшою. Якщо вимірювання проводять із застосуванням ФЕКу, слід обрати світлофільтр з максимумом пропускання, найближчим до λmax аналіту.

Вимірювання проводять проти розчину порівняння. Як розчин порівняння використовують розчин, що містить всі компоненти, окрім визначуваного. У такому випадку за результатами вимірювань будують залежність А=f(C), де С – вміст визначуваного компонента (в моль/л, мг/л тощо). Для визначення компоненту в досліджуваному розчині відбирають у мірну колбу його аліквотну частину, додають

17

необхідні реагенти, як при побудові градуювального графіка, створюють оптимальне рН розчину, витримують певний час для розвитку забарвлення та вимірюють оптичну густину розчину за аналогічних умов. З графічної залежності знаходять концентрацію компоненту, що відповідає виміряній оптичній густині розчину, та перераховують на вміст його в зразку.

Однією з найважливіших вимог до розчину порівняння є його стійкість у часі. Однак у випадку використання летких розчинників органічної природи або нестійких у часі реагентів оптична густина розчину порівняння змінюється в часі через випаровування розчинника чи руйнування реагенту. В такому випадку як розчин порівняння використовують чистий розчинник. Будують залежність ∆А=f(C), де С – вміст визначуваного компонента (в моль/л, мг/л тощо), де ∆А=Аі–А0, а Аі та А0 – оптичні густини і-го розчину та розчину, що містить всі компоненти, окрім визначуваного, виміряні проти чистого розчинника. У такому випадку градуювальний графік буде виходити з “0”.

Метод добавок використовують для визначення концентрації аналіту в зразку в тому випадку, коли приготування стандартних розчинів серії, близьких за складом до аналізованого є неможливим. В такому разі доводиться фотометрувати два розчини. В одну мірну колбу вносять аліквотну частину досліджуваного розчину, в іншу – аліквотну частину досліджуваного розчину та добавку стандартного розчину визначуваного компоненту. До обох розчинів додають всі необхідні реагенти, створюють оптимальні умови утворення забарвленої сполуки, доводять до риски, витримують певний час для розвитку забарвлення та фотометрують. Концентрацію визначуваного компонента можна розрахувати зі значень оптичних густин обох розчинів у такий спосіб:

Ax =ε Cх

l;

Ax+доб = ε (Cx

+Сдоб ) l;

Ах

=

ε Сх l

=

Сх

;

А

ε (С

х

+С

доб

) l

С

х

+С

x+доб

доб

Сх =

Сдоб Ах

,

(1.17)

А

− А

х+доб

х

де Ах та Сх – відповідно оптична густина та концентрація розчину без добавки, Ах+доб – оптична густина розчину з добавкою; Сдоб – концентрація добавки, розрахована за формулою: Сдоб = Ссm·Vсm/Vзаг, де Ссm – концентрація стандартного розчину, Vсm– об’єм доданого стандартного розчину, Vзаг– загальний об’єм розчину (об’єм мірної колби). Вміст аналіту в досліджуваному розчині знаходять з врахуванням розбавлення, помножаючи знайдене за формулою (1.17) значення на множник Vзаг/Vал, де Vал – об’єм взятої для аналізу аліквотної частини досліджуваного розчину. Зазвичай проводять декілька паралельних визначень

18

(готують та фотометрують кілька розчинів) та обробляють результати розрахунків статистично.

Розрахунок концентрації за молярним коефіцієнтом світлопоглинання.

Концентрацію забарвленої сполуки можна розрахувати безпосередньо за законом Бугера-Ламберта-Бера (1.7) з результатів вимірювання оптичної густини її розчину, якщо відоме значення молярного коефіцієнта поглинання. Метод придатний лише у випадку використання як приладу спектрофотометра та за умов, що світлопоглинання розчину визначуваного компоненту в даному концентраційному діапазоні строго підкоряється закону Бугера-Ламберта-Бера. Оскільки значення молярного коефіцієнта поглинання ε залежить від λ, нм та розчинника, його попередньо розраховують за результатами вимірювання оптичних густин стандартних розчинів за тих самих умов. Обмеженням даного способу розрахунку концентрацій є неможливість його застосування до складних систем, що містять кілька забарвлених компонентів (наприклад, забарвлені реагент та його комплекс). Натомість, такий спосіб розрахунку знайшов застосування при визначенні речовин за власним поглинанням (наприклад, концентрації органічних реагентів у їх розбавлених розчинах).

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1.Наведіть загальну схему взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням (ЕМВ). Які процеси можна пояснити, виходячи з хвильової природи ЕМВ, а які – виходячи з корпускулярної?

2.Рівняння Планка.

3.Дайте визначення довжини хвилі та частоти, хвильового числа. Які розмірності мають ці фізичні величини? Як пов’язані вони між собою?

4.Зобразіть схематично спектр поглинання забарвленої сполуки з одним центром поглинання. Нанесіть на графік основні характеристики смуги поглинання речовини в розчині (напівширина смуги поглинання а та λmax).

5.Електромагнітні хвилі якого діапазону називають видимим світлом? На які основні спектральні ділянки розкладається видиме світло при проходженні крізь призму?

6.Наведіть схематично, як взаємодіють зі світлом чорне та біле (прозорі й непрозорі) тіла.

7.Поясніть причину червоного (синього) забарвлення розчину та непрозорого тіла.

8.Поясність терміни: додатковий колір, поглиблення кольору, підвищення кольору.

19

1.2.ХРОМОФОРНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН РІЗНОЇ ПРИРОДИ

1.2.1.Електронні переходи в молекулі та поглинання нею електромагнітного випромінювання

Воснову спектрофотометричних методів ідентифікації та визначення речовин покладено взаємозв’язок між положенням та інтенсивністю смуг поглинання ЕМВ з однієї сторони, та будовою молекули – з іншої. Електронні спектри характеризують енергетичні переходи молекул речовин (в тому числі σ та π-електронів, а також n- електронів неподілених електронних пар) внаслідок поглинання ЕМВ в УФта видимій спектральних ділянках. Кількість смуг поглинання, їх положення у спектрі,

атакож інтенсивність та форма є носіями якісної та кількісної інформації про речовину.

Вигляд спектра поглинання речовини залежать від енергії випромінювання, що поглинуте. При поглинанні ІЧ-світла змінюється обертальний та коливальний стани молекули. В ІЧ-спектрах зазвичай спостерігаються досить вузькі смуги, що використовуються для ідентифікації функціональних та інших структурних груп.

Речовини, здатні поглинати світло видимої ділянки спектру та ділянки

ближнього ультрафіолету (λ÷200-800 нм), мають хромофорні властивості. Відомо, що електрони зовнішнього електронного рівнів обумовлюють реакційну здатність елемента та впливають на забарвлення його сполук.

Молекула характеризується сукупністю молекулярних та атомних орбіталей, деякі з яких заселені електронами, а інші є вакантними. Орбіталі з однаковою енергією є виродженими. Електронний стан молекули характеризується мультиплетністю та орбітальним моментом. Якщо в молекулі всі електрони спарені і спіни їх антипаралельні – такий стан називають синглетним. Якщо електрони в молекулі не спарені й спіни їх паралельні, то такий стан називають триплетним, квартетним і т.д. залежно від кількості неспарених електронів.

По симетрії молекулярні орбіталі (МО) поділяються на дві групи – σ- та π- орбіталі. Перші (σ-орбіталі) – симетричні, а інші (π-орбіталі) – антисиметричні відносно осі, що з’єднує атоми.

Атомними орбіталями (АО) є ns, np, nd та nf орбіталі. Їх ще називають n- орбіталями.

При опроміненні молекули переходять у збуджений стан внаслідок електронних переходів між заселеними та вакантними АО та МО. Можна виділити наступні електронні переходи: σ-σ*, π-π*, n-σ*, n-π* (рис. 1.17).

Для електронних переходів у молекулі відомі правила відбору:

1.Забороненими є електронні переходи, що супроводжуються збудженням більше, ніж одного електрона.

2.Забороненими є електронні переходи між станами різної мультиплетності, наприклад, синглет-триплетний перехід.

3.За наявності у молекулі центра симетрії забороненими є електронні переходи між термами однієї й тієї ж електронної конфігурації, наприклад, переходи з однієї на іншу d-орбіталь.

20

Е

σ* (розрихляюча) π* (розрихляюча)

n (незв’язуюча) π (зв’язуюча) σ (зв’язуюча)

Рис. 1.17. Можливі електронні переходи в молекулі.

Інтенсивність смуги поглинання прийнято характеризувати величиною коефіцієнта молярного поглинання в точці максимуму (εmax). Смуги поглинання дозволених електронних переходів характеризуються εmax÷103–105. Інтенсивність

смуги поглинання тим більша, чим більша зміна полярності зв’язків при переході молекули з основного у збуджений стан.

Впливи замісників чи розчинника можуть призвести до зсуву смуги поглинання в область більш довгих довжин хвиль (батохромний зсув) чи менш довгих (гіпсохромний зсув). Збільшення чи зменшення інтенсивності смуги поглинання називають гіперхромним та гіпохромним ефектами відповідно.

Хромофорні властивості металів

Причиною забарвлення комплексів перехідних металів є d-d-переходи. Елементи з порядковими номерами менше 22 не мають d-електронів і тому не можуть мати хромофорних властивостей. Для таких елементів не характерно утворення забарвлених сполук внаслідок взаємодії з незабарвленими лігандами. Для елементів з порядковими номерами >22 забарвлені комплексні сполуки з незабарвленими лігандами, навпаки, є дуже поширеними.

Пояснити наявність чи відсутність у іонів металів хромофорних властивостей

можна, виходячи з будови електронної оболонки катіона. Так, іони

Cu+ ([Ar]3s23p63d10) та Zn2+ ([Ar]3s23p63d10) мають стійку 18-електронну систему, а

іон Cu2+ ([Ar]3s23p63d9) – один неспарений d-електрон. Солі Cu(II) на відміну від солей Cu(I), забарвлені. Отже, хромофорні властивості мають лише елементи з не повністю заповненими d-орбіталями. Відповідно, утворення забарвлених комплексів із безбарвними лігандами характерне для Cu(ІІ) і не характерне для

Zn(ІІ) та Cu(І).

d-Оболонка атома перехідного металу є п’ятикратно виродженою (має п’ять енергетично еквівалентних електронних рівнів). Електрон може перейти з однієї на іншу орбіталь без поглинання чи випромінювання енергії. Однак, відомо, що іони в водному розчині існують у формі аквакомплексів. В комплексах під дією поля лігандів, що оточують центральний іон, п’ятикратно вироджені d-орбіталі розщеплюються на групи з різними енергіями. Переходи з однієї групи орбіталей на іншу можуть відбуватись виключно з поглинанням енергії. Величина енергії розщеплення і визначає забарвлення комплексу.

21

Енергія розщеплення d-орбіталей ∆ залежить від природи ліганду та симетрії комплексу. У випадку одного і того ж центрального іона величина розщеплення ∆ збільшується зі збільшенням сили поля лігандів відповідно до спектрохімічного ряду лігандів:

CN– > NO2– > NH3 > SCN– > H2O > F– > CH3COO– > Cl– > Br– > I– .

Вплив симетрії комплексу на стан d-орбіталей атома перехідного металу ілюструє рис. 1.18. У випадку тетраедричного оточення група орбіталей dxy, dxz, dzy (t2g) має вищу енергію, ніж група dz2, dx2-y2 (eg), а у випадку октаедричного – навпаки, нижчу. Наслідком цього є те, що при збільшенні вмісту ліганду від 4 до 6 в комплексі зростає величина ∆, а отже зменшується довжина хвилі поглинутого ЕМВ, що відповідає гіпсохромному зсуву максимуму.

2 (e

)

dx 2

− y 2

d

2 ,d 2

−y

g

z

x

d

,d

,d

(t2g )

xy

yx

zx

3

5

∆

d z

2

d ∆

			2		5	∆			d xy
dz 2		, dx2 −y2 (e g )						d xy , d yz
			dxy,dyz,dxz
				(t2 g )

Правильне Тетрагональне Правильне октаедричне біпірамідальне

тетраедричне

d x 2 − y 2

d xy

d z 2

d xy , d yz

Плоске

квадратне

Рис. 1.18. Розщеплення енергетичних рівнів d- електронів в комплексах різної просторової будови

d-d-Переходи є забороненими правилами відбору. Причину їх існування в спектрах комплексів перехідних елементів пояснюють тим, що переходи відбуваються зі змішаних d- та p-орбіталей (d,p-орбіталей) на p-орбіталі. Такі переходи дозволені. Втім, інтенсивність смуг поглинання в спектрах, що відповідають d-d-переходам, зазвичай низькаіхарактеризується εmax÷1–100 л.моль-1.см-1.

При взаємодії іонів металів з безбарвними лігандами часто утворюються досить інтенсивно забарвлені комплексні сполуки з широкими смугами поглинання, що характеризуються значно вищими, ніж смуги d-d-переходів, молярними коефіцієнтами світлопоглинання εmax÷102–103 л.моль–1.см–1. Смуги такого типу називають смугами переносу заряду. Їх існування у спектрах сполук пояснюють

22

переносом електрона з молекули-донора, на вакантну орбіталь молекули-акцептора. Можливі переходи електрону безпосередньо з орбіталей, локалізованих переважно на ліганді, на d-орбіталі, локалізовані переважно на атомі металу, чи навпаки – з орбіталей металу на орбіталі ліганду.

Прикладом комплексів, що мають у спектрі смуги переносу заряду з ліганду на метал є комплекси Cо(ІІ) чи Fe(ІІІ) з тіоціанатом (Со(SCN)42–, Fe(SCN)3), а також комплекси Fe(ІІІ) з саліцилат- (1.18) та тартрат-йонами (1.19).

2+

		2-	O
			C	O-	N
C	O
			HC	OH	Fe
	O		HC	OH	N
O			C	O-	3
			O
(1.18)			(1.19)		(1.20)

Забарвлення комплексів Fe(IІІ) з саліцилати-іонами залежить від кількості лігандів. Комплекс найпростішої стехіометрії утворюється в кислому середовищі і має фіолетове забарвлення. В лужному середовищі утворюється комплекс вищої стехіометрії. Він забарвлений у жовтий колір. Збільшення кількості лігандів у складі комплексу супроводжується гіпсохромним зсувом максимуму в його спектрі. Комплекси подібної будови Fe(III) утворює і з тартратом. Однак вони забарвлені менш інтенсивно, що пояснюється відсутністю в ліганді супряженої π-системи.

Інтенсивні смуги в спектрах поглинання аніонів MnO4–, CrO42–, MoO42–, VO43– тощо пояснюють переходом електрона з загальної МО лігандів (О2-) на орбіталь, локалізовану на атомі металу.

Фенантролін (Phen) утворює комплекси з катіонами багатьох елементів, однак, забарвлені вони лише у випадку іонів, що мають хромофорні властивості. Найбільш інтенсивно забарвленим є комплекс Fe(Phen3)2+ (трисфенантролінферум (ІІ)) (1.20). Високі молярні коефіцієнти поглинання сполук такого типу пояснюють перенесенням електрону з центрального атома на систему ароматичних кілець.

Такі комплекси займають положення, перехідне до групи забарвлених сполук, утворених забарвленими лігандами.

Хромофорні властивості органічних реагентів

Для фотометричного визначення елементів, що не мають хромофорних властивостей, застосовують забарвлені органічні реагенти. Утворені за участі таких реагентів комплексні сполуки характеризуються смугами поглинання, що обумовлені головним чином електронними переходами в межах молекул лігандів.

Здатність органічних молекул поглинати світло в діапазоні довжин хвиль λ=200–1000 нм обумовлена особливостями будови їх молекул. Насичені вуглеводні та, речовини органічної природи, що містять алкільні, спиртові та етерні групи (сполуки з виключно σ-зв’язками) не поглинають ЕМВ з λ.>200 нм. Тому, вони є зручними розчинниками і широко використовуються для досліджень у даній спектральній ділянці.

23

Хромофором в молекулі органічного реагенту називають ізольовану функціональну групу (не спряжену з іншою групою), яка поглинає характеристичне випромінювання в УФ та видимій ділянці спектру (рис. 1.19). Здатність поглинати ЕМВ обумовлена наявністю в хромофорних групах кратних зв’язків.

Вакуумний		Ближній		Видима область
УФ		УФ
		n-π*		Спряжені групи
		n-π*	Ізольовані групи
		π-π*		Спряжені групи
	π-π*
	π-π*		Ізольовані π-зв’язки
	n-σ*
	σ-σ*
100	200	300	400	500	600	700	800

Хромофорні групи

Карбонільна =С=О Етиленова =С=С= Азогрупа –N=N– Нітрозогрупа –N=O Ацетогрупа –C≡C– Нітрильна –C≡N Тіонна група =C=S

λ, нм

Рис. 1.19. Області поглинання структурних елементів (хромофорів) органічних молекул, що відповідають електронним переходам різних типів

У молекулах речовин з π-системою легко збуджуються π-π*-переходи. Положення та інтенсивність смуги поглинання залежить від розташування хромофорних груп у молекулі. У випадку наявності у молекулі спряженої π-системи

положення та інтенсивність відповідних смуг поглинання залежать від довжини ланцюга спряження. Чим довший ланцюг, тим більший батохромний зсув (табл. 1.3) та вищий молярний коефіцієнт поглинання.

Таблиця 1.3. Положення смуг поглинання в спектрах полієнів

	Назва	Формула	Число подвійних	λmax,
	вуглеводня		зв’язків	нм
	Бутадієн	СН2=СН–СН=СН2	2	217
	Гексатрієн	СН2=СН–СН=СН–СН=СН2	3	260
	Октатетраєн	СН2=СН–(СН=СН)2–СН=СН2	4	302
	β-Каротин	СН2=СН–(СН=СН)9–СН=СН2	11	451

Якщо до складу ненасиченої молекули входять ще й гетероатоми, то в її спектрі окрім смуг, обумовлених π-π*-переходами, наявні також смуги n-π*- переходів. Зазвичай, ці смуги знаходяться у довгохвильовій ділянці спектру. Однак, подовження ланцюга спряження у ненасичених молекулах з гетероатомами порізному впливає на положення смуг π-π*- та n-π*-переходів, зумовлюючи значний батохромний зсув смуги π-π*-переходу, та незначний батохромний зсув смуги n-π*- переходу. Тому, при досягненні певної довжини ланцюга спряження смуга π-π*- переходу перекриває смугу n-π*-переходу. При віднесенні смуги до π-π*- чи n-π*- переходу слід зважати на її інтенсивність та чутливість до зміни розчинників.

24

Смуги π-π*- та n-π*-переходів мають суттєво різну інтенсивність. Для π-π*-

переходів εmax становить 104 (дозволені) чи 102 – n.103 (заборонені) л.моль-1.см-1. Для n-π*-переходів εmax становить від n.1 до n.100 л.моль-1.см-1 (від одиниць до сотень). Низька інтенсивність останніх пояснюється тим, що n-π*-переходи є забороненими по симетрії.

Ауксохромами в молекулі органічної сполуки називають групи, які самі не поглинають ЕМВ з λ>200 нм, однак при включенні в хромофорну систему

спричиняють значний батохромний зсув максимуму та суттєве
збільшення ε. Приклади таких груп наведені в рамці праворуч.			Ауксохроми
Ауксохромний ефект обумовлений		наявністю у заміснику вільної	– ОН
електронної пари або π-системи. Наведений на рис. 1.20 приклад			–ОR
			–NH2
ілюструє ауксохромний ефект. Введення у молекулу бензолу замісника,			–NHR
що має неподілену елекронну пару (аміногрупи), викликає значний			–NR2
батохромний зсув	максимуму (на	25 нм) в спектрі поглинання та	–SH
зростання (≈ у 5	разів) молярного	коефіцієнта поглинання аніліну	–Hal

порівняно з бензолом. В кислому середовищі внаслідок протонування атома нітрогену замісник ″втрачає″ вільну лектронну пару, що супроводжується

гіпсохромним зсувом λmax (на 25 нм) та значним зменшенням величини ε. Як видно з рис. 1.20, ці параметри для іону анілінію практично такі самі, як і для бензолу.

А	2	Формула	λmax,	ε,
		речовини	нм	л.моль-1.см-1
			255	230
	1,3		280	1430
		NH2
	λ, нм		255	230

Рис. 1.20. Ауксохромний вплив.	NH3+

Хромофорні властивості більшості органічних фотометричних реагентів обумовлені наявністю в їхніх молекулах системи спряження. Форма спектру та інтенсивність смуг у ньому залежать також від геометрії молекули та просторового розміщення у ній замісників. Як правило, більш високі інтенсивності та довші довжини хвиль характерні для транс-ізомерів, оскільки в них з огляду на просторові причини ступінь спряження π-електронів вище, ніж у цис-ізомерів.

На хромофорні властивості органічних фотометричних реагентів, зокрема положення максимуму в спектрі поглинання та величину молярного коефіцієнта поглинання, чинять вплив процеси іонізації молекули реагенту та комплексоутворення за його участю.

25

Більшість органічних фотометричних реагентів є слабкими багато основними кислотами або основами. Тому при зміні рН розчину відбувається іонізація органічних молекул, що визиває деформацію електронної структури молекули та перерозподіл зарядів. Наслідком такого процесу є зміна хромофорних властивостей реагенту.

1.2.2. Спектрофотометричні характеристики аналітичних реагентів

Однією з найбільш важливих характеристик фотометричного реагенту є контрастність реакції за його участю. Кількісно контрастність реакції реагенту характеризується величиною:

∆λ = λmaxMR – λmaxR.

(1.21).

Розглянемо як приклад два спектрофотометричні реагенти R та L, що утворюють забарвлені комплексні сполуки з катіоном металу М (рис. 1.21), причому реагент L характеризується більшою контрастністю фотометричної реакції, порівняно з реагентом R.

ε				ε
MR	MR		ε			ML
ελ				ML
			λ
R					L
∆ε1
ε R		∆ε2
λ
			ε	L
∆λ		λ, нм	λ		∆λ	λ, нм

Рис. 1.21. Спектри поглинання розчинів реагентів (R та L) та їх комплексів з металом М.

У першому випадку смуги поглинання реагенту та комплексу суттєво перекриваються, тому λmaxMR та λmaxR є близькими. Зазвичай спектрофотометричну реакцію проводять у присутності надлишку реагенту, що сприяє зміщенню рівноваги аналітичної реакції в бік утворення забарвленої аналітичної форми, а вимірювання проводять при довжині хвилі, близькій до λmaxMR. З рис. 1.21 видно, що реагент суттєво поглинає при аналітичній довжині хвилі. Ситуація ускладнюється тим, що реагент є у значному надлишку.

Для реагенту L перекривання смуг поглинання реагенту та комплексу є значно меншими і величина ∆λ є більшою. А отже, поглинання надлишку реагенту буде не таким суттєвим і чутливість реакції буде вищою. Напівширина смуг поглинання органічних фотометричних реагентів зазвичай становить а ÷ 50–100 нм.

26

Ступінь накладання смуг комплексу і реагенту в максимумі поглинання комплексу λmaxMR (AMR/AR) задовільно характеризує величина:

ελMR/ελR,

де ελMR та ελR – молярні коефіцієнти поглинання комплексу та реагенту відповідно в максимумі поглинання комплексу (рис. 1.21). Якщо ступінь накладання смуг комплексу та реагенту значний, то чутливість фотометричного реагенту

характеризують величиною:

∆ελ=ελMR–ελR.

Світлопоглинання розчинів комплексів вимірюють проти розчину порівняння, що містить всі компоненти, окрім визначуваного. Оптична густина, згідно закону Бугера-Ламберта-Бера, прямо пропорційно залежить від величини ∆ελ=ελMR–ελR. Чим більшою ∆ελ характеризується реагент, тим більшим є тангенс кута нахилу градуювальної залежності, і тим ліпшою є чутливість фотометричної реакції.

Отже чутливість спектрофотометричної методики тим вища, чим більша контрастність реакції і вищий молярний коефіцієнт поглинання фотометричного реагенту.

Запитання для самоконтролю

1.Поясність терміни: батохромний зсув, гіпсохромний зсув, гіперхромний та гіпохромний ефекти.

2.Чим обумовлені хромофорні властивості металів?

3.Які електронні переходи обумовлюють забарвлення комплексів перехідних металів із безбарвними лігандами.

4.Від чого залежить енергія розщеплення d-орбіталей (∆) атома перехідного металу

укомплексі?

5.Поставте ліганди у порядку збільшення сили поля лігандів у випадку одного і

того ж центрального атома у комплексі: F-, CH3COO-, Br-, Cl-, NO2-, CN-, NH3, SCN-, NH2CH2CH2 NH2, H2O, I-.

6.Зобразіть схематично розщеплення d-орбіталі атома перехідного металу, що утворює комплекс октаедричної будови.

7.Зобразіть схематично розщеплення d-орбіталі атома перехідного металу, що утворює комплекс тетраедричної будови.

8.Інтенсивність смуги поглинання дозволених та заборонених електронних переходів.

9.Поясніть наявність хромофорних властивостей у комплексу Co(H2O)63+ та їх відсутність у Zn(H2O)62+. Чи характеризується поглинання комплексів такого типу високими молярними коефіцієнтами світлопоглинання? Відповідь аргументуйте.

10.Поясніть хромофорні властивості комплексів V(V) та Ti(IV) з H2O2.

11.Чим обумовлено хромофорні властивості комплексу молібдену (V) з тіоціанатом?

27

1.3. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ РЕЧОВИН РІЗНОЇ ПРИРОДИ

Фотометричний аналіз широко застосовується для визначення мікрокількостей компонентів у складних об’єктах. В основу будь-якої спектрофотометричної методики покладено вимірювання або власного світлопоглинання визначуваним компонентом ЕМВ УФ чи видимого діапазону, або світлопоглинання його сполуки з неорганічним чи органічним реагентом. Відповідно до цього методики спектрофотометричного визначення умовно поділяють дві групи: без застосування (так звані безреагентні) та із застосуванням фотометричних реагентів. В першому випадку немає потреби в проведенні аналітичної реакції, а фотометрують визначуваний компонент, що має хромофорні властивості. У такий спосіб визначають ряд елементів у формі оксоаніонів, зокрема Mn(VII) у формі MnO4– та Cr(VI) у формі CrO4– та Cr2O72– у лужному та кислому середовищах відповідно. До безреагентних відносять також методики визначення деяких перехідних металів, як от Cu(ІІ), Co(ІІ), Ni(ІІ) тощо, у формі аквакомплексів. Основною перевагою вказаних методик є простота виконання. До недоліків слід віднести (за деякими виключеннями) невисоку чутливість визначення через низькі молярні коефіцієнти поглинання аналітичної форми (εmax~n·103 л.см–1.моль–1, де n÷0,01–1).

В другому випадку визначуваний компонент попередньо переводять у форму, що активно поглинає світло і тому характеризується високими молярними коефіцієнтами поглинання. З цією метою використовують аналітичні реакції різних типів, зокрема реакції комплексоутворення, окиснення-відновлення, синтезу органічних сполук, руйнування забарвлених сполук тощо. Аналітичні реакції, що застосовуються у спектрофотометрії, мають відповідати таким вимогам:

-взаємодія має проходити досить швидко за звичайних умов (за кімнатної температури) чи при незначному нагріванні;

-забарвлення утвореного продукту має відрізнятися від забарвлення вихідних компонентів;

-аналітична реакція має супроводжуватися якомога повнішим перетворенням досліджуваного компонента в аналітичну форму;

-утворена сполука має бути якомога стабільнішою у часі.

З метою більш повного перетворення визначуваного компонента в аналітичну форму індикаторну реакцію зазвичай проводять за присутності надлишку реагенту за оптимальних умов (кислотність, температура та час). Оптимальне рН у реакційній суміші зазвичай створюють додаванням до розчину, що вже містить надлишок реагенту, буферного розчину. За таких умов вплив, наприклад, гідролізу на проходження індикаторної реакції при визначенні перехідних металів є мінімальним.

Основні типи реакцій, що використовуються для спектрофотометричного визначення аналітів неорганічної та органічної природи наведено в таблиці 1.4.

28

Таблиця 1.4. Основні типи реакцій, що застосовуються для фотометричного визначення аналітів різної природи

Типи аналітичних реакцій для визначення

	Металів		Неметалів		Органічних сполук
1.	Утворення	1.	Конкурентні;	1.	Синтезу забарвлених
	одноріднолігандних КС	2.	Утворення КС:		сполук;
	з неорганічними та	3.	Окисно-відновні;	2.	Утворення КС;
	органічними лігандами;	4.	Кислотно-основні;	3.	Окисно-відновні.
2.	Утворення	5.	Синтезу органічних
	різнолігандних КС (ІА);	барвників.
3.	Окисно-відновні.

КС – комплексні сполуки, ІА – іонні асоціати

З табл. 1.4 видно, що для визначення аналітів різної природи запропоновано величезний асортимент аналітичних реакцій, які було покладено в основу методик спектрофотометричного визначення майже всіх елементів Періодичної таблиці та їх сполук, а також органічних речовин. Методики придатні для визначення мікрокомпонентів у різноманітних об’єктах, зокрема в об’єктах довкілля, харчових продуктах, ліках тощо.

1.3.1. Визначення металів

При спектрофотометричному визначенні металів використовують реакції утворення інтенсивно забарвлених комплексних сполук різних типів. Високі молярні коефіцієнти світлопоглинання таких аналітичних форм обумовлюють задовільну чутливість спектрофотометричних методик.

Комплексоутворення за участю лігандів неорганічної природи широко використовується для отримання забарвлених аналітичних форм. Так, в основу методик визначення Fe, Co, Mo, W та Bi покладено реакцію утворення забарвлених комплексів з SCN– та галогенід-іонами.

У помірно кислому водному розчині (0,05–0,2 моль/л H2SO4) в присутності надміру тіоціанат-іонів Fe(ІІІ) утворює забарвлені у червоний колір комплексні сполуки різної стехіометрії:

Fe3+ + n SCN– [Fe(SCN)n3-n],

де n÷1–3. Максимум у спектрі поглинання знаходиться в діапазоні 470–530 нм. Визначенню заважають флуориди, цитрати, оксалати, фосфати та метали, що утворюють комплекси з тіоціанат-іонами.

Для визначення молібдену широко застосовують реакцію утворення забарвленого в червоно-помаранчевий колір комплексу молібдену, що відбувається в кислому середовищі в присутності відновників:

29

МоО22+ + 2Н+ + 5SCN– +1 ē [МоО(SCN)52–]+ Н2О.

Fe(ІІІ) за цих умов відновлюється до Fe2+, який не заважає визначенню молібдену. Фотометрують водний розчин або екстракт в органічному розчиннику. В максимумі поглинання екстракту, наприклад, у ізоаміловому спирті ε470=1,6.104 моль.л–1.см–1.

Для визначення Ві(ІІІ) використовують реакцію утворення в кислому середовищі (0,4–4,0 моль/л H2SO4) забарвленого в жовто-помаранчевий колір (λmax=465 нм, ε465=9,1.103 моль.л–1.см–1) комплексу:

Bi3+ + 4 I- [BiI4]–.

Реакцію проводять у присутності аскорбінової кислоти. Визначенню Ві(ІІІ) в такий спосіб заважають Sb(III), Cu(II), Ag(I).

Перехідні елементи, зокрема Cu(ІІ), Ni(ІІ) та Со(ІІІ), визначають також у формі комплексів з амоніаком. Комплексні форми [Cu(NH3)6]2+ та [Ni(NH3)6]2+ забарвлені у

синій, а [Cо(NH3)6]3+ – у червоний колір. Молярні коефіцієнти поглинання невисокі (для [Cu(NH3)6]2+ ε610=1,0.102 л.см–1.моль–1), що зумовлює невисоку чутливість їх

визначення.

Для спектрофотометричного визначення ряду елементів використовують їх комплекси з H2O2, які утворюються в кислому середовищі в присутності надлишку пероксиду. Так, наприклад, в основу методики визначення Ti(IV) покладено реакцію утворення жовтого (λmax=410 нм, ε410=7.102 моль.л–1.см–1) комплексу:

TiO2+ + H2O2 [TiO(H2O2)] 2+.

Заважають визначенню тартрат та оксалат, а також V(V).

Методики спектрофотометричного визначення металів у формі комплексів з лігандами неорганічної природи є простими у виконанні, однак мають суттєвий недолік – недостатню чутливість, обумовлену відносно невисокими молярними коефіцієнтами поглинання комплексних форм та їх невисокою стійкістю. Одним зі способів поліпшення чутливості методик такого типу є застосування екстракційного концентрування розчинниками різних типів самих комплексних форм або їхніх іонних асоціатів з гідрофобними органічними протийонами, які відносять до різнолігандних комплексів. Так Кобальт можна визначати, фотометруючи забарвлений у блакитний колір (λmax=620 нм, ε620=1,9.103 моль.л–1.см– 1) іонний асоціат, що екстрагується органічним розчинником (наприклад, ізоаміловим спиртом) у присутності надлишку тіоціанату та солі амонію згідно з рівнянням:

Со2+ + 4 SCN– + 2NН4+ (NН4+)2[Со(SCN)42–].

Визначенню заважає Fe3+, який маскують флуоридом або відновлюють аскорбіновою кислотою.

Реакцій комплексоутворення за участю лігандів органічної природи

характеризують вищими чутливістю та контрастністю порівняно з реакціями з неорганічними лігандами. Нижче розглянуто найважливіші групи органічних регентів, що знайшли широке застосування у практиці спектрофотометричного

30

аналізу (у формулах комплексних сполук органічних реагентів координаційну сферу металу зображено схематично).

Хелатоутворюючі органічні ліганди, що містять один або кілька донорних атомів (О, N, S або їх комбінацію) – найбільша група органічних спектрофотометричних реагентів, що утворюють стійкі та інтенсивно забарвлені

комплексні сполуки хелатного типу.

Азосполуки. Велику групу хелатоутворюючих органічних реагентів складають азосполуки та реагенти групи арсеназо-торону. Методики з використанням таких реагентів характеризуються високою чутливістю.

N-гетероциклічні азосполуки. Серед реагентів цієї групи найважливіше значення для визначення металів мають піридилазорезорцин, піридилазонафтол, тіазолілазонафтол.

Піридилазорезорцин (ПАР, (1.22)) є водорозчинним груповим реагентом, що взаємодіє з катіонами Cu, Bi, Ti, Zr, Pd, Tl(III) (0,5-0,05 моль/л H2SO4), Zn, Cd, Co, Ni, Hg, Mn, U тощо (pH 3–9). ПАР є слабкою двохосновною кислотою, що характеризується константами дисоціації рКа1=5,6 та рКа2=11,3. Продуктом взаємодії реагенту з катіонами металів є водорозчинні інтенсивно забарвлені комплексні сполуки. В кислому середовищі взаємодія відбувається з утворенням комплексів найпростішої стехіометрії:

N	N N	OH + Cu2+	N	N N	OH + H+
	HO
				+Cu O	.

(1.23)

Контрастність аналітичної реакції при утворенні комплексу найпростішої стехіометрії є більшою, аніж при утворенні комплексу вищої стехіометрії. Тому реакцію використовують для визначення, наприклад, купруму (ІІ).

В лужному середовищі (рН 9,18) взаємодія ПАР з Zn(II) відбувається за такою схемою:

				N	N N			O-
2	N	N N	O- + Zn2+		O	Zn O		+ 2H+
		HO					N
			-O		N	N

.

Методики визначення катіонів металів з використанням як аналітичної форми комплексів вищої стехіометрії (утворених у лужному середовищі), є значно більш чутливими, оскільки такі аналітичні форми мають вищі молярні коефіцієнти поглинання. Вибірковість аналітичної реакції регулюють, варіюючи рН розчину та застосовуючи маскуючі реагенти.

31

Арсонові азосполуки. Реагенти групи арсеназо-торону є похідними хромотропової кислоти. Завдяки арсоногрупі реагенти утворюють комплекси, стійкі навіть у дуже кислому середовищі. Забарвлення самих реагентів та їх комплексів обумовлене наявністю азогрупи, системи кілець та ауксохромних груп. Наявність гідроксильної групи у ортоположенні до азогрупи сприяє утворенню додаткових циклыв при комплексоутворенні, що, в свою чергу сприяє підвищенню стійкості комплексів та поглибленню їхнього забарвлення. Завдяки наявності сульфогруп реагенти та їхні комплекси розчинні у воді.

Арсеназо І (1.24) та арсеназо ІІІ (1.25) є чутливими спектрофотометричними реагентами на високозарядні катіони Zr, Th, Hf, U та РЗЕ. Переважна більшість катіонів взаємодіє з реагентами групи арсеназо-торону за участю функціональноаналітичні угрупування (ФАУ), що містить арсоногрупу (-AsO(OH)2), азогрупи (- N=N-) та ОН-групу в орто-положенні (1) до азогрупи (1.24–1.28).

AsO(OH)2		AsO(OH)2	(HO)2OAs
OH OH		OH OH
N N 2		N N 2	N N
1		1
HO3S	SO3H	HO3S	SO3H
(1.24)		(1.25)

Комплексоутворення арсеназо І з іонами металів у водному розчині залежно від умов може супроводжуватись утворенням комплексних сполук різної стехіометрії (1.26, 1.27). Утворені за участю арсеназо І комплекси відносять до комплексів середньої стійкості. Найбільш стійкі комплекси утворюють Zr(IV) Th(IV), взаємодія відбувається в кислому середовищі (рН 1,5). Менш стійкі комплекси утворюють Al(III) (pH 4,3), UO22+ (pH 4,5–8), РЗЕ (рН 6) тощо.

Вибірковість при визначенні одного елемента в присутності іншого досягається варіюванням рН розчину.

Арсеназо ІІІ утворює з високозарядними катіонами комплекси, на 2–3 порядки стійкіші, аніж комплекси з арсеназо І. Це дає можливість проводити визначення в сильно кислих розчинах (Тh(IV), Zr(IV) та U(IV) – до 10 М НСl).

O OH

As O

M

N O

N 2 1

O OH		O 1	2 N
As	O		N
		Th
N			O As
		O
N 2		1	HO O

O OH		(HO)2OAs
As	O
	M O	O
N	N 2 1	N NH
-O3S		SO3-

(1.26)

(1.27)

(1.28)

Катіон металу координується до того ж ФАУ, що і у випадку арсеназо-І (1.26). Координаційна сфера центрального іону добудовується іншими лігандами, зокрема

32
гідроксогрупами чи аніонами. Арсеназо ІІІ утворює з металами комплекси лише
найпростішої стехіометрії (1.28).
Контрастність аналітичної реакції для						А
арсеназо ІІІ є дуже високою (∆λ=125 нм).						0,6
Молярні	коефіцієнти		поглинання		в
довгохвильовому максимумі залежать від
природи катіону, зокрема його заряду та						0,4		3
іонного радіусу (рис. 1.22). Їх значення								2
лежать у межах 5.104–13.104 моль.л–1.см–1.						1
Висока	чутливість		методик		з	0,2
використанням		арсеназо	ІІІ	обумовлена
високими	молярними		коефіцієнтами			0,0
поглинання аналітичних форм та високою						550	600	650	700
контрастністю аналітичної реакції.							λ, нм
Задовільна			відтворюваність			Рис. 1.22. Спектри поглинання
результатів	є	наслідком		проведення		розчинів арсеназо ІІІ (1) та його
аналітичної реакції у сильно кислому						комплексів з Zr(IV) (2) та La(III) (3).
середовищі, де вплив гідролізу та						Сарсеназо ІІІ=9,0.10–6 М, СHCl = 9 M (2),
сторонній вплив аніонів є мінімальним.						рН=1,5 (3). СZr(IV) = 1,0.10–4 М (2),
						СLa(III) = 1,0.10–4 М (3)

Аміни. Полідентатні органічні реагенти, що містять донорні атоми N, знайшли широке застосування для спектрофотометричного визначення, наприклад, Fe(II) та

Cu(I).

Fe(IIІ) в нейтральному середовищі в присутності відновників (гідроксиламін або аскорбінова кислота) утворює з 1,10-фенантроліном (phen, (1.29)) стійкий комплекс катіонного типу, інтенсивно забарвлений в червоно-помаранчевий колір.

			C6H5		C6H5
	N	N	N	N	N
					OH
			H C		CH3
	(1.29)		3	(1.30)	(1.31)
	Реакція відбувається за схемою:
					2+
			+ Fe2+		N
		3			Fe
		N	N		N

3

.

Молярний коефіцієнт поглинання Fe(phen)32+ в максимумі поглинання (λmax=512 нм) дорівнює ε512=1,10.104 моль.л–1.см–1.

33

Надзвичайно вибірковими реагентом на Cu(I) є батокупроїн (1.30). Реакція відбувається в екстракційній системі «розчин реагенту в органічному розчиннику – водний розчин Cu(ІІ)» при рН 4–7 в присутності відновників (гідроксиламін) і супроводжується утворенням забарвленого у червоний колір нерозчинного у воді комплексу:

		C6H5	CH	H C	C H +
C6H5	C H		3		6 5
				3
	6	5			N
		N
2	+ Cu+		Cu
N	N	N			N
H C	CH3
3
		C6H5	CH3	H3C	C6H5 .

Найкращі екстрагенти для таких комплексів – амілові спирти та н-гексанол. Реакція є дуже чутливою, оскільки молярний коефіцієнт поглинання комплексу в ізоаміловому спирті становить ε479=1,42.104 моль.л–1.см–1.

При рН водного розчину 3–10 8-Оксихінолін (НOx, (1.31)) взаємодіє з іонами багатьох металів з утворенням незаряджених комплексних сполук, малорозчинних у воді, і добре розчинних у органічних розчинниках, зокрема у хлороформі:

	+ Mm+	O
m		M + m H+
	N	N m
	OH

Максимум поглинання НOx у хлороформі знаходиться в області близького ультрафіолету (λmax=315 нм), а комплекси забарвлені переважно в жовтий колір. Методики з використанням НOx характеризуються невисокою чутливістю і вибірковістю. Наприклад, для комплексу Al(Ox)3 в хлороформі ε390=7,3.103 моль.л– 1.см–1. Вибірковість реакції поліпшують, варіюючи рН водного розчину, застосовуючи маскування чи попереднє відокремлення сторонніх іонів. Через низьку вибірковість НOx використовують переважно для групового екстракційного концентрування багатьох металів.

Дитизон (H2Dz, (1.32) є одним з кращих спектрофотометричних реагентів, що широко використовується у практиці аналізу, зокрема для визначення мікрокількостей Pb, Zn, Cd, Ag, Pd, Нg, Cu, Bi тощо.

N N

C S

NH NH

N N

C SH

NH N

(1.32)

34

У водному розчині при рН≤7 реагент практично не розчиняється, добре розчиняється в лужному середовищі та в органічних розчинника, зокрема СCl4 та

CHCl3.

Взаємодія з іонами металів супроводжується утворенням комплексу складу 1:1 (у випадку однозарядних катіонів) або 1:2 у випадку двозарядних. Наприклад, взаємодія дитизону з Zn (ІІ) відбувається згідно з рівнянням:

N	N
Zn2+ + 2	C SH

NH N

N N C	S	HN	N
	Zn		CN N
N	NH	S

+ 2 H+

Розчини дитизонатних комплексів металів у органічних розчинниках інтенсивно забарвлені переважно в червоний та червоно-фіолетовий кольори. Найбільш стійкі дитизонати (Pt, Pd, Au, Ag, Hg, Cu) екстрагують з сильно кислих розчинів. Дитизонати Bi та Zn – зі слабкокислих розчинів, а комплекси Со, Ni, Pb та Cd – зі слабколужних. Вибірковість визначення елементів підвищується при використанні маскуючих агентів (ціанідів, ЕДТА, тіосульфату тощо). Процедура визначення є досить трудомісткою. Через невисоку стійкість дитизону і, особливо, його розчинів до дії окисників та кисню повітря, робота з дитизоном потребує використання дуже чистих розчинників та препаратів дитизону високої кваліфікації. Стійкість розчинів реагенту в часі невисока і сильно залежить від концентрації та чистоти препаратів. Тому розчини H2Dz рекомендують готувати безпосередньо перед використанням.

О,О-вмісні реагенти, зокрема похідні антрахінону, застосовують для фотометричного визначення Al(ІІІ) та Zr(IV). Комплексоутворення з іонами металів супроводжується утворенням шестиабо п’ятичленних циклів, що обумовлює високу стійкість комплексів. Наявність у молекулах реагентів розвинутої хромофорної системи обумовлює високі значення ε утворених комплексів.

	Водорозчинний алізарин С (1.33) є відомим	O H O
	фотометричним реагентом на іони полівалентних
		OH
	елементів, що мають високу спорідненість до кисню,
	зокрема Al, Zr та Ti. З іонами металів (Мm+) у водному	SO3H
	слабко кислому або нейтральному розчині алізарин С
	утворює забарвлені у червоний колір полімерні хелати зі	O
	стехіометрією 1:1(1.34, 1.35) або 1:2 (1.36).	(1.33)

Комплекси типу (1.34) характерні для Zr(IV), типу (1.35) – для Ті(IV), типу (1.36) – для Al(III). Комплексоутворення з Zr(IV), Ті(IV) та Al(III) відбувається при рН 1,0, 3,0 та 6–7 відповідно.

35

O	O M	O M O			HO	SO3-
			O
	O	OH		O	O
					M
	SO3-	SO3-		O	O	O
O		O	-O3S	OH
(1.34)		(1.35)

(1.36)

Трифенілметанові реагенти, зокрема Еріохромціанін (1.37), відносять до окремої групи хелатоутворюючих спектрофотометричних реагентів. Їхні комплекси характеризуються високими молярними коефіцієнтами поглинання, що обумовлено наявністю у молекулі реагенту розвиненої хромофорної системи. Реагенти та їх комплекси є водорозчинними. Комплексоутворення за участю Еріохромціаніну відбувається у водному розчині при рН 3–7 і супроводжується зміною забарвлення з жовто-оранжевого (реагент) на синє чи фіолетове.

	CH	CH3		CH	3	CH3
HO	3	O	HO
						O
			HOOCH2C					CH2COOH
HOOC	C	COOH	NH2C		C	CH N
			HOOCH2C				2	CH2COOH
		SO3H				SO3H
	(1.37)				(1.38)

Al(ІІІ) при рН 6,0–6,2 утворює забарвлений у фіолетовий колір комплекс (ε535=6,5.104 моль.л–1.см–1). Стороннього впливу Fe(III) позбуваються дією аскорбінової або тіогліколевої кислот. Визначенню заважають іони багатьох елементів.

Фталексони, зокрема Ксиленоловий оранжевий (КО, (1.38)), окрім розвинутої хромофорної системи мають ще імінодіацетатні групи. З іонами металів (Ві(ІІІ), Zr(IV), Th(IV)) ці реагенти утворюють стійкі та інтенсивно забарвлені комплекси, що добре розчиняються у воді. Вибірковість аналітичної реакції поліпшують, варіюючи рН розчину. Так, Ві(ІІІ) з КО в 0,05–0,1 М H2SO4 утворює забарвлений у рожевий колір (λmax=540 нм, ε540=2,3.104 моль.л–1.см–1) комплекс

(1.39).

	HO	CH3	CH3
				O	CH2		C
HOOCH2C						O
	NH2C	C		CH3N			O
HOOCH2C							Bi+
			SO3-		CH2O		O
							C

(1.39)

36

Сторонній вплив Fe(ІІІ) усувають, відновлюючи його аскорбіновою кислотою, Тартратом маскують Zr, Hf, Sb, Sn. Визначенню заважають також хлориди, броміди та йодиди.

Ксантенові реагенти, наприклад, Бромпірогалоловий червоний (БПЧ, (1.40))

та Фенілфлуорон (1.41) взаємодіють з катіонами таких елементів, як Ві, In, Mo, Sn, Sb, Th, Ti, Zr тощо. В нейтральному водному розчині взаємодія супроводжується утворенням комплексів найпростішої стехіометрії. Аналітичні реакції за участю барвників такого типу мають невисоку контрастність.

		OH	OH	HO	O	O
	HO	O	O
	Br	C	Br	HO	C	OH
			SO3H
		(1.40)			(1.41)

Для спектрофотометричного визначення ряду елементів використовують різнолігандні комплекси типу іонних асоціатів, утворені за участю лігандів органічної природи, а саме барвників аніонного та катіонного типів.

Барвники катіонного типу утворюють інтенсивно забарвлені іонні асоціати з металами у формі ацидокомплексів (комплексів аніонної природи), зокрема галогенідними. Утворені сполуки добре вилучаються з кислого водного розчину бензолом, толуолом чи хлороформом. На цій основі розроблено низку чутливих екстракційно-спектрофотометричних методик. Добрих результатів вдалося досягти при використанні барвників трифенілметанового, ксантенового та азинового рядів.

Трифенілметанові барвники, зокрема кристалічний фіолетовий (КФ,),

мають розвинуту хромофорну систему та інтенсивне забарвлення. В основу екстракцїйно-спектрофотометричної методики визначення Sb покладено утворення забарвленого у блакитний колір іонного асоціату (R+)[SbCl6–] (1.42).

(H3C)2N	+	-	C	H HN	O	+	[BiI4-]
	N(CH3)2 SbCl6					NHC2H5
			2	5
	C			H3C	C	CH3
						COOC2H5
	N(CH3)2
	(1.42)				(1.43)

Ксантенові барвники, зокрема Родамін 6Ж, запропоновані як чутливі реагенти на Bi, Ge, V, Au, In, Mn, Pt, Sb тощо. Взаємодія Родаміну 6Ж з [ВіІ4–]

37

супроводжується утворенням добре розчинного у бензолі іонного асоціату (1.43), що покладено в основу високочутливої методики визначення бісмуту.

Сафранін Т, який відносять до широко застосовних у практиці спектрофотометрії азинових барвників, запропоновано для екстракційного визначення, наприклад, талію у формі іонного асоціату (1.44).

			+		OH
	H2N	N		TlBr4-	N N	SO3H
			NH2
	H3C	N	CH3		(1.45)
		(1.44)

Барвники аніонного типу утворюють інтенсивно забарвлені іонні асоціати з гідрофобними комплексами іонів металів катіонного типу. Так, наприклад, для екстракційно-спектрофотометричного визначення калію успішно використовують β-нафтолоранж (1.45). Взаємодія відбувається за рівнянням:

	O	O		O	O
K+		O		O		-O3S
	+	+ -O3S	N N	K+	O		N N
	O	O	OH	O			OH
		O		O
							.

(1.46)

Утворений іонний асоціат (1.46) добре вилучається з водного розчину хлороформом, і має інтенсивне помаранчеве забарвлення.

З трифенілметанових барвників аніонного типу використовують

бромфеноловий синій, з ксантенових – бромпірогалоловий червоний (1.40). У

присутності барвників аніонного типу екстрагують переважно катіонні комплекси

Zn(ІІ), Cd(ІІ), Pd(ІІ), Fe(II), Cu(I), наприклад, з 1,10-фенантроліном (Ag(Phen)2+, Zn(Phen)2+ тощо. Екстракцію здійснюють хлороформом або толуолом.

Окисно-відновні реакції застосовують для визначення металів, що утворюють забарвлені аніони (Mn, Cr) або тих форм металів, що самі є окисниками (Tl3+).

В основу методики визначення Mn(ІІ) покладено реакцію окиснення його в кислому середовищі до MnО4– перйодатом калію або персульфатом амонію:

2 Mn2+ + 5 S2О82– + 3 H2О 2 MnO4– + 10 HSО4– + 6 H+.

Окиснення проводять за наявності нітратної кислоти та каталізатора (Ag+) при нагріванні (90оС) впродовж 5–10 хв. Методика є малочутливою, оскільки в максимумі поглинання ε528=2,4.103 моль.л–1.см–1 (а=0,044). Визначенню заважають відновники (включаючи хлорид) та іони металів, що утворюють забарвлені аквакомплекси, зокрема Ni(II), Co(II), Cu(II) тощо.

Хром визначають, окиснюючи його до CrO42– (λmax=373 нм, ε=1,4.103 моль.л– 1.см–1) або Cr2O72– (λmax=350 нм, ε=7,5.102 моль.л–1.см–1) в лужному або кислому середовищі відповідно. Для окиснення Сr3+ у кислому середовищі (H2SО4)

38

використовують сильні окисники, зокрема перманганат, персульфат (у присутності Ag+), перйодат тощо:

2Сr3+ + 6 S2О82– + 7 H2О 2 Cr2O72– + 12 HSО4– + 2 H+.

Влужному середовищ як окисник використовують, як правило, Н2О2 або Br2:

2 Сr3+ + 3 О22– + 4 ОН– 2 CrO42- + 2 H2О.

Проведення реакції у сильно лужному середовищі дає можливість позбутися стороннього впливу переважної більшості катіонів металів, що утворюють нерозчинні гідроксиди (Fe(III), Ce(IV), Cu(II), Co(II), Ni(II) тощо). Сторонній вплив MnO4– усувають дією Н2С2О4.

Спектрофотометричні методики, що базуються на цих аналітичних реакціях, широко застосовуються для визначення іонів металів у різноманітних об’єктах, таких як питні і стічні води, біологічні рідини, миючі засоби тощо.

1.3.2. Визначення неметалів

Складність спектрофотометричного визначення елементів неметалічної природи обумовлена тим, що неметали в переважній більшості не мають хромофорних властивостей, і не утворюють забарвлених сполук з органічними реагентами.

В основу найбільш ефективних методик визначення неметалів покладено конкурентні реакції, що базуються на руйнуванні інтенсивно забарвлених комплексних сполук металів з органічними реагентами, які виступають як індикаторні сполуки. Для проходження конкурентної реакції

МR + Х ↔ MХ + R,

необхідно, щоб стійкість індикаторної сполуки (МR) була меншою, аніж для комплексу катіону з визначуваним компонентом (MХ).

Так, для спектрофотометричного визначенні Флуориду як індикаторну сполуку використовують комплекс ZrО2+ з алізарином С (1.47).

Збільшення вмісту флуориду в розчині супроводжується зміною забарвлення від червоного (комплекс) до жовтого (вільний реагент). Визначенню Флуориду в такий спосіб заважають іони металів (Ti(IV), Th(IV), Fe(III) тощо), що утворюють стійкі флуоридні комплекси та аніони (оксалати, фосфати, тартрати, цитрати, тощо), що утворюють стійкі комплекси з Zr(IV).

O O	ZrO		O	OH
	O			OH
	+ nF- + 2H+			+ ZrOFn2-n
	SO3_			SO _
O			O	3
				, де n=1 або 2.
(1.47)
Червоне забарвлення			Жовте забарвлення

39

Для визначення Флуориду також використовують реакцію утворення

різнолігандних комплексів. Так, алізаринкомплексон утворює інтенсивно забарвлені в червоні кольори комплексні сполуки з Ce(III) та La(III). Однак, у присутності F– в розчині спостерігають зміну забарвлення, що обумовлено утворенням блакитного різнолігандного комплексу (1.48):

H

H2O

H

-F

O

O

O

O

O

O Ce

O

O

O

Ce

O

C

C

H2O

O

+ F-

H2O

O

+ H2O

N

CH2

CH2

N

CH2

CH2

C

O

C

.

O

CH2

O

pH=5.0

CH2

O

Червоний колір

(1.48)

Блакитний колір

Надзвичайно висока електронофільність аніону сприяє міграції електрона вздовж ланцюга спряження у молекулі, що призводить до значного батохромного зсуву λmax у її спектрі.

Для спектрофотометричного визначення P, As, Si широко використовують гетерополікомплекси (ГПК). Найбільш вивчені та найчастіше застосовуються в практиці аналізу окиснені так і відновлені форми молібденових ГПК фосфору та силіцію. Утворення окиснених «жовтих» молібдофосфорної (1.49) та молібдосиліцієвої (1.50) ГПК у 0,15–0,17 н. H2SO4 при нагріванні реакційної суміші до 80оСвідбувається за наведеними нижче схемами:

HPO42– + 12MoO42– + 23H+ PMo12O403– + 12H2O.	(1.49)
HSiO3– + 12MoO42– + 24H+ HSiMo12O403– + 12H2O.	(1.50)

Продукт реакції (ГПК) поглинає при 310–330 нм, в тому ж діапазоні, що й молібдат (реагент). З метою зменшення стороннього впливу надлишку реагенту аналітичний відгук реєструють не в максимумі світлопоглинання а при 400–430 нм. Через це чутливість методик з використанням окисненої форми ГПК є невисокою. Їх застосовують для визначення фосфору та силіцію при високому вмісті аналіту в зразку.

Більш чутливими є методики з використанням інтенсивно забарвлених у синій колір відновлених «синіх» форм молібдофосфорної (1.51) та молібдосиліцієвої (1.52) ГПК, що утворюються в розчині в присутності відновників середньої сили за такими рівняннями:

Hх[PMo12VIO40] (3–х)– + 4 ē + 4H+ = H х+4[PMo4VMo8VIO40] (3–х)–	(1.51)
Нх[SiMo12VIO40](4–х)– + 4 ē + H+= Нх+4[SiMo4VMo8VIO40] (4–х)–	(1.52),

де x=0–2 (для молібдофосфорної ГПК) та 0–3 (для молібдосиліцієвої ГПК). У цьому випадку фотометрують розчин у максимумі поглинання (при 600–1100 нм), де молярні коефіцієнти поглинання сягають n 104, а сторонній вплив надлишку

40

реагенту практично відсутній. Перевагою використання синіх ГПК є можливість проведення аналізу в присутності великих кількостей сполук Fe(ІІІ) та забарвлених у жовтий колір органічних сполук, які є невід’ємними компонентами природних та технічних вод, ґрунтових витяжок тощо. Одним з найважливіших недоліків методик з використанням відновлених форм ГПК є незадовільна відтворюваність результатів аналізу, що обумовлена рядом чинників. Суттєвим є вплив на величину оптичної густини розчину коливань температури, чистоти реагентів, порядку їх змішування тощо. Крім того, відновлені ГПК є менш розчинними у воді, аніж окиснені. «Сині» ГПК існують у водному розчині у псевдоколоїдному стані, причому розмір колоїдних часток залежить від іонної сили та температури розчину. Все це обумовлює необхідність суворого дотримання сталих умов проведення реакції та детектування аналітичного відгуку.

Окисно-відновні реакції є зручними та високочутливими для визначення зокрема аніонів йоду та брому. Йодиди після окиснення до елементного йоду за реакцією:

2I– – 2e I2, –

визначають спектрофотометрично у формі інтенсивно забарвленого в синій колір (λmax=590 нм) йод-крохмального комплексу, або за власним поглинанням І2 в його органічних екстрактах, наприклад, у хлороформі (λmax=510 нм). Як окисник використовують NO2– або Fe(III). Реакція є специфічною і досить чутливою.

Реакції синтезу органічних барвників використовують для визначення тих аніонів, для яких не відомі реакції іншого типу. Проведення реакцій синтезу потребує значних витрат часу, до того ж аналітична реакція є зазвичай багатостадійною та характеризується некількісним виходом продукту.

Реакції такого типу покладено в основу визначення нітритів, які утворюють з первинними амінами солі діазонію. При подальшому сполученні солей діазонію з ароматичними сполуками, що містять амінота фенольні групи, утворюються барвники:

2 H+ + NO - + H2N	SO3H		HO	S
2		3

сульфанілова кислота

+	N
N

сіль діазонію

+

2 H2O

	+	HO3S	N N	NH		+ H	+
HO3S	N N +				2
		NH2
сіль діазонію		1-нафтиламін	(1.53)

Суміш сульфанілової кислоти та 1-нафтіламіну отримала назву реактиву Грісса.

Фотометрують синтезований водорозчинний барвник (1.53) червоно-фіолетового кольору при λmax=520 нм (ε520=4,0.104 моль.л–1.см–1). Реакція є дуже чутливою

41

(МВ=2 мкг NO2–/л). Визначенню нітритів заважають окисники, відновники та солі

Cu(II).

1.2.3. Визначення речовин органічної природи

Спектрофотометричні методики широко використовуються в практиці аналізу для визначення речовин органічної природи.

Органічні речовини, що мають систему спряження та функціональні групи мають власне поглинання. Смуги поглинання в спектрах речовин можуть бути використані для їх спектрофотометричного визначення. Методики такого типу також відносять до безреагентних. Перевагами таких методик є простота, однак їх недоліками можуть бути незадовільні чутливість та вибірковість. Чутливість визначення можна дещо підвищити, якщо використовувати як аналітичні форми іонізовані форми реагентів, що утворюються у розчині внаслідок зсуву рівноваги протолітичних реакцій. Такі форми зазвичай мають інтенсивніше та глибше забарвлення. Наприклад, можна визначати фенолфталеїн у лужному середовищі, оскільки його іонізована форма має інтенсивне червоно-фіолетове забарвлення:

O		O		O
C		C OH		C O-
O
C	OH	C	O	C	O
	OH-		OH-
	-H2O		-H O
			2
OH		OH		OH

Для спектрофотометричного визначення речовин органічної природи найбільш поширеними є реакції синтезу барвників (табл. 1.4) різних типів. Такі реакції успішно використовують для визначення речовин, що мають різні функціональні групи, зокрема ароматичних амінів, фенолів, кетонів, альдегідів тощо.

Реакція утворення інтенсивно забарвлених азосполук відбувається у дві стадії. Визначуваний компонент може бути введений на першій або на другій стадії синтезу.

Так, наприклад, анілін (а також інші ароматичні аміни) визначають, вводячи його в реакцію діазотування, що відбувається в кислому середовищі в присутності нітриту (І стадія):

NH2	+ NO - + 2 H+	+		N + 2 H O
			N
	2			2

сіль діазонію

Утворена сіль діазонію має високу реакційну здатність і тому легко вступає в реакції сполучення (ІІ стадія) з рядом органічних сполук, зокрема з ароматичними амінами та фенолами:

42

Cl

+	N + Cl	OH	N	N
N
				HO
або
+	N +	OH	N N	OH
N

.

Феноли визначають, вводячи їх у реакційну суміш на другій стадії синтезу. Забарвлення утворених продуктів залежить від кислотності середовища та природи органічного розчинника.

Слід відзначити, що ця реакція є однією з основних та найбільш застосовних у практиці спектрофотометричного визначення органічних амінів та фенолів, що обумовлено широким колом сполук, що здатні взаємодіяти з солями діазонію.

Феноли та аміни можна визначати також, вводячи їх у реакцію, внаслідок якої утворюються хіномінові сполуки. Серед найбільш поширених хіномінових сполук, які використовують у практиці аналізу, слід відзначити індофенол та індамін.

Для визначення фенолів використовують реакцію синтезу індофенолу (1.54) проводять у лужному середовищі в присутності окисників (Н2О2, розчин Cl2 чи Br2 у воді, К3Fe(СN)6 тощо). За таких умов феноли вступають у реакцію з амінами (їх використовують як реагенти), а взаємодія відбувається за наведеною нижче схемою:

NH3 + HClO NH2Cl + H2O;

	OH
	+ NH2Cl + NaOH	H2N	OH + NaCl + H2O
		4-амінофенол		,
OH
+ H2N	OH + [O]	HO	HN	OH + H2O

,

4,4’-диоксифеніламін

HO

HN

OH + NH2Cl

O

N

OH + NH4Cl

.

індофенол (1.54)

Утворений продукт (1.54) має інтенсивне синє забарвлення, обумовлене наявністю у спектрі смуги з λmax=620 нм та ε620=4,5.104 л.моль–1.см–1.

OH

	+ NH2Cl, OH-	H2N	OH
	- Cl-, H2O

43

OH

+, [O]

	HO	HN	OH
	- H2O
		+ NH2Cl		OH
HO	HN	OH - NH4Cl O	N

Для визначення амінів переважно використовують реакцію синтезу індаміну (1.55). Конденсація 1,4-диаміну та аміну відбувається в слабкокислому середовищі в присутності окисників (Fe(III), К2Cr2O7, K2S2O8 тощо) за наведеною нижче схемою:

H2N	-2H+, -2 e	HN	NH2
	NH2		NH

H N	NH	NH	-2H+, -2 e HN	N	NH2
2		2				.

індамін (1.55)

Утворений продукт екстрагують неполярними розчинниками, зокрема ССl4.

Екстракт інтенсивно забарвлений у фіолетовий колір (λmax=650 нм та ε650=4.104 л.моль–1.см–1).

Реакція синтезу поліметинових барвників (реакція Фуджівара) використовують для спектрофотометричного визначення галогенпохідних. Реагентом є піридин, а реакція відбувається в лужному середовищі при нагріванні за такою схемою:

+CHCl3

Cl-

NaOH

O

+

Cl2HC NH HC CH HC CH C

N

-NaCl

H

N

CHCl2

H2O

HC

CH HC CH

O

C

- Cl2HC NH2

OH

H

.

Утворена на першій стадії реакції сіль піридинію в присутності лугу перетворюється в похідне глутаконового альдегіду, що має червоне забарвлення (λmax=525 нм). Чутливість реакції є значно більшою, якщо фотометрують продукт його гідролізу в максимумі його поглинання (ε366÷(3–4).104 л.моль–1.см–1).

Реакції комплексоутворення знайшли застосування для спектрофотометричного визначення органічних речовин, оскільки методики з їх використанням вигідно відрізняються від розглянутих вище реакцій синтезу барвників простотою

44

процедури аналізу та кращими метрологічними характеристиками, зокрема задовільною повторюваністю.

Реакції такого типу покладено в основу низки методик екстракційноспектрофотометричного визначення органічних кислот та основ. Для визначення високомолекулярних органічних кислот та основ використовують реакції утворення малорозчинних у воді іонних асоціатів з основними (Кристалічний фіолетовий

(1.42), Родамін 6Ж (1.43) тощо) та кислотними (Еозин, Метилоранж (1.45),

Бромфеноловий синій тощо) барвниками відповідно.

Реакції утворення координаційних сполук використовують для визначення органічних речовин, що утворюють з іонами металів забарвлені розчинні у воді комплексні сполуки, зокрема хелатного типу. Такі реакції покладено в основу спектрофотометричного визначення саліцилової кислоти та її похідних, багатоатомних спиртів, моносахаридів тощо.

Наприклад, взаємодія багатоатомних спиртів з солями Cu(ІІ) супроводжується утворенням водорозчинних забарвлених у синій колір аналітичних форм:

R1

R1

H

R2

HC

OH + Cu(OH)2

HC

O

2

O

CH

+ 2H

O

Cu

2

HC

OH

HC

O

O

CH

R2

R2

H

R1

.

Окисно-відновні реакції покладено в основу визначення ряду органічних речовин, що утворюють забарвлені продукти при окисненні або відновленні. Наприклад, в основі чутливої спектрофотометричної методики визначення дифеніламіну лежить реакція окиснення його до дифенілбензидину фіолетового:

2	NH	-2H+, -2e	NH	NH

дифеніламін	дифенілбензидин безбарвний
-2H+,-2e	N
N
	.

дифенілбензидин фіолетовий

Реакція відбувається у дуже кислому середовищі (у присутності 85% сульфатної кислоти), що є її недоліком.

Основними перевагами спектрофотометричних методик є досить висока чутливість, а в ряді випадків вибірковість, простота виконання, невисока вартість обладнання і його обслуговування, та більшості випадків експресність визначення, що може бути вирішальним при аналізі об’єктів довкілля.

45

Запитання для самоконтролю

1.Перерахуйте вимоги, що висуваються до аналітичних реакції, що застосовуються у спектрофотометрії.

2.Наведіть приклади реакцій комплексоутворення за участю лігандів неорганічної природи, що використовуються для визначення металів.

3.Наведіть приклади реакцій комплексоутворення за участю лігандів органічної природи, що використовуються для визначення металів.

4.Наведіть приклади окисно-відновихі реакцій, що застосовують для визначення металів.

5.Наведіть приклади конкурентних реакцій, що використовуються для визначення неметалів.

6.Наведіть приклади реакцій комплексоутворення, що використовуються для визначення неметалів.

7.Для визначення яких неметалічних елементів використовують реакції утворення відновлених та окиснених форм гетерополікислот? Поясніть, які реакції є більш чутливими. Відповідь аргументуйте.

8.Наведіть приклади реакцій комплексоутворення за участю солей металів, що використовуються для визначення речовин органічної природи.

9.Для спектрофотометричного визначення яких органічних речовин використовуються реакції синтезу барвників? Наведіть приклади таких реакцій для визначення амінів, фенолів та галогенпохідних.

10.Реакції якого типу покладено в основу методик екстракційноспектрофотометричного визначення органічних кислот та основ?

46

1.4. ОСНОВНІ МЕТРОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧНИХ МЕТОДИК

До основних метрологічних характеристик спектрофотометричних методик відносять: чутливість, вибірковість і точність.

1.4.1. Чутливість

Важливою метрологічною характеристикою будь-якої методики є її чутливість. Чутливість методики характеризується мінімальною концентрацією визначуваного компонента, або мінімальною кількістю елемента чи речовини, які можуть бути визначені за допомогою цієї методики.

Чутливість методики є комплексною характеристикою. Насамперед вона залежить від чутливості аналітичної реакції, що покладена в її основу. В основу високочутливих спектрофотометричних методик покладено реакції утворення інтенсивно забарвлених речовин з ε ≥ 2.104 л.моль.см–1 (згідно квантової теорії значення ε не може перевищувати 1,5.105 л.моль.см–1).

Зручною величиною для порівняння чутливості різних спектрофотометричних методик, особливо при визначенні елементів, що значно відрізняються за молярними масами, є питоме поглинання а, що розраховується за формулою:

а =	ε	,	(1.56)
	М 1000

де М – молярна маса елемента чи речовини. Величина а відповідає оптичній густині розчину, що містить 1 мкг/мл елемента, виміряній у кюветі з довжиною оптичного шляху 1 см.

Кількісними характеристиками чутливості методики є межа виявлення та

нижня межа визначуваних концентрацій.

Межею виявлення (МВ) називають найменший вміст компонента (ще позначають Cmin, Р), при якому за даною методикою можна встановити його присутність з певною довірчою ймовірністю (Р).

За рекомендаціями ІЮПАК розраховують МВ в таких одиницях, як мг/л, моль/л чи мкг/л за так званим 3S чи 3σ-критерієм. Для цього використовують

рівняння градуювального графіка,	отримане в формі рівняння прямої:
А = (а ± ∆а) +(b ± ∆b) C, мг/ л, де а –	вільний член рівняння, b – тангенс кута

нахилу градуювальної залежності, а ∆а та ∆b – відповідно їх похибки. Замість А в рівняння прямої підставляють значення (а+3·∆а) та вирішують його відносно С:

а+3∆ а =а+b C, мг/ л;
МВ=С, мг/ л=	3 ∆а	.	(1.57)
	b

Величина МВ є розрахунковим параметром , який використовують як критерій для порівняння чутливості різних методик.

47

Більшу практичну цінність має інша характеристика чутливості методики -

нижня межа визначуваних концентрацій (Cmin), що фактично є найменшою концентрацією аналіту, які можна визначити з використанням даної методики. Розраховують Cmin, наприклад, за 10σ-критерієм (1.58), або виходячи з мінімальної оптичної густини розчину, яку можна детектувати приладом за формулою (1.59).

Сmin, мг/ л=10∆а/ k .					(1.58)
Cmin =	Amin	=	Amin	.	(1.59)
	ε lmax
			b

Мінімальна оптична густина, яку можна виміряти приладом залежить від його типу і ціни. Для сучасних недорогих фотоелектроколориметрів вона становить 0,05, а для спектрофотометрів - 0,005. Зрозуміло, що чутливість методики в останньому випадку буде вищою.

Для підвищення чутливості спектрофотометричних методик використовують ряд прийомів, зокрема інструментальний спосіб та методи попереднього концентрування.

До інструментальних способів можна віднести використання приладів, що обладнані монохроматором (спектрофотометрів), а також кювет із більшою довжиною оптичного шляху (товщиною). Сучасні прилади укомплектовані кюветами з товщиною поглинаючого шару від 0,10 см до 5,00 см. Аналітичний сигнал і відповідно чутливість однієї і тієї ж методики будуть вищими при вимірюванні світлопоглинання спектрофотометром порівняно із методикою, що базується на застосуванні ФЕКу. При використанні ФЕКу (оснащеного світлофільтром) на розчин потрапляє ЕМВ значно ширшого діапазону довжин хвиль, аніж у випадку спектрофотометра. Значення оптичної густини у такому випадку буде нижчим через те, що детектор реєструє середню оптичну густину розчину.

Методи попереднього концентрування. З метою поліпшення чутливості методики використовують методи попереднього концентрування, зокрема

випарювання, виморожування, співосадження, екстракції, адсорбції та електрохімічного концентрування.

Випарювання відноситься до способів, що дають можливість отримати високий коефіцієнт концентрування:

K = Vвих , Vкін

де Vвих – вихідний об’єм проби, Vкін – об’єм після концентрування.

Однак внаслідок нагрівання розчину зразка можливі сторонні процеси, що спотворюють результати подальшого спектрофотометричного визначення речовин, а саме розклад чи окиснення аналіта, часткова втрата через леткість аналіта, утворення осаду присутніх у розчині основних сольових компонентів, що може частково адсорбувати визначувані мікро компоненти органічної та неорганічної природи. Крім того, метод випарювання є відносно довготривалим та потребує великих витрат енергії.

48

В основу способу виморожування, як і у попередньому випадку покладено зменшення об’єму розчинника. Виморожують зразки у холодильнику або з використанням спеціального обладнання, що включає посудину з охолоджувальною сумішшю, в яку занурено дно закріпленої на штативі колби з розчином аналіту. При обертанні колби з водним розчином проби зі швидкістю 40–60 об/хв на її внутрішніх стінках утворюється лід, а концентрат аналіту збирається всередині колби. За 50 – 60 хв виморожування об’єм проби зменшується у 8–10 разів. Не недоліків цього способу слід віднести можливість часткової втрати аналіту через перехід деякої його частини до фази льоду.

Методи, що базуються на зменшенні об’єму розчинника, дають можливість отримати коефіцієнти концентрування в межах 10–15.

Екстракцію відносять до способу концентрування з можливістю наступного визначення аналіту безпосередньо в концентраті. Цей метод дає можливість не лише сконцентрувати, а у ряді випадків, відокремити аналіт від заважаючи компонентів, що сприяє поліпшенню вибірковості методики. Перед вилученням аналіт переводять у придатну для вилучення форму, зокрема незаряджені комплексні сполуки хелатного типу, утворені за участю погано розчинних у воді органічних реагентів, комплекси типу іонних асоціатів, зокрема утворені внаслідок взаємодії між ацидокомплексом металу аніонного типу та органічним барвником катіонного типу. Добре екстрагуються органічними розчинниками також гетерополікомплекси.

Екстракцію здійснюють шляхом енергійного збовтування більшого об’єму водного розчину проби (Vвод) з менших об’ємом органічного розчинника (Vорг), що не змішується з водою, впродовж часу, необхідного для встановлення рівноваги у двофазній системі. При цьому визначуваний мікрокомпонент (Х) переходить в органічну фазу. Розподіл компонента Х між двома фазами кількісно описується

коефіцієнтом розподілу D:

	D =	[X ]орг	(1.60)
		[X ]в

де [Х]орг та [Х]в – концентрації компонента Х в органічній та водній фазі після встановлення екстракційної рівноваги, відповідно.

Повноту екстракції характеризують ступенем екстракції R (фактором вилучення), %:

R =	[X ]орг Vорг 100 ,	(1.61)
	Cв0 Vв

де С0в – концентрація компонента Х у водній фазі до екстракції. Величини R та D пов’язані між собою рівняннями:

	R =	1000	100	;	(1.62)
		D + (Vв /Vорг )

					49
D =	R		Vв	.	(1.63)
	100 − R
			Vорг

З рівняння (1.62) видно, що ступінь екстракції R (%) залежить від значення коефіцієнта розподілу D та співвідношення об’ємів водної та органічної фаз. При практично повній екстракції (R≥99%) коефіцієнту концентрування дорівнює співвідношенню об’ємів водної та органічної фаз.

Сорбція. Концентрування проводять на тонко подрібнених молекулярних та іонообмінних сорбентах за статичних або динамічних умов. При концентруванні за статичних умов до проби у стакані або колбі додають сорбент і перемішують впродовж певного часу. Сорбцію здійснюють з якомога більшого об’єму розчину аналізу, сорбент відокремлюють і десорбують визначуваний компонент, обробляючи його малим об’ємом елюенту (водним розчином певного реагенту, кислотою, лугом або органічним розчинником.

При концентруванні за динамічних умов через заповнену сорбентом колонку (скляну трубку висотою, наприклад 10–15 см, а діаметром 6–8 мм,) пропускають досліджувану пробу зі швидкістю кілька мл/хв. Колонку промивають водою або іншим придатним розчинником і десорбують визначуваний компонент невеликим об’ємом елюенту

Для сорбційного концентрування молекулярних сполук використовують силікагель, оксид алюмінію або активоване вугілля. Для сорбції катіонів та аніонів застосовують іонообмінні адсорбенти – катіоніти та аніоніти.

1.4.2. Точність

За точністю метод спектрофотометрії вигідно відрізняється від усіх інших без виключень фізико-хімічних та фізичних методів аналізу, оскільки похибка визначення концентрації мікрокомпоненту в переважній більшості методик не перевищує 5%.

Точність спектрофотометричної, як і будь-якої іншої методики, є її

комплексною оцінкою, що включає у себе дві окремі характеристики.

Правильність результату. Для оцінки цього параметру порівнюють отриманий за даною методикою результат з істинним, або з тим результатом, що приймають за істинний.

Як відомо, правильність результатів визначення за даною методикою характеризують абсолютною та відносною похибками, які розраховують за формулами:

D = хексп −хіст ;

відносна похибка , % = хексп − хіст 100 , –

хіст

де D – абсолютна похибка, а хексп та хіст – експериментально отримане значення та істинне відповідно. Слід зауважити, що абсолютна похибка має знак, тобто у випадку завищеного значення буде мати знак ”+„, а у випадку заниженого значення

– ”–„.

50

При проведенні спектрофотометричних визначень отримують серію експериментальних даних, а отриманий результат усереднюють. У такому випадку правильність визначення характеризують відхиленням середнього значення отриманого вмісту від істинного:

D = х−хіст ;

відносна похибка, % = х − хіст 100 .

хіст

Повторюваність результату. Оцінку повторюваності результатів методики проводять, порівнюючи між собою виключно результати визначення аналіту, отримані одним і тим же способом, тобто при використанні однієї і тієї ж методики. Таким чином, істинний вміст визначуваного компонента у зразку при оцінці повторюваності не враховують.

Відхилення результатів, отриманих при використанні однієї і тієї ж методики в межах однієї лабораторії, від середнього вмісту називають збіжністю. Відхилення результатів, отриманих з використанням однієї і тієї ж методики, однак у різних лабораторіях, від середнього вмісту називають відтворюваністю.

Розсіювання результатів відносно середнього оцінюють методами математичної статистики, як описано в підрозділі 1.5. Характеристиками є дисперсія (s2), стандартне відхилення (s) та відносне стандартне відхилення (sr),

що розраховуються за відповідними формулами. Розраховують значення довірчого інтервалу, що характеризує відтворюваність результатів аналізу. В оптимальних умовах визначення мікрокомпонентів у переважній більшості спектрофотометричних методик відносне стандартне відхилення лежить у межах 0,5–2,0%. У методі диференційної спектрофотометрії відносне стандартне відхилення не перевищує 0,2–0,5%.

Точність методики характеризують двома параметрами: правильністю та повторюваністю. Так, наприклад, методика може мати задовільну повторюваність, однак при цьому отриманий результат аналізу може бути далеким від істинного вмісту аналіту в зразку. Це означає, що правильність методики є незадовільною. Незадовільна правильність може бути обумовлена наявністю завеликої систематичної похибки, що зазвичай пов’язана з індивідуальними помилками експериментатора (не чітке дотримання умов проведення експерименту, помилки, що виникли під час пробо підготовки тощо), інструментальними помилками (помилковими показами приладів, зокрема невірними об’ємами давно каліброваного мірного посуду, нестабільною роботою приладів, що використовують для вимірювання поглинання), похибками методу або їх комбінаціями. І навпаки, при незадовільній повторюваності результатів середнє значення може бути дуже близьким до істинного, що відповідає задовільній правильності.

Правильність спектрофотометричної методики контролюють такими способами:

Метод «введено – знайдено» є одним їх найпростіших способів контролю правильності спектрофотометричної методики. Суть методу полягає у тому, що до розчину додають певну точно виміряну кількість (добавку) стандартного розчину аналіту. Далі вміст аналіту в розчині визначають одним з відомих способів,

51

наприклад методом градуювального графіка або добавок (див. підпункт 1.1.4). Правильність методики характеризують відхиленням експериментально отриманого значення від теоретичного.

Аналіз стандартного зразка за допомогою спектрофотометричної методики є одним з найбільш досконалих способів контролю її правильності. Стандартним називають зразок, вміст компонента в якому встановлено дуже точно з використанням методик держстандарту (ДЕСТ). Крім того, такий зразок має паспорт, у якому документально зафіксовано вміст усіх компонентів. Обмеженням способу контролю правильності методики з використанням стандартного зразка є відносно висока вартість самих стандартних зразків окремих аналітів, або їх відсутність (як от у випадку зразків природних чи біологічних об’єктів), що обумовлено складністю та непередбачуваністю їхнього якісного та кількісного складу.

Визначення аналіту у зразку принципово іншим методом є одним з найбільш застосовних у практиці аналізу. Для того, щоб оцінити правильність спектрофотометричної методики проводять визначення аналіту у зразку паралельно, наприклад, електрохімічним методом, методом атомної абсорбції тощо. Результати визначення аналіту рекомендують порівняти з результатами визначення аналіту за рекомендованою ДЕСТ методикою.

Загальна похибка методики аналізу складається з усіх похибок, що внесені на окремих її стадіях, зокрема при пробовідборі, розчиненні проби, концентруванні та розділенні елементів, а також при вимірюванні оптичної густини розчину.

Зазвичай похибки, що виникають при вимірюванні світлопоглинання розчинів є значно меншими, аніж ті, що вносяться при проведенні хімічних операцій. В деяких методиках протікання кольорових реакцій погано відтворюється. В інших методиках утворений забарвлений продукт є нестабільним у часі, що призводить до значних похибок у разі навіть незначного відхилення від оптимальних умов проведення реакції. Деякі системи є дуже чутливими навіть до невеликих коливань температури (∆t=3–5 оС) або рН розчину. Похибки також можуть бути спричинені протіканням конкурентних реакцій або зміною іонної сили розчину.

Відносна похибка визначення концентрації у спектрофотометрії складається з відносних похибок величин, що входять у розрахункову формулу (закон Бугера– Ламберта–Бера):

∆С	=	∆А	+	∆k	+	∆l	,	(1.64)
С		А		k		l

де ∆С, ∆А, ∆k та ∆l – відносні похибки визначення відповідних величин (концентрації розчину, коефіцієнта поглинання та товщини кювети). При дотриманні усіх оптимальних умов найбільшим є внесок першого з доданків, а саме похибки вимірювання оптичної густини розчину. При маленьких оптичних густинах відносна похибка отриманого результату є значною, оскільки абсолютна похибка є співмірною з самим вимірюваним значенням.

При такому способі вимірювання А, коли розчин порівняння не містить визначуваної речовини (абсолютний спосіб вимірювання оптичної густини

52

розчину), похибка вимірювання концентрації може бути розрахована за формулою Туаймена-Лотіана:

∆А	=	0,434	∆Т	=	0,434 ∆Т	,	(1.65)
А		А	Т		А 10−А

де ∆Т – абсолютна похибка вимірювання пропускання. Для виведення формули скористаємося рівнянням (1.9):

А= −lg T .

При диференціюванні та переході до нормальних логарифмів ( 0,434 = lg е) матимемо:

dА =	−0,434 dT
	T	.	(1.66)

Поділимо рівняння (1.66) на рівняння (1.9) і отримаємо такий вираз:

dА 0,434 dT			∆А	0,434 ∆T
	=		, або А =
А		T lgT
				T А	.	(1.67)

Видно, що похибка визначення оптичної густини розчину залежить від величини Т. Причому, абсолютна похибка вимірювання Т (∆Т) для серії розчинів не перевищує ±0,005 або ±0,5% (як правило для окремого приладу за ∆Т приймають відношення подвоєного середнього відхилення результатів при повторному вимірюванні пропускання одного і того ж розчину до оптичної густини розчину).

За умови, що ∆Т=const, значення ∆СС , як і відповідне йому значення ∆АА є

мінімальним при А=0,434 (Т=36,8%). При такому Т функція (1.8) проходить через мінімум. Якщо значення вимірюваних А лежить в межах від 0,15 до 0,80, відносна

похибка вимірювання оптичної густини і, відповідно, ∆СС не перевищує 2%, що

відповідає вимогам, які висуваються для цілей мікроаналізу. При дуже малих значеннях А (≤0,1) та особливо дуже великих (≥1,0) похибка визначення концентрації зростає.

При спектрофотометричному визначенні високих концентрацій речовин, тобто у разі фотометрування інтенсивно забарвлених розчинів, абсолютна похибка вимірювання оптичної густини різко зростає. Причина такого явища у дуже малій інтенсивності світлового потоку, що проходить крізь інтенсивно поглинаюче середовище (сильно забарвлений розчин). У такому випадку навіть незначні кількості стороннього світла можуть значно спотворити значення оптичної густини розчину, а відповідно до цього, і значення концентрації визначуваної речовини. Так, наприклад, значенням оптичної густини, що дорівнюють 2,0 і 3,0 відповідають відповідає пропускання світла 1% та 0,1% відповідно. Тобно, зміна концентрації аналіту на 50% відповідає зменшенню пропускання всього на 0,9 % .

53

У сучасних спектрофотометрах з цифровою реєстрацією з достатньою точністю реєструється оптичну густину до 2,0 відн. од.

Для зменшення похибки вимірювання оптичної густини інтенсивно забарвлених розчинів використовують методи диференційної абсорбційної спектрофотометрії. В основу таких методів покладено вимірювання оптичної густини досліджуваного розчину проти розчину порівняння, що також містить визначувану речовину і має власне забарвлення. Концентрація визначуваної речовини у розчині порівняння може бути більшою або меншою, аніж у досліджуваному розчині. Відповідно до того, який розчин порівняння використовують, він має свою окрему специфіку та назву (метод високого поглинання, метод максимальної точності, метод низького поглинання тощо). Найбільш поширеним є метод високого поглинання (А≥2,0). Як розчин порівняння використовують розчин з концентрацією аналізу дещо меншою аніж у досліджуваному. При такому способі детектування значення оптичної густини досліджуваного розчину буде меншим порівняно із тим, що було б отримано при використанні «традиційного» (без додавання аналізу) холостого розчину або води (розчинника). Внаслідок зменшення оптичної густини розчину зменшується і похибка при її вимірюванні.

Згідно закону Бугера-Ламберта-Бера:

Авідн = Ах − А0 =k l ( Cx −C0 ) ,

Де Авідн – оптична густина, виміряна проти розчину порівняння з концентрацією аналіту С0 , А0 і Ах - оптичні густини розчину порівняння і досліджуваного розчину, що виміряні проти розчинника.

Для диференційного способу вимірювання світлопоглинання використовують також формулу Туаймена-Лотіана:

∆А

=

0,434 ∆Т

=

0,434 ∆Т

=

0,434 ∆Т

. (1.68)

А

А Т

(А

+ А ) 10

−А

(А

+k l C

) 10

−А

відн

0

відн

х

відн

0

відн

Як розчин порівняння при використанні методу високого поглинання, як правило, використовують перший розчин грудуювальної серії. За результатами вимірювання оптичної густини розчинів серії (Аі) для кожного з розчинів (крім першого) розраховують значення факторів перерахунку (Fi) за формулою:

Fi =	Ci −C1	=	∆Ci	,	(1.69)
	A
			A
	i		i
де ∆Ci =Ci −C1 , Сі та С1– концентрація визначуваної					речовини в і-тому та

першому розчинах відповідно, Ах – оптична густина розчину аналізу проти розчину порівняння.

Концентрацію аналізу у розчині (Сх) розраховують за формулою:

Cx =

F

Ax +C1 ,

(1.70)

54

де F – середнє арифметичне значення фактору, Ах – оптична густина розчину, а С1 – концентрація елементу в розчині порівняння, мг/л.

Слід зважати на інструментальні обмеження методів диференційної спектрофотометрії, що зумовлені необхідністю налаштування приладів, зокрема збільшення щілини монохроматора. У випадку не досить високої якості монохроматора неминучими є похибки, що обумовлені впливом розсіяного випромінювання (див. коментар до рис. 1.9).

1.4.3. Вибірковість

Визначення одного аналіту в присутності іншого можливе, якщо методика характеризується задовільною вибірковістю. Для оцінки вибірковості методики досліджують вплив сторонніх компонентів при концентрації аналіту, що відповідає початку, середині та кінцю градуювального графіка. Дослідження заважаю чого

впливу проводять при співвідношенні Сзав/Свизн = 0,1 ÷ 1000, де Сстор та Свизн – концентрації стороннього та визначуваного компонентів відповідно.

Критерієм заважаючого впливу за рекомендаціями ІЮПАК є збільшення стандартного відхилення сигналу у присутності стороннього компоненту (Sy) у 2–3 рази порівняно зі стандартним відхилення сигналу за відсутності стороннього компоненту (SA): Sy ÷ 2SA – 3SA. Величину стандартного відхилення сигналу розраховують з використанням методів математичної статистики.

Дещо простішим є інший спосіб розрахунку критерію стороннього впливу на основі вимірювання оптичної густини розчину з визначуваним компонентом у присутності стороннього компонента (А′) та за його відсутності (А). Вважають, що сторонній компонент не заважає визначенню аналіту, якщо в його присутності оптична густина розчину змінюється менш, ніж на 10%:

	′	− A
	A			÷ 0,01–0,10.
		A

За наявності більших відхилень методика вважається не придатною для застосування. Для зменшення стороннього впливу. розроблено цілий ряд дієвих способів.

На сьогодні у арсеналі аналітичної хімії є різні способи поліпшення вибірковості методики, які можуть бути успішно використані при визначенні аналітів різної природи. Деякі з них зарекомендували себе як дуже ефективні також і в спектрофотометрії. Кожен із перерахованих нижче способів має свої переваги і недоліки.

Спектрофотометричні реагенти зазвичай реагують не лише із визначуваним компонентом, а і з присутніми у розчині сторонніми речовинами. Поліпшити вибірковість можна шляхом створення специфічних умов фотометричної реакції одним наведених нижче способів.

Одним із найпростіших способів створення специфічних умов аналітичної реакції є обмеження концентрації реагенту у розчині. Регулюючи вміст реагенту в реакційній суміші можна створити умови, за яких лише визначуваний компонент утворює забарвлений продукт.

55

Іншим способом створення специфічних умов реакції є застосування

маскування сторонніх компонентів. Найчастіше маскування здійснюють,

зв’язуючи сторонні іони у комплексні сполуки, спектри яких не перекриваються зі спектрами поглинання розчину аналіту. До того ж маскуючий агент не повинен руйнувати аналітичну форму визначуваного компоненту. Для зв’язування катіонів металів використовують ліганди як неорганічної природи, зокрема флуорид, сульфат, аміак, роданід, ціанід тощо так і органічні речовини - цитрат, тартрат, оксалат, ацетат, аміни, ЕДТА тощо.

Досить ефективним прийомом маскування у спектрофотометрії є зміна ступеня окиснення стороннього елемента, що зазвичай супроводжується зміною його хімічних властивостей, зокрема здатності до комплексоутворення, чи спектральних характеристик продукту реакції. Так, наприклад, при спектрофотометричному визначенні молібдену тіоціанатним методом введення відновника до реакційної суміші усуває сторонній вплив феруму (ІІІ) завдяки його відновленню до феруму(ІІ), який не утворює забарвлених сполук із тіоціанатом.

У випадку стороннього впливу кількох компонентів найбільш вживаним є графічний метод добавок. Суть його полягає у наступному. Готують серію розчинів шляхом додавання до аліквотних частин досліджуваного розчину (однакового об’єму!) різних об’ємів стандартного розчину аналіту. До кожного розчину додають всі необхідні (згідно методики) компоненти і реєструють оптичну

густину. Будують залежність (рис. 1.23) оптичної

густини

розчину

від

вмісту

доданого аналіту (добавки).

Отриману пряму продовжують до перетину

A

із віссю абсцис. Значення (по модулю) абсциси

точки

перетину

експериментально

отриманої

0,4

прямої з віссю концентрацій (Сх на рис. 1.23)

дорівнює концентрації аналіту у розчині

аліквоти.

0,2

Однією з важливих переваг графічного

методу добавок є можливість усунення таким

способом

стороннього

впливу

матриці,

2 4

6

8 10

компоненти

якої

є

невідомими

та

-2 Сx 0

непередбачуваними, а їхній вміст не визначений.

Cст,мкмоль/л

Так,

наприклад,

графічний

метод

добавок

є

Рис. 1.23. Графічний варіант

незамінним

при

спектрофотометричному

обробки результатів, отриманих

визначенні

компонентів природних вод

та

за методом добавок

витяжок з ґрунтів.

Для одночасного визначення кількох компонентів суміші без їх попереднього

розділення запропоновано так звані абсолютні фотометричні методи аналізу, а саме методи двохвильової та похідної спектрофотометрії. Обидва методи базуються на застосуванні законів Бугера-Ламберта-Бера та адитивності оптичних густин.

Метод двохвильової спектрофотометрії застосовують для визначення компонентів суміші у тому випадку, якщо оптично активні форми обох компонентів суттєво розрізняються за оптичними характеристиками.

56

Оптична густина суміші речовин, які поглинають ЕМВ із довжиною хвилі λ і не взаємодіють одна з одною (Аλ), розраховується за законом адитивності оптичних густин (1.15). В основу кількісного аналізу суміші двох речовин з коефіцієнтами поглинання k А та kВ покладено вимірювання світлопоглинання розчину при двох довжинах хвиль λ1 та λ2 (їх називають аналітичними) та наступне розв’язання системи двох рівнянь:

Aλ1 = kA λ1 CA l+ kB λ1 CB l Aλ2 =kAλ2 CA l+kB λ2 CB l,

де А і В – компоненти суміші, k А та kВ – питомі коефіцієнти поглинання компонентів суміші (мг.см–1.л–1), CА та CВ – концентрації речовин (мг/л).

Важливим моментом є правильний вибір аналітичних довжин хвиль. Якщо спектри поглинання компонентів суміші суттєво різняться, обирають λ1 в максимумі поглинання одного з компонентів (з якомога більшим значенням k), а λ2 – на ділянці спектру, де цей компонент практично не поглинає. Якщо смуги поглинання

перекриваються, обирають λ1 та λ2, при яких kAλ1 − kB λ1 та kAλ2 −kBλ2 є максимальними. Значення λ1 та λ2 можуть не співпадати з максимумами поглинання речовин. Відносна похибка визначення концентрації компонентів суміші буде

мінімальною, якщо при обраних аналітичних довжинах хвиль значення Aλ1 і Aλ2

лежатимуть в межах 0,1–1,0. Метод широко використовують при визначенні барвників у заводських лабораторіях з метою контролю процесу фарбування, наприклад тканин.

Метод похідної спектрофотометрії базується на використанні диференціювання по довжині хвилі λ. Графічне зображення залежності dА/dλ від λ має два екстремуми: максимум, який відповідає максимальному зростанню оптичної густини, та мінімум, який відповідає максимальному зменшенню оптичної густини; в максимумі поглинання речовини dА/dλ=0.

За законом Бугера-Ламберта-Бера оптична густина розчину прямо пропорційна концентрації речовини. Така ж прямо пропорційна залежність від концентрації справедлива і для dА/dλ:

dA	= C l	dε	.
dλ
		dλ

Закон адитивності справедливий як для оптичних густин, так і для їх похідних. У випадку двокомпонентної системи (Х +Y) маємо:

ddAλ = CA l ddελX +CB l ddελY ,

де СА та СВ – концентрації компонентів суміші, моль/л, εX та εY – молярні коефіцієнти поглинання X та Y відповідно. Для визначення одного із компонентів у присутності іншого обирають таку довжину хвилі, при якій dА/dλ для іншого компоненту дорівнює „0” (в області екстремуму в спектрі цього компоненту), і

57

навпаки. При цьому один з доданків перетворюється на нуль і величина dА/dλ залежить від концентрації лише одного з компонентів. Як аналітичний відгук у

методі похідної спектрофотометрії використовують величину dA/ dλ . Метод

похідної спектрофотометрії придатний для визначення кількох компонентів у розчині навіть за таких умов, коли спектри поглинання продуктів їх взаємодії з реагентом суттєво перекриваються.

Питання для самоконтролю

Чутливість фотометричного аналізу

1.Межа виявлення (МВ) та мінімальна визначувана концентрація (Сmin) аналіту.

2.Інструментальні способи підвищення чутливості фотометричного аналізу.

3.Застосування попереднього концентрування як способу підвищення чутливості фотометричного аналізу.

4.Застосування екстракційного концентрування у фотометрії. Його переваги та недоліки.

5.Застосування сорбційного концентрування у фотометрії. Його переваги та недоліки.

Точність спектрофотометричного визначення елемента

6.Складові точності як метрологічної характеристики методики.

7.Правильність та способи її контролю.

8.Відтворюваність та повторюваність результатів аналізу, їх оцінка. Фактори, що спричиняють їх погіршення.

9.Відносна похибка визначення концентрації речовини.

10.Відносна похибка вимірювання оптичної густини розчину.

11.Диференційна спектрофотометрія як спосіб підвищення точності фотометричного визначення елемента. Особливості її застосування.

Вибірковість спектрофотометричного визначення

12.Кількісна оцінка вибірковості фотометричного визначення елемента.

13.Перерахуйте відомі вам способи поліпшення вибірковості фотометричного визначення елементу.

14.Створення специфічних умов реакції шляхом регулюванням концентрації реагенту в розчині та рН розчину.

15.Маскування сторонніх іонів як спосіб поліпшення вибірковості фотометричного визначення елемента.

16.Метод добавок як спосіб врахування матричного ефекту при фотометричному визначенні елемента у зразку.

58

2. МЕТОДИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ЕМІСІЙНОГО АНАЛІЗУ

Флуориметричний (люмінесцентний аналіз) завдяки високій чутливості широко застосовується у біохімічних дослідженнях, клінічній хімії, аналізі слідових кількостей токсичних і вибухонебезпечних речовин. В основі методу лежить здатність молекул речовини частину поглинутої енергії електромагнітного випромінювання випромінювати у вигляді світла в УФабо видимому спектральному діапазоні.

Залежно від типу енергії збудження розрізняють кілька видів люмінесценції

(табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Види люмінесценції залежно від енергії збудження

№	Енергія збудження речовини	Тип люмінесценції
1.	Теплова	Кондолюмінесценція
2.	Механічної деформації	Тріболюмінесценція
3.	Електрична	Електролюмінесценція
4.	Катодних променів	Катодолюмінесценція
5.	Рентгенівських променів	Рентгенофлуоресценція
6.	УФ/Видимого світла	Фотолюмінесценція
		(флуоресценція та фосфоресценція)
7.	Хімічної реакції	Хемілюмінесценція
8.	Біохімічної реакції	Біохемілюмінесценція
9.	Електрохімічної реакції	Електрохемілюмінесценція

Найширше в аналітичній практиці використовуються 5 видів люмінесценції, а саме рентгенофлуоресценція, флуоресценція, хемілюмінесценція, біохемілюмінесценція і електрохемілюмінесценція (табл.1), які покладено в основу відповідно атомно-емісійного рентгенофлуоресцентного методу і молекулярноемісійних: люмінесцентного, хемілюмінесцентного, біохемілюмінесцентного і електрохемілюмінесцентного методів аналізу. Останні три методи відносять до кінетичних, тому в цьому розділі вони не будуть розглядатись. Основну увагу буде приділено методу, що базується на фотолюмінесценції.

Фотолюмінесценція – це світіння молекул, що виникає внаслідок електронних переходів, що відбуваються при поверненні опроміненої електромагнітним випромінюванням молекули із збудженого енергетичного стану в основний. До фотолюмінесценції відносять флуоресценцію (або люмінесценцію у вузькому розумінні) і фосфоресценцію. Природу виникнення флуоресценції і фосфоресценції наглядно демонструє діаграма енергетичних рівнів Яблонського

(рис.2.1).

59

Е	Внутрішня релаксація, 10-12 с
	3			Інтеркомбінаційна
	S1 1
	2						конверсія
	0
	Абсорбція			Флуоресценція,
				10-8 с
							Фосфоресценція,
	Внутрішня			Внутрішня
							10-1-10-3 с
	конверсія			конверсія

3 So 12 0

Рис. 2.1. Діаграма Яблонського, що схематично відображає енергетичні переходи між основним і збудженим енергетичними коливальними рівнями молекули.

При поглинанні (за 10–15 с) електромагнітного випромінювання (УФ або видимого світла) молекули більшості органічних сполук, що за кімнатної температури перебувають на найнижчому підрівні основного стану (S0), переходять на будь-який підрівень першого або більш високого збудженого стану (S1, S2..). Основний стан молекул (S0), як правило, є синглетним. Для такого стану характерним є те, що всі електрони є спареними, вони розташовані на одній молекулярній орбіталі та мають протилежні спіни. Отже загальний спін дорівнює 0, а мультиплетність відповідно m= 2S+1=1 (рис.2.2).

Основний стан	Збуджений стан	Збуджений стан
m =1	m =1	m =3

Рис. 2.2. Конфігурація спінів електронів у синглетному і триплетному стані.

Для молекул в конденсованому стані характерна швидка (за 10–12 с) внутрішня релаксація – перехід молекул з будь-якого підрівня збудженого стану на найнижчий його підрівень (S01). Збуджені молекули швидко втрачають більшу частину поглинутої енергії внаслідок зіткнення з іншими молекулами речовини або

60

розчинника, переходячи при цьому на будь-який підрівень основного енергетичного стану. Таке явище називається внутрішньою конверсією. Частина ж енергії випромінюється у вигляді світла (як правило, випромінювання завершується за 10– 9–10–6 с). Оскільки випромінювання відбувається з найнижчого підрівня збудженого стану (S01), спектр випромінювання (люмінесценції) не залежить від довжини хвилі збуджуючого світла (правило Каши). Енергетичні переходи молекули зі збудженого стану в основний без зміни спіну електрону називаються синглет-синглетними, а випромінювання, яке викликане такими переходами, називається флуоресценцією (або просто люмінесценцією). Затухання люмінесценції описується рівнянням:

І=І0·е–t/τ,

де І0 й І – відповідно початкова інтенсивність люмінесценції і інтенсивність випромінювання на момент часу t, τ – час життя збудженого стану (закон затухання). Оскільки час життя збудженого стану дуже короткий, флуоресценція зникає зразу після припинення опромінення розчину речовини.

Під дією зовнішніх або внутрішніх факторів спін електрону збудженої молекули може змінитись на протилежний (рис. 2.2.), молекула при цьому із першого збудженого стану перейде у триплетний стан. Таке явище називається

інтеркомбінаційною конверсією (рис. 2.1). При поверненні в основний енергетичний стан молекула втрачає енергію за безвипромінювальним механізмом (внаслідок внутрішньої конверсії), або у вигляді світла. Випромінювання, обумовлене триплет-синглетними енергетичними переходами при поверненні молекули із збудженого стану в основний, називається фосфоресценцією. Оскільки переходи між станами різної мультиплетності заборонено, час життя Т1 (≥ 10–4 с) значно перевищує час життя S1. За такий проміжок часу збуджені молекули речовини втрачають енергію внаслідок зіткнення з іншими молекулами та молекулами розчинника Цим пояснюється той факт, що в розчині фосфоресценція не спостерігається. Саме через це фосфоресценція знайшла менш широке застосування в аналітичній хімії. Для отримання фосфоресценції зразки заморожують, охолоджуючи їх до температури рідкого азоту (при цьому процеси зіткнення молекул зводяться до мінімуму), або адсорбують на твердому носії. Водночас тривала фосфоресценція характерна для багатьох неорганічних мінералів

(табл. 2.2, рис.2.3, Додаток 4).

Таблиця 2.2. Фосфоресценція деяких природних мінералів

№	Мінерал	Колір люмінесценції
1	Кальцит	Червоний
2	Мінерали з ураном	Зелений
3	Циркон	Жовтий (коричневий).
4	Природний шеєліт	Яскраво блакитний
5	Корунд	Малиновий
6	Опал	Блакитний
7	Топаз	Зелений

61

Рис. 2.3. Мінерали, опромінені УФ світлом. Зразки мінералів з музею ім. А.Є. Ферсмана РАН. Фото: © А.А. Євсеєв (http://geo.web.ru/druza/m-lumin.htm)

2.1. БУДОВА МОЛЕКУЛИ І ФЛУОРЕСЦЕНЦІЯ

Залежність інтенсивності флуоресценції від довжини хвилі збуджуючого світла називається спектром збудження, а залежність інтенсивності флуоресценції від довжини хвилі випромінювання називається спектром флуоресценції. Типові спектри збудження і флуоресценції наведено на рис. 2.4.

I/Imax	1	2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0	200	400	λ, нм
			ν, 103 cм-1
	5,0	2,5

Рис. 2.4. Типові нормовані спектри збудження (1) та флуоресценції (2).

Оскільки між енергією фотона та довжиною хвилі існує обернено пропорційна залежність, довжина хвилі випромінювання (λem ) більша, аніж довжина хвилі збуджуючого (поглинутого) світла (λex). Через це спектр флуоресценції та його максимум зміщений відносно спектру збудження і його максимуму батохромно (Закон Стокса-Ломмеля). Величини ∆λ = λmaxem– λmaxex або

62

∆υ = υ maxex – υ maxem – називають Стоксовим зсувои. Таке зміщення у спектрі обумовлено втратою частини енергії, яка поглинулась молекулою, на безвипромінювальні переходи.

Для великих за розміром органічних молекул виконується правило дзеркальної симетрії В.А.Льовшина: побудовані у функції хвильових чисел спектри збудження і флуоресценції є дзеркально симетричними відносно перпендикуляру, що проведений через точку їх перетину рис. 2.4. З рис. 2.4 видно, що молекули, які здатні випромінювати у видимому діапазоні спектру, мають поглинати при довжині хвилі ≥ 300 нм. Виходячи з рівняння Е = h·c·NА /λ (де h – стала Планка, с – швидкість світла, NА – число Авогадро), легко показати, що енергія збудження таких речовин не повинна перевищує 100 ккал/моль (табл. 2.3).

Таблиця 2.3. Поглинання і люмінесценція речовин залежно від їхньої будови

Речовина	Езбудження,	λ max abs, нм	λmaxem , нм
	ккал/моль		відсутня
Етан	180	155
Етилен	150	190	відсутня
Бутадієн	129	217	відсутня
Бензол		255	254–310
п-Нітроанілін		318	323–407

λmaxabs і λmaxem – довжини хвиль при максимальному поглинанні і максимальному випромінювання світла.

До таких речовин належать сполуки, молекули яких містять ланцюги спряження. Це, як правило, ароматичні та гетероциклічні сполуки, що містять у своєму складі ще й електродонорні та (або) електроноакцепторні групи. На рис. 2.5 наведено спектри поглинання, збудження і випромінювання флуоресцеїну.

А (1)					І, відн. од. (2,3)
0,6					800
		2	3
					600
0,4
		1
					400
0,2					200
0,0					0
400	440	480λ, нм520		560	600

Рис. 2.5. Спектри поглинання (1), збудження (2) і флуоресценції (3) розчину флуоресцеїну

63

Присутність ланцюгів спряження в молекулі речовини є необхідною, але не достатньою умовою для наявності люмінесцентних властивостей у речовини. Так фенолфталеїн, формулу якого наведено на рис. 2.6, не має власної люмінесценції.

	OH	OH
	C	OH-
		C
	OH	O
C	O	HOOC

O

Рис. 2.6. Протолітичні форми фенолфталеїну у нейтральному і лужному розчині.

Це зумовлено наступними причинами. Енергія молекули складається з енергії електронів, коливальної, обертальної і поступальної енергії, при цьому один вид енергії може перетворюватись на інший. Так, енергія збудження електронів може витрачатись, зокрема, на обертальну енергію. З рис. 2.6 видно, що молекула фенолфталеїну не є жорсткою. Її окремі фрагменти можуть обертатись, що супроводжується утворенням конфірмаційних ізомерів. Оскільки ізомеризація відбувається швидше, ніж випромінювання (10–10 с), а енергія ізомеризації нижча за енергію збудження таких молекул (становить 20–50 ккал/моль), то поглинута енергія насамперед витрачається на ізомеризацію і не випромінюється у вигляді світла. Флуоресценція у розчині для таких речовин не спостерігається. Для речовини, в молекулах якої окремі ланцюги спряження жорстко фіксовані (наприклад, коли молекула має компланарну будову), характерна інтенсивна люмінесценція. Нижче наведено формули деяких люмінесцентних індикаторів – органічних речовин, що випромінюють світло у видимому діапазоні і характеризуються відносно високим квантовим виходом.

Фенілфлуорон		Бромпірогаловий червоний
HO	O	O

COOH

Флуоресцеїн

Родамін 6Ж

64

Квантовий вихід флуоресценції (φ) характеризує ефективність перетворення поглинутої (абсорбованої) енергії на енергію випромінювання. Він визначається як співвідношення кількості квантів флуоресцентного світла до кількості квантів світла, що поглинулось молекулою (є аналогом молярного коефіцієнта поглинання для хромофорів). Оскільки частина поглинутої енергії втрачається за безвипромінювальним механізмом, квантовий вихід, як правило, менший одиниці. Іншим параметром, що характеризує ефективність перетворення енергії збудження на енергію випромінювання є енергетичний вихід, який визначається як співвідношення енергії флуоресцентного світла до енергії світла, що поглинулось молекулою. В короткохвильовій ділянці світла енергетичний вихід зростає із збільшенням довжини хвилі опромінення (закон С.І.Вавілова).

Люмінесцентні методи можна розділити на дві великі групи:

І. Титриметричні методи (хімічні) із застосуванням флуоресцентних індикаторів.

ІІ. Методи флуоресцентної спектроскопії, які в свою чергу поділяють на 5 основних груп:

9 методи визначення органічних та неорганічних речовин за їх власною люмінесценцією;

9 методи визначення іонів металів із забудованою електронною оболонкою та перехідних металів у найвищому стійкому ступені окиснення;

9методи, що базуються на гасінні люмінесценції люмінесцентних індикаторів;

9методи визначення органічних речовин із застосуванням сенсибілізованої люмінесценції лантаноїдів;

9екстракційнолюмінесцентні методи;

9сорбційно-люмінесцентні методи.

Титриметричні методи із застосуванням флуоресцентних індикаторів

Флуоресцентні індикатори застосовуються практично в усіх титриметричних методах, а саме:

9кислотно-основного титрування;

9окисно-відновного титрування;

9осадження;

9комплексоутворення (комплексонометрії).

Як флуоресцентні індикатори використовують речовини із високим квантовим виходом, які змінюють люмінесцентні властивості поблизу або в точці еквівалентності. Точку кінця титрування визначають, як правило, за появою, зникненням люмінесценції або зміною її кольору. В таблиці 2.4 наведено приклади деяких кислотно-основних індикаторів та інтервал рН переходу кольору їхньої флуоресценції.

65

Таблиця 2.4. Характеристика деяких кислотно-основних флуоресцентних індикаторів

	Флуоресцентний	Інтервал рН переходу	Флуоресценція
	індикатор	кольору флуоресценції
	Саліцилова кислота	2,5–4,0	Немає – темно-синя
	Еозин	2,5–4,5	Немає – жовто-зелена
	2-Нафтіламін	2,8–4,4	Немає – фіолетова
	1-Нафтіламін	3,4–4,8	Немає – синя
	1-Нафтіламін	12,0–13,0	Синя – немає
	Флуоресцеїн	4,0–5,0	Рожево – зелена – зелена
	Хінін	3,8–6,1	Блакитна - фіолетова
	Хінін	9,5–10,5	Фіолетова - немає
	Акридин	4,8– 6,6	Зелена – фіолетово-синя
	Хромотропова кислота	6,0–7,0	Немає – синя
	Морин	8,0–9,8	Немає – зелена

Особливістю титриметричних методів із застосуванням флуоресцентних індикаторів є те, що титрування здійснюють у темній кімнаті на титрувальному столику, який оснащено УФ-лампою (наприклад, ртутною). Порівняно із класичною фотометрією такі методи характеризуються більш високою точністю і чутливістю, завдяки тому, що око краще сприймає появу або зникнення світла, аніж зміну кольору звичайного індикатора. Крім того методи є придатними для аналізу каламутних і забарвлених розчинів.

Методи флуоресцентної спектроскопії

За власною люмінесценцією найчастіше визначають органічні речовини. Інтенсивною люмінесценцією характеризуються такі поліциклічні сполуки, як вітамін К, пурини, нуклеозиди і спряжені полієни типу вітаміну А, наркотичні речовини (кокаїн, морфін, берберін) тощо.

3,4-Бензапірен (рис. 2.7, Додаток 4) має виражені канцерогенні властивості і належить до сполук вищого класу небезпеки. Дія його обумовлена здатністю вбудовуватись у між ланцюгами ДНК. Доречі, у приміщенні, де палять, бензапірену міститься у 10-ки разів більше, ніж в екологічно небезпечних місцях – поблизу фабрик і заводів. Люмінесцентний метод дає можливість визначати 3,4-бензапірен з дуже високою чутливістю – на рівні 10 нг/л.

До основних недоліків цієї групи методів слід віднести недостатню вибірковість. Тому визначенню цих речовин передує розділення, наприклад хроматографічне. Широко відомі хроматографічні методи із флуоресцентним детектуванням.

66

бензапірен

Рис. 2.7. Вплив 3,4-бензапірену на молекулу ДНК

Серед неорганічних речовин власну люмінесценцією у розчині мають солі уранілу і лантаноїдів (рис. 2.8, Додаток 4), завдяки тому, що в їх атомах незаповнені f-електронні оболонки екрановані від розчинника заповненими s- і d-електронними оболонками. Люмінесцентний метод і на сьогодні є одним з найбільш чутливих для визначення урану в розчині.

Рис. 2.8. Люмінесценція водних розчинів комплексів європію, тербію, диспрозію і самарію при УФ опроміненні світлом довжиною хвилі 365 нм.

Методи визначення іонів металів із забудованою електронною оболонкою

(наприклад, лужноземельні метали, алюміній, цирконій тощо) та перехідних металів у найвищому стійкому ступені окиснення (титан, станум та ін.)

ґрунтуються на утворенні із флуоресцентними індикаторами комплексних сполук, що мають

люмінесцентні властивості (емпіричне правило Стевенса).

Так, алюміній визначають, вимірюючи флуоресценцію хлороформного екстракту його комплексу із оксихіноліном складу 1:3.

67

Методи, що базуються на гасінні флуоресценції люмінесцентних індикаторів. Іони перехідних металів утворюють із люмінесцентними індикаторами комплексні сполуки, що не мають флуоресцентних властивостей (друга частина емпіричного правила Стевенса). Отже, додавання до розчину індикатора розчину солі металу супроводжується пропорційним до збільшення концентрації металу у розчині зниженням інтенсивності флуоресценції індикатора. На цьому базуються люмінесцентні методи визначення іонів перехідних металів у розчині. Основним їх недоліком є низька вибірковість, обумовлена тим, що гасіння люмінесценції може бути викликано й багатьма іншими факторами (див. гасіння флуоресценції).

Екстракційно-люмінесцентні методи базуються на вимірюванні люмінесценції іонних асоціатів типу «флуоресцентний індикатор катіонного типу (наприклад, Родамін С) – аналіт в аніонній формі (наприклад, ацідокомплекс металу)» або «Аналіт у катіонній формі – флуоресцентний індикатор аніонного

типу».
	Так, одним із найбільш чутливих					H+
методів визначення талію (ІІІ) є							O	+		[TlBr4-]2
люмінесцент ний метод, що ґрунтується					(C2H5)2N			N(C2H5)
на	вимірюванні		флуоресценції			H3C	C	CH3
хлороформного		екстракту		іонного
асоціату, утвореного внаслідок взаємодії								COOH
протонованої форми Родаміну С з TlBr4–.
Межа виявлення талію цим методом
становить 0,2 мкг/л.

2.2. ВІДПОВІДНІСТЬ МІЖ КОНЦЕНТРАЦІЄЮ ТА ІНТЕНСИВНІСТЮ ФЛУОРЕСЦЕНЦІЇ

В методі флуоресцентної спектроскопії як аналітичний сигнал використовують інтенсивність люмінесценції. Рівняння, що зв’язує інтенсивність люмінесценції із концентрацією визначуваної речовини і лежить в основі кількісної флуориметрії, було виведено на основі закону Бугера-Ламберта-Бера для розчинів, що слабо поглинають при довжині хвилі збуджуючого світла (А≤ 0,01), має вигляд:

I = B ϕ I0 ε l C ,

де, В стала величина, φ – квантовий вихід речовини, що випромінює, I0 – інтенсивності збуджуючого світла, ε – молярний коефіцієнт світлопоглинання речовини, ℓ – товщина кювети, см, C – концентрація речовини у розчині , моль/л, ε·ℓ·C – оптична густина розчину при довжині хвилі опромінення.

Видно, що при сталих інтенсивності збуджуючого світла і товщині кювети інтенсивність люмінесценції прямо пропорційна концентрації аналіту у розчині. При високих концентраціях речовини (А≥ 0,01) лінійна залежність «інтенсивність люмінесценції – концентрація аналіту» порушується внаслідок, так званого, ефекту внутрішнього фільтру, коли більшу частину енергії збуджуючого світла поглинає

68

перший на його шляху шар розчину. Концентрація визначуваної речовини, що відповідає верхній межі лінійності градуювального графіку, називається «пороговою» концентрацією.

Порівняно із спектрофотометрією, метод флуориметрії характеризується вищою (на 1 – 2 порядки) чутливістю. Це обумовлено тим, що чутливість вимірювання флуоресценції в тисячі разів вища порівняно із вимірюванням оптичної густини. Це легко зрозуміти з такого прикладу. Вимірювання оптичної густини можна порівняти із визначенням маси капітана корабля шляхом зважуванням корабля без капітана та з капітаном на борту (оскільки в абсорбційній спектроскопії вимірюється різниця двох сигналів І0 і І). У флуоресцентній спектроскопії "зважують" лише капітана. До того ж, для флуориметричних методів аналізу характерним є ширший діапазон визначуваних концентрацій. Втім, вибірковість методу є нижчою, що зумовлено явищем гасіння (зменшення квантового виходу) флуоресценції, зокрема в присутності кисню, нітрат-іону, деяких важких атомів, при підвищенні температури тощо. Для поліпшення вибірковості застосовуються ті ж самі методи, що й в спектрофотометрії.

2.3. ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛІЗУ

Як і в спектрофотометрії, для детектування флуоресценції використовують два типи приладів: флуориметр (аналог фотометру) і спектрофлуориметр (аналог спектрофотометру). Відмінність від спектрофотометричних приладів полягає у наявності двох окремих світлофільтрів (відповідно монохроматорів) збуджуючого світла і флуоресцентного світла, та розміщенні детектора випромінювання під прямим кутом відносно потоку збуджуючого світла. При такому способі детектування збуджуюче світло не потрапляє на детектор. Схема простого флуорометра показана на рис. 2.9. Як джерело УФ-випромінювання

0

використовують ртутну лампу низького тиску (основні лінії випромінювання, A : 2537, 3650, 5200 (зелена), 5800 (жовта) і 7800 (червона)).

Фільтр 1	Зразок

Джерело УФ-

випромінювання

Фільтр 2

Детектор

Рис. 2.9. Блок-схема простого флуориметра

69

Первинний фільтр (фільтр 1) пропускає випромінювання при довжині хвилі збудження молекули визначуваної речовини. Вторинний фільтр (фільтр 2) пропускає випромінювання флуоресценції, але не пропускає розсіяне випромінювання збудження.

У спектрофлуориметрах (рис. 2.10) як джерело збудження використовують ксенонові лампи високого тиску (джерело безпрерервного спектра випромінювання). Тиск у лампі становить 7 атм. при 250С і 35 атм. при робочій температурі вихідного випромінювання. Вимірювання також проводять під прямим кутом, але замість фільтрів прилад оснащено двома скануючими монохроматорами: один виділяє довжину хвилі збуджуючого світла, другий – флуоресценції.

Рис. 2.10. Вигляд сучасного спектрофлуориметра.

Спектрофлуориметри, які оснащено джерелом безпрерервного спектру, дають можливість сканувати довжину хвилі збудження та флуоресценції. Оскільки інтенсивність флуоресценції залежить від довжини хвилі збудження (подібно спектру поглинання), під час роботи на приладі спочатку визначають довжину хвилі максимального збудження флуоресценції. Встановивши це значення довжини хвилі збудження (за допомогою спеціальної опції приладу), сканують за довжинами хвиль випромінювання та визначають довжину хвилі, при якій спостерігається максимальна флуоресценція досліджуваної сполуки. При скануванні цього спектра зазвичай спостерігається помилковий пік, який відповідає довжині хвилі збудженого випромінювання і обумовлений розсіюванням випромінювання. Оскільки звичайне скло поглинає УФ-світло, то у флуоресцентній спектроскопії використовують кювети з кварцового скла.

70

Питання для самоконтролю

1.Види люмінесценції залежно від енергії збудження, природи виникнення.

2.Природа флуоресценції та фосфоресценції. Поясніть відмінності із залученням діаграми Яблонського.

3.Внутрішня та інтеркомбінаційна конверсії, коливальна релаксація, випромінювання світла.

4.Види люмінесценції, що застосовуються в аналізі.

5.Спектри збудження, поглинання та люмінесценції .

6.Зв’язок між будовою молекули органічної сполуки та її люмінесцентними властивостями (необхідна й достатня умови).

7.Класифікація люмінесцентних методів аналізу.

8.Способи вимірювання інтенсивності люмінесценції розчинів і твердих тіл. Блоксхеми основних приладів.

9.Люмінесцентні індикатори, особливості їх будови. Наведіть формули 4–5 найбільш широко вживаних індикаторів.

10.Застосування флуоресцентних індикаторів у титриметрії.

11.Техніка люмінесцентного титрування.

12.Переваги та недоліки люмінесцентних титриметричних методів аналізу.

13.Рівняння, що лежить в основі кількісного люмінесцентного аналізу.

14.Гасіння люмінесценції, основні фактори, що спричиняють гасіння у розчині.

15.Поняття порогової концентрації речовини та ефекту внутрішнього фільтру.

16.Чутливість флуоресцентних методів аналізу, діапазон лінійності градуювального графіка у порівнянні із спектрофотометрією.

17.Вибірковість люмінесцентних методів аналізу та способи її підвищення.

18.Чи залежить спектр флуоресценції речовини від довжини хвилі (енергії) збуджуючого світла? Відповідь обґрунтуйте.

19.Дайте визначення термінів: флуоресценція, фосфоресценція, внутрішня конверсія, інтеркомбінаційна конверсія, коливальна релаксація, синглетний і триплетний стан, квантовий і енергетичний вихід флуоресценції.

20.Які з наведених нижче сполук флуоресціюють у водному розчині?

N

	H2N	Cl- N	NH2	HO	O		O
		CH3
					Резоруфін
		Трипафлавін
	HO		O	H3C	N	N	CH3
				H C			- CH3
						Cl
				3

COOH

Фенолфталеїн

Малахітовий зелений

CH3

N+ NO3-

N+ NO3-

	CH3	Кристалічний фіолетовий
	Люцигенін

71

OH

NaO3S SO3Na

Р-сіль

OH

N

Оксихінолін

H O

OH

HO O

OH

O H O

Морин

72

3. ОПЕРАТИВНИЙ АНАЛІТИЧНИЙ КОНТРОЛЬ ПОЗА МЕЖАМИ ЛАБОРАТОРІЇ

Переміщення аналізу з лабораторії на місце відбору проби є однією з основних тенденцій розвитку сучасного хімічного аналізу. В основі цієї тенденції лежать дві основні причини: зростання потреб проведення аналізів безпосередньо на місці відбору проби (in sity), зростання технічних можливостей для реалізації таких вимірювань. Здійснення, так званого, позалабораторного аналізу забезпечується застосуванням тест-засобів і сенсорів, значна частина з яких базується на принципах молекулярної спектроскопії.

3.1. ТЕСТ-МЕТОДИ АНАЛІЗУ

Останнім часом спостерігається тенденція переміщення хімічного аналізу з лабораторії до місця відбору проби. Транспортування зразків при цьому замінюється транспортуванням інформації. Хімічний тест-аналіз “на місці” – напрямок, що швидко розвивається, оскільки передбачає просту і швидку оцінку наявності та (або) вмісту хімічного компонента у пробі тест-засобами – компактними, легкими та, як правило, дешевими одиничними пристроями чи приладдям (наборами або системами таких одиничних пристроїв). Тест-системами називають прості, портативні, легкі і дешеві аналітичні засоби і відповідні експресні методики для виявлення і визначення речовин без суттєвої пробопідготовки (іноді без відбору проби), без застосування складних стаціонарних приладів, лабораторного обладнання, без самої лабораторії, без складної обробки результатів, а також підготовленого персоналу; у більшості випадків застосовують автономні засоби одноразового використання. Тест-методики (інструкції) описують процедуру проведення тесту, включаючи пробовідбір (якщо необхідно), виявлення і визначення компонента або параметра. Тест-формою називають аналітичну форму реагенту або комбінації реагентів і різного роду добавок, що пристосована до умов тестування і готова до застосування за цих умов. У багатьох випадках тест-методи використовуються для попередньої оцінки наявності та вмісту компонентів. У цьому випадку доречна методологія скринінгу. Дуже зручні тест-системи для оцінки узагальнених показників досліджуваного об’єкта, наприклад хімічного споживання кисню (ХСК), суми важких металів у водах, антиоксидантної активності фітопрепаратів, напоїв тощо. З їх удосконаленням тест-методи будуть слугувати єдиним та остаточним засобом аналітичного контролю.

Історично першими тест-засобами були кислотно-основні індикаторні папери на основі адсорбованих на папері кислотно-основних індикаторів, індикаторні трубки для військових цілей, а згодом діагностичні смужки.

Загальний принцип майже усіх хімічних тест-методів – це використання аналітичних реакцій і реагентів за умов і у формах, що забезпечують отримання ефекту, що спостерігається візуально або легко вимірюється. Це, наприклад, інтенсивність забарвлення або зміна кольору паперової смужки, які спостерігаються візуально, або довжина забарвленої зони, що вимірюється звичайною лінійкою. Реагенти і різні добавки використовують у формі заздалегідь приготовлених і

73

дозованих розчинів (ампули тощо) або іммобілізованими на носії – папері, мінеральному сорбенті (високодисперсному кремнеземі), пінополіуретані тощо. Як тест-засоби можуть бути використані реагентні індикаторні паперові смужки (РІП), індикаторніпорошки(ІП), індикаторнітрубки(ІТ), таблеткитощо(рис. 3.1–3.4, Додатки5, 6).

Для напівкількісної оцінки вмісту аналіту в об’єкті найчастіше застосовують метод стандартної кольорової шкали. В основі методу лежить використання ІП, що змінюють своє забарвлення при взаємодії з аналітом. Контрастна зміна кольору ІП у процесі реакції дає можливість здійснювати візуальне визначення. Аналітичним відгуком може бути зміна відтінку або інтенсивності забарвлення ІП. Визначення концентрації аналіту в об’єкті здійснюють за стандартною кольоровою шкалою. Шкалу, як правило, готують одним з описаних далі методів, а саме, підбором кольору, придатного для кожної концентрації (з певним кроком шкали) із застосуванням атласу кольорів, скануванням, або методом комп'ютерної імітації. Підбір кольору, врахування суб'єктивного фактора людського зору, а також обґрунтування діапазону лінійності шкали здійснюють також побудовою залежності зміни координат кольоровості у системі CIELab від концентрації визначуваного компонента та моделюванням шкали, наприклад у графічному редакторі CorelDraw.

При створенні стандартної кольорової шкали її «крок» підбирають таким чином, щоб око найліпше фіксувало різницю кольору. Для цього реєструють спектри дифузного відбиття сорбентів із різним вмістом аналіту (у товстому шарі сорбенту), або спектри поглинання цих сорбентів у тонкому шарі і обчислюють із застосуванням відповідних математичних рівнянь залежність загальної різниці кольору (різновідтіночність, ∆Е) від вмісту аналіту. Шкалу готують таким чином, щоб ∆Е сусідніх точок відрізнялись на 10 відносних одиниць. МВ аналізу розраховують методом математичної статистики на основі параметрів розподілу вірогідностей її знаходження залежно від концентрації у пробі за експериментальними частотами виявлення. До експерименту залучають, як правило, 6–10 спостерігачів.

Методика візуального тест-визначення полягає у наступному. До розчину аналіту у стакані ємністю 50-200 см3 додають речовини, необхідні для створення оптимального значення рН і маскування заважаючих компонентів, і перемішують із наважкою ІП (50-200 мг) впродовж певного часу (в середньому 1-10 хв) або занурюють у розчин проби смужку РІП. Забарвлення ІП після його осадження чи РІП порівнюють зі стандартною шкалою (рис. 3.1–3.3, Додатки 5, 6).

Лінійно-колористичний метод (за довжиною індикаторної зони) базується на використанні індикаторних трубок і тест-пластин (4.9.3, 4.9.4). Вміст аналіту у пробі визначають не за зміною кольору, а за довжиною забарвленої або знебарвленої зони, що виникає в індикаторній трубці, або за діаметром чи площею такої зони (кола чи еліпса) на тест-пластині після контакту із розчином аналіту. В основі методу лежить пропорційність між довжиною (діаметром, площею) забарвленої зони індикаторної трубки (тест-пластини) і концентрацією аналіту в розчині (рис. 3.3, 3.4, Додаток 6).

Для одержання ІТ на основі модифікованих кремнеземів використовують переважно два способи. Наважку (близько 5 мг) обернено-фазового СГ вміщують у

74

трубку з молібденового скла, із двох кінців закривають трубку пробками із пінополіуретану перистальтичною помпою або шприцом прокачують розчин (близько 6 мл) реактиву-модифікатора. Цей спосіб дає можливість одержати індикаторну речовину безпосередньо в ІТ. Другий спосіб полягає у заповненні «сухим способом» скляних трубок, наприклад, ксерогелем кремнієвої кислоти, модифікованим органічним чи неорганічним реагентом.

IO3-

0 0,02 0,10 0,50

ммоль/л

	Рис. 3.1. Приклад кольорової	Рис. 3.2. Приклад РІП смужок для визначення рівня
	тест-шкали для визначення	кетонів і глюкози у крові.
	йодату із застосуванням ІП
		http://www.diabet-shop.ru/product/vizualnye-poloski-ketogluk-50/
	на основі модифікованого
	кремнезему

Рис. 3.3. РІП смужки для визначення	Рис. 3.4. Приклад комерційних
кальцію і магнію лінійно-колористичним	індикаторних трубок
методом

Застосовують два режими введення проби аналізу в ІТ: прокачування розчину аналіту, наприклад, за допомогою медичного шприца (режим «занурення») і підняття рідини за рахунок капілярних сил (режим «опускання»). У першому випадку розчин аналіту (1 мл) шприцом упорскують в ІТ і через певний час вимірюють лінійкою довжину забарвленої зони. Концентрацію речовини визначають за градуювальним графіком у координатах ℓ(мм)=f(C, мкг). Тривалість одного елементовизначення у середньому складає 8–10 хв. Зменшення гідрофобності носія за рахунок його попередньої модифікації поверхнево-активною речовиною дає можливість використовувати інший спосіб детектування. Кінець ІТ

Рис. 3.5. Портативний міні фотометр для реєстрації аналітичного сигналу при проведенні індикаторної реакції в розчині

75

занурюють у розчин аналіту на глибину 2–3 мм. Під дією сил змочування і капілярного ефекту розчин надходить у трубку. Після досягнення фронтом рідини верхнього кінця трубки її виймають з розчину і вимірюють довжину зони, що змінила забарвлення. Час такого визначення складає 3–5 хв при об’ємі проби 0,04- 0,06 мл проби. Перший режим за рахунок більшого об'єму проби забезпечує вищу чутливість визначення, а другий – дає змогу значно спростити і прискорити процедуру аналізу.

Чутливість визначення за допомогою ІТ за оптимальних умов реакції визначається вмістом реагенту в індикаторному порошку, швидкістю надходження проби в ІТ, діаметром трубки і її довжиною. Із збільшенням діаметру трубки чутливість зменшується (оптимальний діаметр дорівнює 1–3 мм). Основним фактором, що впливає на довжину забарвленої зони, і, отже, чутливість і точність визначення, є фактор L, що дорівнює відношенню довжини ІТ до умовної величини

– «хімічної» довжини (відстані, що проба проходить за характерний час хімічної реакції). Для забезпечення високої точності визначення час проходження розчину аналіту крізь ІТ повинен у 10–20 разів перевищувати характерний час хімічної реакції, що досягається у разі використання швидких хімічних реакцій, повільного руху проби, довгих трубок. Найбільш суттєво довжина ІТ впливає на чутливість і експресність аналізу у випадку введення проб у трубку за рахунок сил капілярного підняття. Чим довша ІТ, тим вища чутливість аналізу, оскільки у трубку надходить більший об'єм проби. Однак збільшення довжини трубки призводить до збільшення часу, необхідного для підняття фронту рідини до верхнього краю трубки. Найчастіше використовують ІТ довжина 40–70 мм . Порівняно з іншими методами реєстрації аналітичного відгуку лінійно-колористичний метод є менш чутливим внаслідок малого об'єму проби (кілька мкл), а отже низького коефіцієнту розподілу. Якщо для індикаторних порошків він досягає десятків тисяч, то у випадку ІТ не перевищує одиниці. Найбільш широке застосування індикаторні трубки знайшли в аналізі газових сумішей, повітря.

Для підвищення чутливості і точності тест-вимірювань використовують мініприлади, зокрема портативні фотометри, рефрактометри і фотоколориметри-рефрактометри, що базуються на вимірюванні поглинання, коефіцієнта пропускання або дифузного відбиття кольорового продукту, що утворився при додаванні до розчину індикатору, або до ІП чи РІП розчину аналіту (рис. 3.5, додаток 6)

Про важливу роль тест-методів у сучасній аналітичній хімії свідчить той факт, що в останні роки в розвинених країнах тест-засоби включаються до

76

державних нормативних документів на правах рекомендованих, а інколи і обов’язкових засобів аналізу. Так, Агенція з охорони довкілля США активно включає тест-засоби у свої інструкції та інші нормативні документи.

3.2. ОПТИЧНІ ХІМІЧНІ СЕНСОРИ

Хімічний сенсор – це мініатюрний прилад із автономним живленням, швидким відшуком, світловим табло в одиницях концентрації, з’єднаний із мікроЕОМ. Розроблено значний асортимент електрохімічних і оптичних хімічних сенсорів. Оптичні сенсори (оптосенсори, оптрони) базуються на реакціях взаємодії аналіта із іммобілізованими (закріпленими) на оптичних волокнах індикаторами. Сигнал (колір або флуоресценція іммобілізованого індикатора) передається через оптичне волокно на реєструючий портативний прилад. Сигнал може передаватись на значні відстані (наприклад по радіо, оптичним волокнам тощо), що дає можливість здійснювати безперервне детектування у потоці та дистанційний моніторинг. Приклади деяких оптродів наведено у табл. 3.1.

Таблиця 3.1. Волоконно-оптичні сенсори (оптроди) на основі імобілізованих реагентів*

Визначуваний	Реагент/носій	Принцип
параметр		детектування
рН	конго червоний/ацетилцелюлоза	поглинання
рН	флуоресцеїн/скло	флуоресценція
Al3+	морин/целюлоза	флуоресценція
Cl-	флуоресцеїн/колоїдне срібло	флуоресценція
вологість	CoCl2/желатин	поглинання
O2	акрифлавин/силікагель	фосфоренценція
альбумин	бромкрезоловий зелений/ целофан	поглинання

*М. Отто. Современные методы аналитической химии. Пер. с нем. под ред. А.В.

Гармаша. – М.: Техносфера, 2003. – Т. 2. – C. 185.

Найбільш динамічно розвивається і удосконалюється група сенсорів екологічного і медичного призначення. На рис. 3.6 наведено сенсор для вимірювання кисню у різних середовищах, який придатний для введення крізь стінки упаковок, флаконів та інших ємностей. Такий зонд може бути застосований для діагностичних цілей у біології, медицині, біомедицині, харчовій промисловості, а також для контролю ліків.

Для безконтактного контролю вмісту кисню зсередини упаковок харчових продуктів використовуються сенсорні пластини (рис. 3.7). Вони закріплюються на внутрішній поверхні упаковки при її виготовленні. Визначення базується на гасінні флуоресценції іммобілізованого у золь-гелевій матриці рутенієвого або порфиринового комплексу при взаємодії із розчиненим чи газуватим киснем.

77

Рис. 3.6. Сенсор кисню Ocean Optics Hypo Tube http://www.oceanoptics.ru/probes/203hypotube.html

Оптичний зонд, що підключений до джерела
збудження (синій світлодіод) і флуорометру,
спрямовується на ділянку упаковки, де
приклеєна	пластина RedEye. Випромінювання
світлодіода	передається крізь зонд на пластину
і збуджує у ній флуоресценцію. Інтенсивність
флуоресценції зв’язана обернено пропорційною		Рис. 3.7. Сенсор RedEye для
залежністю із концентрацією кисню у продукті,		безконтактного контролю вмісту
що знаходиться в упаковці.		кисню зсередини упаковок

Нещодавно група вчених з НДІ Токійського університету розробила мікросенсор для вимірювання вмісту цукру у крові хворих цукровим діабетом, що не потребує відбору крові (http://ria.ru/science/20090619/174884882.html). Сенсором є желатиноподібна кулька розміром 0,1 мм, що містить високочутливим до рівня глюкози флуоресцентний індикатор. Інтенсивність люмінесценції прямо пропорційно залежить від вмісту цукру у крові. Така кулька може бути одноразово введена під шкіру хворому за допомогою звичайного медичного шприца. Діагностування проводиться без відбору проби шляхом вимірювання мікроприладом інтенсивності світла, що випромінюється кулькою під шкірою, позбавляє хворих від щоденної (багаторазової) процедури відбору крові. Впровадження таких сенсорів планується через 10-15 років.

Питання для самоконтролю

1.Що таке поза лабораторний аналіз, які основні засоби використовуються для його здійснення?

2.Назвіть основні тест-засоби і тест-форми.

3.Що розуміють під терміном «тест-методика».

4.В якій галузі аналізу індикаторні трубки застосовуються найширше.

5.Дайте визначення хімічному сенсору.

6.Які типи хімічних сенсорів Ви знаєте?

7.Наведіть приклади сенсорів для визначення цукру у крові.

78

4. ОБРОБКА ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

Через наявність систематичної та (або) випадкової похибок результати окремих вимірювань, як правило, завжди відрізняються одне від одного. Визначення величини похибки є необхідним завданням, оскільки результати аналізу, виконаного з невідомим ступенем надійності, не мають практичної цінності. Для визначення достовірності результату аналізу отримані дані обробляють з використанням методів математичної статистики.

Статистична обробка результатів фотометричного визначення є обов’язковою. Зазвичай проводять ≥4 паралельних фотометричних вимірювань. Нехай х1, х2, х3, ..., хn – результати аналізу, отримані при проведенні n паралельних вимірювань. Метою

їх статистичної обробки є представлення результату у формі: m = x + ∆x , де x – середнє значення, а ∆х – довірчий інтервал.

Насамперед оцінюють відсутність випадкової грубої помилки при аналізі. Для цього всі отримані результати розміщують у порядку зростання (від xmin до xmax) та розраховують для результатів, що викликають сумнів так званий Q – критерій:

Qексп =

x1 − x2

=

х1 − x2

,

(4.1)

хmax − хmin

R

де х1 – значення, яке викликає сумнів; х2 – сусіднє з ним значення; R – розмах варіювання R = xmax − xmin . Розраховану величину Qексп порівнюють із значеннями Qтеор

(P, n), наведеними в Таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Числові значення Qтеор(P, n) для різних значень n та ймовірностей Р

n	3	4	5	6	7	8
Р = 0,90	0,89	0,68	0,56	0,48	0,43	0,40
Р = 0,95	0,94	0,77	0,64	0,56	0,51	0,48
Р = 0,99	0,99	0,89	0,76	0,70	0,64	0,58

Порівняння зазвичай проводять при 95 % – ній довірчій ймовірності (Р = 0,95). Довірча ймовірність P 0,95 (95%) показує, що дійсний результат співпадає із

знайденим на 95%. Якщо Qексп > Qтеор (P, n), результат х1 є грубою помилкою. Цей результат відкидають і перевіряють наступний сумнівний. Подальші розрахунки

проводять тільки після того, як всі сумнівні результати відкинуто.

Далі обчислюють середнє арифметичне значення результатів аналізу:

		x	+x	+x	+L+x		1		n
x =		1	2	3	n	=			∑xi	(4.2)
				n			n
									1

де n – кількість паралельних визначень.

79

Розсіювання результатів відносно середнього характеризується дисперсією (s2),

стандартним відхиленням (s) та відносним стандартним відхиленням (sr):

				n
		∑(xi −					x	)2
s2	=	1							(4.3)
						n −1
				n
s =		∑(xi − x)2
		1				n −1			(4.4)
sr	=			s					(4.5)
				x

В фотометричному аналізі прийнятним є відносне стандартне відхилення sr ≤ 0,05 (5%).

Значення довірчого інтервалу, який характеризує відтворюваність результатів аналізу, розраховують за формулою:

∆x = t( p) s	,	(4.6)
n

де t(p) – t-розподіл (коефіцієнт Ст’юдента). Його величини при різних значеннях n наведені в Таблиці 4.2.

Таблиця 4.2. Значення коефіцієнту Ст’юдента для різних значень n та ймовірностей Р

n	Р=0,90	Р=0,95	Р=0,99
2	6,31	12,7	63,6
3	2,92	4,30	9,93
4	2,35	3,18	5,84
5	2,13	2,78	4,60
6	2,02	2,57	4,03
7	1,94	2,45	3,71
8	1,86	2,37	3,50
9		2,31
10		2,26

Результати аналізу записують у формі: m = x ± ∆x .

Експериментальні дані та результати розрахунків у хімічному аналізі прийнято виражати лише значущими цифрами. Значущими називають усі достовірно відомі цифри плюс перша з недостовірних. Тому результати слід закруглювати до першої недостовірної цифри.

При оцінці недостовірності результатів вимірювань необхідно враховувати реальні можливості методу чи методики. Як статистичний критерій може виступати, наприклад, стандартне відхилення або довірчий інтервал, у якому є лише

80

одна достовірна цифра. У випадку відсутності таких відомостей, недостовірність приймають рівною ±1 в останній значущій цифрі.

Якщо за першою недостовірною цифрою слідує цифра 5, то результат заокруглюють до найближчого парного числа. Наприклад, число 10,245 слід заокруглити до 10,24, а число 10,255 – до 10,26.

Рекомендується заокруглювати кінцевий результат після виконання всіх арифметичних дій.

Нулі, що стоять на початку числа, завжди не значущі і лише вказують на місце коми в десятковому дробі. Наприклад, число 0,0002 містить лише одну значущу цифру. Нулі, що стоять між цифрами, завжди значущі. Наприклад, у числі 0,306 є три значущі цифри. Нулі в кінці числа можуть бути значущими та не значущими. Наприклад, у числі 4000,0 п'ять значущих цифр. Нулі в кінці цілого числа можуть означати значущу цифру, а можуть вказувати на порядок величини. Наприклад, у числі 70 значущих цифр може бути одна (7) або дві (7 та 0). У таких випадках з метою запобігання невизначеності слід представити число у нормальному вигляді, тобто у вигляді добутку числа, яке містить лише значущі цифри, на 10n, де n – так званий порядок числа. Наприклад, якщо в числі 600 одна значуща цифра, то його слід записати як 6·102, якщо три — 6,00·102. Надалі нулі в кінці числа вважаємо значущими, а порядок числа вказуватимемо, використовуючи його нормальний вигляд.

Додавання і віднімання. Значимість суми або різниці визначається значимістю числа з найменшою кількістю десяткових знаків. Так, при додаванні чисел 28,3; 5,1

та 0,46 значимість суми визначається недостовірністю числа 5,1, тому її значення 33,88 слід заокруглити до десятих: 33,9.

Числа, які містять степені, перетворюють, зводячи показники степенів доданків до найбільшого. Наприклад, при додаванні чисел 6,0·10–2 і 2,5·10–3 їх потрібно звести до чисел одного (другого) порядку, тобто представити як 6,0·10–2 і 0,25·10–2. Найменшу кількість десяткових знаків (один) має перший доданок. Тому в результаті (6,25·10–2) слід залишити один десятковий знак: 6,2·10–2.

Множення та ділення. Для оцінки значимості добутку (або частки) зазвичай користуються таким правилом: кількість значущих цифр у добутку чисел (або частці) визначається їх кількістю у числі з найменшою кількістю значущих цифр.

Наприклад: 2,56 / 2,3 =1,1130... ≈1,1; 0,004/ 2,34 = 0,01709... ≈ 0,02; 2,4 5,25 =12,6 ≈13;

1,2 5,36 = 6,408 ≈ 6,4 .

При більш строгому підході враховують відносні недостовірності чисел, які перемножують або ділять. Відносна недостовірність числа дорівнює відношенню абсолютної недостовірності числа до самого числа. Відносна недостовірність добутку (частки) чисел дорівнює сумі відносних недостовірностей чисел. Нехай, наприклад, потрібно знайти частку 306/52,25. Відносні недостовірності діленого та дільника складають відповідно: 1/306≈3·10–3 та 0,01/52,25≈1·10–4. Тому відносна недостовірність частки становить 0,003+0,0001≈3·10–3, і недостовірною є третя цифра після коми. Число 5,8564..., отримане при діленні чисел за допомогою калькулятора слід округлити до 5,856.

Піднесення до степеня. При піднесенні числа до степеня відносна недостовірність результату збільшується у число разів, рівне показнику степеня.

81

Наприклад, при піднесенні до квадрату вона подвоюється, до кубу – потроюється. Кількість значущих цифр при піднесенні до квадрату не збільшується. Наприклад: 1,22 = 1,44 ≈ 1,4.

Отримання квадратного кореня. Відносна недостовірність результату отримання кореня вдвічі менша відносної недостовірності підкореневого виразу, тому в деяких випадках після отримання кореня кількість значущих цифр

збільшується. Наприклад, 2,00 =1,414 . В отриманому результаті недостовірним є

третій знак після коми (відносна недостовірність числа 2,00 становить 1·10–2, а результату – 1·10–2/2 ≈ 0,005). Значущих десяткових знаків у результаті на один більше, ніж у підкореневому виразі.

Логарифмування. Абсолютна недостовірність логарифма приблизно в 2,5 рази менша відносної недостовірності числа під логарифмом. Наприклад, якщо логарифм відомий з точністю 1·10–2, то відносна похибка величини під знаком логарифма не менша, ніж 2,5·10–2.

При знаходженні логарифма числа кількість значущих десяткових знаків у результаті дорівнює кількості значущих цифр у не степеневій частині числа, що стоїть під знаком логарифма. Наприклад, ℓg1 ·10–4 = –4,0 (один значущий десятковий знак), ℓg1,0·10–3 = –3,00 (два значущі десяткові знаки), ℓg3,13·10–2 = – 1,504 (три значущі десяткові знаки); ℓg2·10–3 = –2,698…≈ –2,7 (один значущий десятковий знак).

При розрахунку антилогарифмів у не степеневій частині результату

залишають стільки значущих цифр, скільки значущих десяткових знаків було у виразі під знаком антилогарифма (у показнику степеня). При цьому кількість

значущих цифр зазвичай зменшується.

Так, наприклад: ℓgx=10,23, тоді x=antℓg10,23 =1010,23 = 1,698...·1010 ≈ 1,7·1010; ℓgx=10,23, тоді x=antℓg (–5,7) = 10–5,7 = 1,995...·10–6 ≈ 2·10–6.

Приклади розрахунків та розв’язання задач

Приклад 1. При визначенні концентрації фосфору в задачі одержали такі результати: 0,55; 0,84; 0,86 та 0,90 мг/л. Результат 0,55 викликає сумнів. Чи слід враховувати його при розрахунку?

Розв'язок. Для нього знаходять Qексп і порівнюють з табличним (табл. 4.1):

Qексп =			0,55	− 0,83			= 0,80 ; Qтеор	= 0,77(Р = 0,95;n = 4) .
	0,90			− 0,55

Отже, Qексп > Qтеор, результат 0,55 мг/л є грубою помилкою і його відкидають. Відповідь: результат 0,55 мг/л є грубою помилкою і його не слід враховувати.

Жирним шрифтом виділено значущі цифри.

82

Приклад 2. Яка концентрація хлорид-іонів у розчині, отриманому при зливанні рівних об’ємів розчинів, що містять 2·10–5 моль/л натрію хлориду, 0,33·10–4 моль/л калію хлориду та 5,0·10–6 моль/л хлороводневої кислоти?

Розв'язок. Спочатку перетворимо числа так, щоб показники ступенів у множнику 10n були однаковими у всіх доданках (приводячи їх до найбільшого порядку), а потім додаємо числа:

2·10–5 + 3,3·10–5 + 0,50·10–5 = 5,80·10–5 (моль/л).

Кількість значущих цифр суми визначається їх кількістю у числі 2·10–5, яке має найменшу кількість значущих знаків. Тому округлюємо отриману суму до одиниць, тобто 5,80·10–5≈6·10–5. В кінцевому об’ємі концентрація хлорид-іонів становить:

(6·10–5)/3=2·10–5 (моль/л).

Відповідь: 2·10–5 моль/л.

Приклад 3. Робочий розчин солі металу готували розбавленням стандартного розчину з концентрацією 1,523·10–2 моль/л у 100 разів двома різними способами.

1 спосіб. У мірну колбу ємністю 50,0 мл відбирали аліквотну частину розчину об’ємом 0,50 мл, доводили 0,01 моль/л. нітратною кислотою до риски та перемішували.

2 спосіб. Спершу готували перехідний розчин. Для цього відбирали аліквотну частину стандартного розчину об’ємом 2,50 мл, переносили у мірну колбу ємністю 25,0 мл, доводили 0,01 моль/л нітратною кислотою до риски та перемішували. Потім відбирали аліквотну частину перехідного розчину об’ємом 5,00 мл, переносили у мірну колбу ємністю 50,0 мл та доводили 0,01 моль/л нітратною кислотою до риски. Розрахуйте концентрацію робочих розчинів, отриманих першим та другим способами.

Розв'язок. Розраховуємо концентрацію робочого розчину, отриманого першим

способом:

C = 0,01523 моль/ л 0,50 мл =1,523 10−4 ≈1,5 10−4 моль/ л. 50,0 мл

Достовірність результату визначається достовірністю числа з найменшою кількістю значущих цифр. Значущих цифр у цьому результаті буде дві, бо стільки їх є у числі 0,50 мл.

Розраховуємо концентрацію робочого розчину, отриманого другим способом:

C = 0,01523 моль/ л 2,50 мл 5,00 мл =1,523 10−4 ≈1,52 10−4 моль/ л. 25,0 мл 50,0 мл

У цьому випадку результат має три значущих цифри.

Як видно з результатів розрахунку, для приготування робочих розчинів ліпше використовувати другий спосіб приготування (через перехідні розчини).

Відповідь: 1,5·10–4 моль/л (спосіб 1), 1,52·10–4 моль/л (спосіб 2).

83

Приклад 4. При визначенні фосфору в формі відновленої молібдофосфорної гетерополікислоти аліквотну частину досліджуваного розчину (Va=10,00 мл) перенесли в мірну колбу об’ємом 25,0 мл, додали всі реактиви, як при побудові градуювального графіка, та виміряли оптичну густину розчину: А=0,189. Розрахуйте вміст фосфору (мкг) у досліджуваному розчині, якщо його об’єм становив 50,0 мл, а рівняння градуювального графіка має вигляд: А=(0,051±0,003)·СР, мкг/мл.

Розв'язок. З рівняння градуювального графіка виражаємо концентрацію фосфору у розчині, який фотометрують:

CP , мкг / мл = 0,051А .

Підставляємо вираз у формулу для розрахунку маси фосфору у розчині:

	mP ,мкг =	СР ,мкг / мл 25,0мл 50,0мл	=	0,189 25,0 50,0	=
		10,00мл		0,051 10,00

=4,63235... 102 ≈ 4,6 102.

Уотриманому результаті слід залишити дві значущі цифри.

Відповідь: 4,6·102 мкг.

Приклад 5. Розрахуйте рН 6,3·10–5 моль/л розчину нітратної кислоти.

Розв'язок. рН = – ℓg 6,3·10–5 = 4,2007. У не степеневому члені числа під логарифмом є дві значущі цифри, тому округлюємо мантису до двох десяткових знаків: рН=4,20.

Відповідь: 4,20.

Приклад 6. Розрахуйте концентрацію Н3О+–іонів у розчині з рН=5,12.

Розв'язок. [Н3О+]= –antℓg 5,12 = 10–5,12 = 7,6·10–6 (моль/л).

Відповідь: 7,6·10–6 моль/л.

Приклад 7. Розрахуйте та запишіть у таблицю дані, яких не вистачає. h=6,6262.10–34 Дж.с; с=2,9979.108 м/с

λ, нм	ν, Гц			, см –1	∆Е, Дж	Спектральний	Додатковий
		ν
						колір	колір
400

84

Розв’язок. Розрахунки проводимо за формулами (1.1)–(1.3).

ν =		c		=		2,9979 108					= 7,4947 1014 ≈ 7,49 1014 ( c−1 або Гц) ;
		λ					400 10−9
			=		1		=		1		= 2500 ≈ 2,50 10 (см−1 ) ;
ν
					λ			400	10−7

∆E = h ν =6,6262.10–34 . 7,4947.1014=4,966.10–19≈4,97.10–19 (Дж).

Спектральний колір – колір ЕМВ з довжиною хвилі 400 нм – фіолетовий, додатковий до нього колір – зелено-жовтий.

Відповідь: ν =7,49.1014 Гц, ν = 2,50.10 см–1, ∆Е=4,97.10–19 (Дж)

λ, нм	ν, Гц			, см –1	∆Е, Дж	Спектральний	Додатковий
		ν
						колір	колір
400	7,49.1014	2,50.10			4,97.10–19	фіолетовий	зелено-жовтий

Приклад 8. Чому дорівнює оптична густина розчину, що містить одночасно

компоненти А і В, при λ=580 нм, виміряна в кюветі з ℓ=1,00 см, якщо

СA=1,00.10–4 моль/л, СВ=1,28.10–5 моль/л, εА580=2,00.103 л.см–1.моль–1,

εВ580=6,24.102 л.см–1.моль–1.

Розв’язок. За законом адитивності оптичних густин (1.15):

А580= εА580.СA. ℓ + εВ580.СВ. ℓ =ℓ.(εА580.СA+ εВ580.СВ);

А580=1,00.(2,00.103.1,00.10–4+624.1,28.10–5) = 0,208.

Відповідь: 0,208.

Приклад 9. Знайти концентрацію речовини А, якщо оптична густина

розчину, що містить одночасно компоненти А і В, при λ=580 нм, виміряна в

кюветі з ℓ=2,0 см, становить 0,510, а СВ=8,0.10-6 М, εА580=2,0.103 л.см-1.моль-1 ,

εВ580=6,24.102 л.см-1.моль-1.

Розв’язок. За законом адитивності оптичних густин маємо:

А580= ℓ. (εА580 нм. СA+ εВ580 нм.СВ);

А580=2,0.(2,0.103.СА+6,24.102.8,0.10–6) = 0,510 СA=(0,510/2,0-6,24.102.8,0.10–6)/2,0.103=1,25.10–4≈1,2.10–4 (моль/л).

Відповідь: 1,2.10–4 моль/л.

Приклад 10. Розрахуйте відносну похибку визначення концентрації речовини фотометричним методом при А=0,400 та А=1,800, якщо абсолютна похибка вимірювання пропускання ∆Т становить 0,50%; коефіцієнт

85

поглинання виміряний з відносною похибкою 1,5%, а поглинання вимірюють в кюветах з ℓ=10,00±0,01 мм.

Розв’язок. При абсолютному способі вимірювання оптичної густини розчину похибку вимірювання А визначають за формулою (1.65).

Розрахуємо для А=0,400:

∆A	=	0,434 ∆T		=	0,434 0,0050		= 0,0136 ,
A		A 10	−A		0,400 10	−0,400

Відносну похибку визначення концентрації речовини фотометричним методом розраховують за формулою (1.64):

∆C	=	∆A	+	∆k	+	∆l	=1,36 10−2 +1,5 10−2 +0,1 10−2 =3,0 10−2	(або 3,0 %).
C		A		k		l

Для А=1,200:

∆A

=

0,434 ∆T

=

0,434 0,0050

= 7,61 10

−2

,

A

A 10

−A

1,800 10

−1,800

а

∆C

=

∆A

+

∆k

+

∆l =7,61 10−2 +1,5 10−2 +0,1 10−2 =9,2 10−2 (або 9,2%).

C

A

k

l

Видно, що при вимірюванні оптичної густини вище одиниці похибка спектрофотометричного визначення речовини складає 9,2%.

Відповідь: 3,0%; 9,2%.

Приклад 11. Як зміниться відносна похибка визначення концентрації при фотометруванні розчину з А=2,00, якщо звичайний спосіб замінити диференційним і вимірювати світлопоглинання проти розчину порівняння з А=1,40? Абсолютна похибка вимірювання пропускання ∆Т становить 0,50%; коефіцієнт поглинання виміряний з відносною похибкою 1,0%, а поглинання вимірюють в кюветах з ℓ=10,00±0,01 мм.

Розв’язок. При абсолютному способі вимірювання оптичної густини розчину похибку вимірювання А визначають за формулою (1.65).

Розрахуємо для абсолютного способу вимірювання та А=2,00:

∆A	=	0,434 ∆T		=	0,434 0,0050		=1,08 10	−1	.
A		A 10	−A		2,00 10	−2,00

Відносну похибку визначення концентрації речовини фотометричним методом визначають за формулою (1.64):

∆CC = ∆AA + ∆kk + ∆ll =1,08 10−1 +0,10 10−1 +0,01 10−1 =1,2 10−1 (або 12 %).

Для відносного способу вимірювання Авідн=Ах–А0=2,00–1,40=0,70. За формулою

(1.67):

86

∆A	=	0,434 0,0050	= 5,44 10 −3 .
A		2,00 10 −0,70

І далі за формулою (1.64) розраховуємо:

∆CC = ∆AA + ∆kk + ∆ll = 5,44 10−3 +1,0 10−2 +1 10−3 =

= 0,544 10−2 +1,0 10−2 +0,1 10−2 =1,6 10−2 (або1,6%).

Видно, що при заміні способу вимірювання похибка визначення концентрації зменшилась на порядок.

Відповідь: Похибка зменшилася від 12% до 1,6%.

Приклад 12. Вміст антрацену в розчині визначали за його поглинанням при λ=253 нм. Відносна оптична густина стандартного розчину, що містить 35,0 мг/л антрацену, Аст=0,412, а Ах досліджуваного розчину дорівнює 0,396. В кюветі порівняння знаходиться розчин з вмістом антрацену Со=30,0 мг/л. Знайти Сх, мг/л. (Сх=34,8 мг/л).

Розв’язок. За законом Бугера-Ламберта-Бера Аст=k. ℓ.(Сст-Со), а Аx=k. ℓ.(Сx-Со). Розділимо один вираз на інший та виразимо Сх, мг/л з отриманого виразу:

Aст

=

k l (Сст-Со)

.

.

.

; Аст

Сx – Аст

Со = (Сст – Со) Аx

А

k l (С -С )

х

х

о

Cx =

( Сст -Со)

Ах +Со = F Ax +Co ,

Аст

де F =

(Сст -Со)

- фактор перерахунку.

А

ст

35,0 - 30,0

Cx =

0,396 +30,0 = 34,8 (мг/ л)

0,412

Відповідь: 34,8 мг/л.

Приклад 13. Чому дорівнює оптична густина розчину, що містить

одночасно компоненти А і В, при λ=580 нм, виміряна в кюветі з ℓ=1,00 см,

якщо СA=1,00.10–4 моль/л, СВ=1,28.10–5 моль/л, εА580=2,00.103 л.см-1.моль-1,

εВ580=6,24.102 л.см-1.моль-1.

Розв’язок. За законом адитивності оптичних густин:

А580= εА580.СA. ℓ + εВ580.СВ. ℓ =ℓ.(εА580.СA+ εВ580.СВ);

А580=1,00.(2,00.103.1,00.10–4+624.1,28.10–5) = 0,208.

Відповідь: 0,208.

87

Приклад 14. Знайти концентрацію речовини А, якщо оптична густина

розчину, що містить одночасно компоненти А і В, при λ=580 нм, виміряна в

кюветі з ℓ=2,0 см, становить 0,510, а СВ=8,0.10-6 М, εА580=2,0.103 л.см-1.моль-1 ,

εВ580=6,24.102 л.см-1.моль-1.

Розв’язок. За законом адитивності оптичних густин маємо:

А580= ℓ. (εА580 нм. СA+ εВ580 нм.СВ);

А580=2,0.(2,0.103.СА+6,24.102.8,0.10–6) = 0,510 СA=(0,510/2,0-6,24.102.8,0.10–6)/2,0.103=1,2.10–4 (моль/л).

Відповідь: 1,2.10–4 моль/л.

Приклад 15. Оптична густина 0,0010 моль/л розчину дихромату калію в кюветі з товщиною шару ℓ=1,0 см при λ=410 нм дорівнює 1,150, при λ=675 нм

– 0,110. Оптичні густини 0,050 моль/л розчину сульфату купруму за тих самих умов дорівнюють відповідно 0,150 і 1,400. Наважку 19,9028 г суміші солей розчинили в колбі ємністю 500 мл, із 1,00 мл розчину після розбавлення до 100,0 мл отримали розчин, оптичні густини якого при λ=410 та λ=675 нм дорівнюють 0,240 та 0,065. Визначити вміст К2Cr2O7 та CuSO4 в суміші.

Розв’язок. Позначимо для зручності речовини К2Cr2O7 та CuSO4 як А і В відповідно. Розрахуємо молярні коефіцієнти поглинання речовин:

εА410= A440/(СА. ℓ)=1,150/(1,0.0,0010)=1,15.103 (л.см-1.моль-1)

εА675= A675/(СА. ℓ)=0,110/(1,0.0,0010)=1,10.102 (л.см-1.моль-1) εB410= A440/(СB. ℓ)=0,150/(1,0.0,050)=3,00 (л.см-1.моль-1)

εB675= A675/(СB. ℓ)=1,400/(1,0.0,050)=28,0 (л.см-1.моль-1)

За законом адитивності оптичних густин маємо систему рівнянь для кінцевого

розчину:
А410= ℓ. (εА410. СA+ εВ410.СВ);	0,240=1,0.( 1,15.103.СA+ 3.СВ);
А675= ℓ. (εА675. СA+ εВ675.СВ);	0,065= 1,0. (110.СA+ 28.СВ);

Внаслідок розв’язання системи рівнянь отримуємо:

СA = 2,04.10–4 (моль/л); СВ= 1,80.10–3 (моль/л).

Концентрації речовин А та В в початковому розчині розрахуємо таким чином:

СпочA = СA.(Vзаг/Vал) = 2,04.10–4.(100,0/1,00) = 2,04.10–2 (моль/л); СпочВ = СВ.(Vзаг/Vал) = 1,80.10–3.(100,0/1,00) = 1,80.10–1 (моль/л). mА= СпочA.V.Мr(К2Cr2O7) = 2,04.10–2.0,500.294,2 = 3,0008 (г) mВ=СпочВ.V.Мr(CuSO4) = 1,80.10–1.0,500.159,65 = 14,3685 (г)

ω(К2Cr2O7),% =100.mА/mсолей =100.3,0008/19,9028=15 (%)

ω(CuSO4),% =100.mВ/mсолей =100.14,3685/19,9028=72 (%) Відповідь: 15 % К2Cr2O7 та 72 % CuSO4

88

5. РОЗРАХУНКОВІ ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Взаємодія світла з речовиною та закони світлопоглинання

1. Розрахуйте та запишіть у таблицю дані, яких не вистачає. h=6,6262.10–34 Дж.с;

с=2,9979.108 м/с

№	λ, нм	ν, 1014 Гц			, см –1	∆Е, 10–19 Дж
			ν
a.	410
b.	560
c.	780
d.			36000
e.			28000

2.	Сr(III) окиснюють до Cr(VI) пероксидом гідрогену у лужному середовищі.
	Напишіть рівняння реакції та вкажіть, світлофільтр якого кольору слід обрати
	для фотометрування продукту реакції.
3.	Сr(III) окиснюють до Cr(VI) персульфатом амонію у кислому середовищі.
	Напишіть рівняння реакції та вкажіть, світлофільтр якого кольору слід обрати
	для фотометрування продукту реакції.
4.	Mn2+ окиснюють у кислому середовищі. Напишіть рівняння реакції та вкажіть,
	світлофільтр якого кольору слід обрати для фотометрування продукту реакції.
5.	Fe(III) визначають за реакцією з SCN-. Напишіть рівняння реакції та вкажіть,
	який світлофільтр слід обрати для фотометрування розчину.
6.	Користуючись даними, розрахуйте величини, яких не вистачає в таблиці:
		№		А	ε, 104 л.см–1.моль–1	ℓ, см		С, мкг/мл	М, г/моль
		a.			3,7	2		1,20	325
		b.		0,345		1		4,25	–
		c.		0,634	2,98	2			184
7.	Оптична густина розчину індикатора дорівнює 0,597 при ℓ=1,00 см. Визначити
	процентний		вміст індикатора, якщо його молярна маса дорівнює 200 г/моль
	(ε=2,10.104 л.см–1.моль–1), а густина розчину становить 1,00 г/см3.
8.	Оптична густина 1,00.10–5 моль/л розчину речовини при λ=450 нм дорівнює 0,678
	(товщина поглинаючого шару ℓ=5,00 см).						Розрахуйте		молярний коефіцієнт
	поглинання речовини. Яку оптичну густину матиме розчин в 3 рази більшої
	концентрації, якщо товщину поглинаючого шару зменшити у 5 разів?
9.	Розрахуйте та запишіть у таблицю дані, яких не вистачає.

89

№	ε, 104 л.см–1.моль–1	А	Т	ℓ, см	С, 10–5 М
a.	3,50		0,81	3,00
b.	0,723		0,65	5,00
c.	2,81	0,440		2,00
d.		0,679		1,00	2,0
e.		0,603		1,0	1,5
f.	–		69,3 %	–	–
g.			0,59	5,0	5,0

10.Метанольний розчин містить 0,0325 г п–нітроаніліну масою в 50,0 мл. Аліквотну частину розчину 1,00 мл розбавили метанолом у мірній колбі ємністю

100,0 мл і виміряли оптичну густину отриманого розчину при λ=368 нм у кюветі з ℓ=1,00 см. Розрахуйте молярний та питомий (Е1%1см) коефіцієнт поглинання п– нітроаніліну в метанолі при вказаній λ, якщо оптична густина розчину дорівнює

0,802. Мr(C6H6N2O2)=138,1 г/моль; ρ(CH3OH)=0,792 г/см3.

11.Розчин з вмістом барвника 1,0 мг/л пропускає 80,05 % світла при λ=436 нм в кюветі з ℓ=1,00 см. Розрахуйте: а) пропускання (Т) у кюветі з ℓ=5,0 см; б) товщину кювети, при якій пропускання розчину при збільшенні концентрації вдвічі не змінюється (Т=80,05 %); в) оптичну густину розчину, що містить 2,0 мг барвника в 100,0 мл розчину, в кюветі з ℓ=0,50 см; г) концентрацію барвника в розчині (мг/л), при якій пропускання світла в кюветі з ℓ=0,50 см становить

50,0%.

12.Розчин з вмістом барвника 1,0 мг/л пропускає 80,05 % світла при λ=436 нм в кюветі з ℓ=1,00 см. Розрахуйте: а) пропускання (Т) у кюветі з ℓ=5,0 см; б) товщину кювети, при якій пропускання розчину при збільшенні концентрації вдвічі не змінюється (Т=80,05 %); в) оптичну густину розчину, що містить 2,0 мг барвника в 100,0 мл розчину, в кюветі з ℓ=0,50 см; г) концентрацію барвника в розчині (мг/л), при якій пропускання світла в кюветі з ℓ=0,50 см становить

50,0%.

13.Молярний коефіцієнт поглинання комплексу алюмінію з 8-оксихіноліном (Al(Ox)3) в хлороформі при λ=395 нм дорівнює 6,7·103 л.см-1.моль-1. Розрахуйте: а) при якій товщині шару хлороформного розчину, що містить 1,62 мкг/мл комплексу, оптична густина дорівнює 0,201; б) величину пропускання 2,50·10-5 М розчину комплексу в хлороформі при ℓ=3,0 см; в) концентрацію комплексу (мг/мл) в хлороформному розчині комплексу, якщо А=0,213 в кюветі з ℓ=2,0 см.

М(Al)=26,98 г/моль.

14.ГДК фенолу (С6Н5ОН) у природній воді дорівнює 0,001 мг/л. Для визначення фенолів у стічних водах виробництва формальдегідних смол відібрали 200,0 мл води і екстрагували фенол 10,0 мл органічного розчинника. До екстракту додали 0,10 мл аміноантипірину (зміною об’єму при цьому можна знехтувати), з яким

феноли утворюють забарвлені сполуки, що характеризуються ε460=8,2 103 л.см- 1.моль-1. Оптична густина отриманого розчину, виміряна при λ=460 нм і ℓ=1,0 см дорівнює 0,152. Чи можна спускати таку стічну воду в природну водойму?

90

15.Чому дорівнює оптична густина хлороформного екстракту комплексу Pb(ІІ) з

дитизоном при λ=485 нм (ε485=6,8 104 л.см-1.моль-1), якщо він містить 3,0 мкг Pb(ІІ) у 5,0 мл розчину, а товщина кювети ℓ=1,00 см?

Хромофорні властивості речовин різної природи

16. Які типи електронних переходів можливі для молекули формальдегіду Н2С=О? Якому з електронних переходів відповідає довгохвильова смуга при 310 нм (ε=5 л.см-1.моль-1)? Чим пояснити її невисоку інтенсивність?

17. Аквакомплекс Ni(H2O)62+ поглинає пурпурну компоненту видимого світла (λmax=740 нм) та має зелене забарвлення. Ni(NH3)62+ поглинає жовто-зелену компоненту видимого світла (λmax=571 нм), його забарвлення фіолетове. Комплекс нікелю (ІІ) з етилендіаміном (NH2–CH2–CH2–NH2, en) Ni(en)32+ поглинає зелену компоненту (λmax=545 нм) та має пурпурне забарвлення. Поясніть зміну забарвлення комплексів у ряду Ni(H2O)62+– Ni(NH3)62+ – Ni(en)32+.

18. Для контролю вмісту токсиканта Х у стічних водах використовують екстракційно-фотометричний метод, реєструючи поглинання речовини Х у діапазоні 240 – 260 нм. Які з перерахованих розчинників можна використати, зважаючи на те, що всі вони практично повністю вилучають токсикант Х з водного розчину?

	Розчинник	Короткохвильова межа прозорості (нм)
		шару розчинника (ℓ=1,0 см)
	Діетиловий етер	215
	Хлороформ	250
	Тетрахлорид вуглецю	260
	1,2-Дихлоретан	260
	Бензол	280
	Гексан	210

19.В УФ спектрі (С6Н5)3Аs спостерігається дві смуги поглинання при 230 нм та 270 нм. Одна зі смуг обумовлена π→π* переходом у бензольному ядрі, а інша відповідає переходу з переносом заряду від неподіленої електронної пари Арсену до бензольного кільця. Смуга при 230 нм чутлива до заміни розчинника, а смуга при 270 нм при цьому не змінюється. Яку зі смуг слід віднести до π→π* переходу?

20.Які з наведених нижче речовин поглинають у ближньому УФ, а які – у видимій ділянці спектру? Відповідь аргументуйте.

H C	CH2 CH
2	2
H2C	CH2
, СН3(СН2)4СН3, СН3СН=СНСН2СН3,	CH2 ,

91

HO		+
N N		NH3
	,
N N	CH	CH CH3
		,
	NO2	NH2
N N	,

21. Зобразіть схематично спектри поглинання сполук 1-3:

СН3–СН=СН–СН2–СН3 (1),

СН3–СН=СН–СН=СН–СН2–СН3 (2) та

(3).

Відповідь обґрунтуйте.

22.Зобразіть схематично на одному рисунку спектри поглинання сполук:

	+	NH
	NH3
		2
,	,	. Відповідь обґрунтуйте.

Розрахунок МВ та мінімальної визначуваної концентрації елемента

23. При фотометричному визначенні Zn(II) з ПАР у розчині при рН 9,1 експериментально отримане рівняння градуювального графіка (ГГ) має вигляд:

А490=(0,014±0,001)+(6,6±0,2).104.СZn(II), моль/л	(ℓ=2,0 см).	Яку	мінімальну
концентрацію Zn(II) (Сmin) можна	визначити	при	використанні

спектрофотометру, для якого Аmin=0,005? Розрахуйте МВ цинку за цією методикою.

24.При фотометричному визначенні Титану у формі пероксидного комплексу

рівняння ГГ має вигляд: А490=(0,012±0,002)+(1,13±0,01).mТі(IV),мг/проба

(ℓ=2,0 см). Розрахуйте МВ (у мг/мл) та Сmin для даної методики, якщо об’єм проби становив 25,0 мл, а мінімальна оптична густина розчину, яку можна

виміряти приладом, становить 0,05.

92

Статистична обробка результатів спектрофотометричного визначення елемента

25.Рівняння ГГ для фотометричного визначення Zn(II) у формі комплексу з ПАР

урозчині (ℓ=2,0 см) має вигляд: А490=(6,6±0,2).104.СZn(II),моль/л. Для визначення концентрації Zn(II) відбирали аліквотні частини досліджуваного розчину

об’ємом 5,0 мл, переносили в мірні колби ємністю 25,0 мл, додавали розчин реагенту, як при побудові ГГ, буферний розчин з рН 9,1, доводили до риски дистильованою водою, витримували певний час для розвитку забарвлення та фотометрували розчин при λ=490 нм. Оптичні густини розчинів становили 0,445; 0,458; 0,456; 0,459; 0,457. Чи є серед отриманих результатів такі, які слід вважати грубими помилками (твердження підтвердити розрахунками з використанням Q- критерію)? Розрахувати концентрацію Zn(II) (у моль/л) та вміст Zn(II) (у мкг) у досліджуваному розчині, якщо його об’єм становив 50,0 мл.

26. Рівняння ГГ для визначення титану у формі [ТіО(Н2О2)]2+ (ℓ=2,0 см) має вигляд:А490=(1,13±0,01).mТі(IV), мг/проба. Для визначення концентрації Ті(IV) у розчині аліквотну частину об’ємом 2,0 мл переносили у мірну колбу ємністю 25,0 мл, додавали розчини реагентів, як при побудові ГГ, та фотометрували при

λ=490 нм. Виміряні оптичні густини становили 0,685; 0,698; 0,679; 0,683; 0,687.

Чи є серед отриманих результатів такі, які слід вважати грубими помилками (твердження підтвердити розрахунками з використанням Q-критерію)? Розрахувати концентрацію Ті(IV) (у моль/л) та вміст Ті(IV) (у мг) у досліджуваному розчині, якщо відомо, що об’єм досліджуваного розчину становив 25,0 мл.

27. Со(ІІ) та Ni(ІІ) визначають у суміші методом, що базується на вимірюванні поглинання їх комплексів з хіноліном, молярні коефіцієнти поглинання яких дорівнюють: εСо365=3,529 103 л.моль–1·см–1, εСо700=4,28 102 л.моль–1·см-1, εNi365=3,228 103 л.моль-1·см-1, εNi700=0. За результатами фотометрування розчинів, що містять обидва компоненти (ℓ=2,0 см) визначити концентрацію Кобальту і Нікелю в розчинах 1–3 та доповнити таблицю:

	№	С, моль/л		A365	А700
	розчину	Со(ІІ)	Ni(II)
	1.			0,724	0,071
	2.			0,614	0,074
	3.			0,693	0,046

28.Оптична густина розчину, що містить компоненти А і В, виміряна при λ=600 нм та λ=440 нм в кюветі з ℓ=1,00 см, дорівнює 0,510. Розрахуйте вміст А і В, якщо

εА600=1,67 102 л.моль-1·см-1, εВ600=1,178 103 л.моль-1·см-1, εА440=9,55 102 л.моль-1·см- 1, εВ440=0,0010 л.моль-1·см-1.

29.Оптичні густини розчинів (ℓ=1,00 см) речовини Х з концентрацією СХ=8,55.10–5 моль/л дорівнюють А440=0,096 та А620=0,326, а речовини Y з СY=2,37.10–4 моль/л

93

– А440=0,599 та А620=0,803. Знайти концентрацію речовин Х та Y у розчині, якщо його оптичні густини при λ=440 нм та λ=620 нм дорівнюють відповідно А440=0,357, А620=0,803 (ℓ=1,0 см).

Точність спектрофотометричного аналізу

30.Розрахуйте відносну похибку визначення концентрації методом молекулярної абсорбційної спектроскопії при ℓ =10,00 ± 0,01 мм за умов оптимального режиму вимірювання поглинання (А = 0,434), якщо абсолютна похибка вимірювання пропускання постійна й становить 0,5%, а відносна похибка вимірювання коефіцієнту поглинання – 1%.

31.Як зміниться відносна похибка фотометричних вимірювань, якщо при фотометруванні розчину з оптичною густиною 2,00 звичайний (абсолютний) спосіб вимірювань замінити диференційним і вимірювати оптичну густину розчину проти розчину з А=1,90? Похибку вимірювання по шкалі пропускання прийняти в обох випадках рівній 0,5%.

32.Як зміниться відносна похибка фотометричних вимірювань при фотометруванні розчину з А=2,000, якщо звичайний спосіб замінити диференційним і вимірювати поглинання проти розчину порівняння з А=1,000? Абсолютну похибку вимірювання пропускання прийняти рівною 0,50 %.

Диференційна спектрофотометрія

33.Вміст антрацену у розчині визначали за його поглинанням при λ=253 нм. Відносна оптична густина стандартного розчину, що містить 35,0 мг/л

антрацену, Аст=0,412, а Ах досліджуваного розчину дорівнює 0,490. Як розчин порівняння використовують розчин з вмістом антрацену 30,0 мг/л. Знайти Сх, мг/л. (Відповідь: Сх = 35,9 мг/л).

34.Для визначення Fe(III) у формі комплексу з сульфосаліциловою кислотою (в аміачному середовищі) методом диференційної спектрофотометрії приготували

5 стандартних розчинів Fe(III) з концентраціями Сі та виміряли їх оптичні густини (Аі) при λ=420 нм відносно першого стандартного розчину (С1=5,0 мг/л).

Сі, мг/л	Аі (ℓ=0,50 см)
5,0	0
10,0	0,246
15,0	0,493
20,0	0,739

Знайти вміст Fe(III), мг/мл в розчині, якщо його оптична густина, виміряна проти розчину №1 при λ=420 нм при ℓ=0,50 см, становить Ах = 0,197.

94

ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

Молекулярний абсорбційна спектроскопія

Основна:

1.Основы аналитической химии. Задачи и вопросы / Под. ред. акад. Золотова Ю.А. -М., 2002.

2.Основы аналитической химии В 2-х книгах / Под ред. акад. Ю.А.Золотова, -М., 2000. - т.1, с.31-32, т.2 с. 198-282.

3.Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии / Пер.с англ. под ред. акад. Золотова Ю.А. – М., 1979.

4.Marchenko Z., Balcerzak M. Spektrofotometryczne metody w analizie nieorganicznej.

– Warszawa, 1998. – 526 p.

5.Марченко З. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе / 3.Марченко, М.Бальцежак; Пер. с польск.—М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.– 711 с: ил.— (Методы в химии)

6.Бабко А.К., Пилипенко А.Т. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура. – М., 1968.

7.Бабко А.К., Пилипенко А.Т.. Фотометрический анализ. Определение неметаллов. - М., 1972.

8.Блюм И.А. Экстракционно-фотометрические методы с применением основных красителей. – М., 1978.

9.Булатов М.И., Калинкин И.П.. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. - Л., 1986.

10.Вибрані розділи спецкурсу «Методи молекулярної спектроскопії в аналізі» (Оптичні методи аналізу) для студентів хімічного факультету / О.А.Запорожець. - К., 2003. – 60 с.

11.Иванов В.М. Гетероциклические азотсодержащие азосоединения. М., 1982. 12.Иванчев Г. Дитизон и его применение. – М., 1961.

13.Коренман Н.М.. Методы определения органических соединений.-М., 1970. 14.Саввин С.Б. Органические реагенты группы арсеназо-III. – М., 1971. 15.Сендел Е. Колориметрические методы определения следов металлов. -М., 1964.

16.Методичні вказівки для виконання лабораторних робіт з оптичних методів аналізу для студентів хімічного факультету. – К., 2002.

17.Запорожець О.А., Зінько Л.С. Практикум зі спецкурсів „Методи молекулярної спектроскопії” та „Фотометричні й люмінесцентні методи аналізу”. Для студентів 4 курсу хімічного факультету спеціалізацій “Аналітична хімія” та “Хімічний контроль навколишнього середовища”. Ірпінь: Видавництво та друкарня НАДПС України, 2007. – 108 с.

95

Додаткова:

17.Брыкина Г.Д., Марченко Д.Ю., Шпигун О.А. Твердофазная спектрофотометрия //

Журн. аналит. хим. - 1995. - Т.50, №5. - С.484-491.

18.Карякин А.В., Грибовская И.Ф. Методы оптической спектроскопии и люминесценции в анализе природных и сточных вод.-М., 1987.-304 с.

19.Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. -М.,1989.

20.Рунов В.К., Тропина В.В. Оптические сорбционно-молекулярно- спектроскопические методы анализа. Методические вопросы количественных измерений в спектроскопии диффузного отражения // Журн. аналит. хим. -1996. -

Т.51, №1. - C.71-77.

21.Серия «Аналитическая химия элементов».

22.Умланд Ф., Янсен А., Тириг Д., Вюнш Г. Комплексные соединения в аналитической химии: теория и практика применения / Пер. с нем. - М.,1975.

Методи молекулярного емісійного аналізу

Основна:

1.Основы аналитической химии. Задачи и вопросы/Под.ред. акад. Золотова Ю.А. –

М.–2002. –412 с.

2.Основы аналитической химии. В 2-х книгах. Кн.2. Методы химического анализа

/Под.ред. акад.Золотова Ю.А. –М. –1996. –462 с.

3.Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. –М., 1985

4.Лакович Дж. Основы флуоресцетной спектроскопии. –М., 1986.

5.Божевольнов Е.А. Люминесцентный анализ. Неорганических веществ. –М., 1966.

6.Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 томах./Г. Кристиан; пер. С англ.. –М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009.– (Лучший зарубежный учебник). Т.2.– 504, 2009.

7.Столяров К.П., Григорьев Н.Н. Введение в люминесцентный анализ неорганических веществ. Л., 1967.

8.Турро Н. Молекулярная фотохимия. –М., 1967.

9.Запорожец О.А., Зинченко Н.М., Сухан В.В. Тушение люминесценции в неорганическом анализе // Укр.хим.журн.– 1998.–Т. 64, №3–4. –С.102–117.

Додаткова:

1.Юинг Г. Инструментальные методы анализа. –М.:Мир, 1989.

2.Рунов В.К., Тропина В.В. Оптические сорбционно-молекулярно- спектроскопические методы анализа. Методические вопросы количественных

96

измерений в спектроскопии диффузного отражения // Журн. аналит. хим. – 1996. – Т.51, №1. – C.71–77.

Оперативний аналітичний контроль поза межами лабораторії

1.Вода. Индикаторные системы / Островская В.М., Запорожец О.А., Будников Г.К., Чернавская Н.М. / Под ред. Арского Ю.М. – М., 2002.– 256 с.

2.Золотов Ю.А. Тест-методы аналитической химии. М., 2002.

3.Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. М.:Высш.шк., 1991.

4.Запорожец О.А., Гавер О.М., Сухан В.В. Иммобилизованные аналитические реагенты (Обзор) // Успехи химии. – 1997. – Т.66, №7. – С.702–712.

5.Внелабораторный химический анализ / [Г. С. Акопова и др.] ; под ред., [с сост. и вступ. ст.] Ю. А. Золотова ; [Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН]. - 2010. - 564 с.

ВІДПОВІДІ ДО ЗАДАЧ ТА ВПРАВ

Взаємодія світла з речовиною та закони світлопоглинання

2. Фіолетовий. 3. Блакитний. 4. Жовто-зелений. 5. Зелений. 6. А=0,407; ε=1,36.104

л.см–1.моль–1. 8. 5,68.10–4%. 10. ε=1,70·104 л.см–1.моль–1, Е1%1см = 9,77·102. 11. а) Т=32,8 %; б) ℓ=0,50 см; в) А=0,966; г) С=18,45 мг/л. 12. а) Т=32,8 %; б) ℓ=0,50 см; в)

А=0,966; г) С=18,45 мг/л. 13. а) ℓ=0,08 см; б)Т=31,4 %; в) С=7,3 мг/мл. 14. Не можна. 15. А=0,197.

Статистична обробка результатів спектрофотометричного визначення елемента

25. Значення 0,445 є грубою помилкою, його відкидаємо. СZn=(3,5±0,3)·10–5 моль/л, mZn=(113,3±0,2) мкг. 26. Викидів немає. СТі=(6,3±0,8)·10–3 моль/л, mТі=(7,6±0,1) мг.

27. Розчин 1 містить 1,6.10–4 моль/л Со(ІІ) та 4,3.10–5 моль/л Ni(II); Розчин 2 містить 1,7.10–4 моль/л Со(ІІ) та 1,2.10–6 моль/л Ni(II); Розчин 3 містить 1,1.10–4 моль/л Со(ІІ)

та 9,7.10–5 моль/л Ni(II); 29. Cx=1,41.10–4 моль/л, Cy=7,88.10–5 моль/л.

Точність спектрофотометричного аналізу

31.Зменшиться з 11% до 0,14%. 32. Зменшиться з 11% до 1,1%.

Диференційна спектрофотометрія

33. Сх = 35,9 мг/л.

97

ЗМІСТ

1. МОЛЕКУЛЯРНА АБСОРБЦІЙНА СПЕКТРОСКОПІЯ……………. 4

1.1.ОСНОВИ МЕТОДУ ……………………………….…………………………. 4

1.1.2.Закони світлопоглинання ……………………………………... 8

1.1.3.Спектрофотометричні прилади ……………………………… 13

1.1.4.Розрахунок вмісту аналіту …………………………………….. 16

1.2. ХРОМОФОРНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН РІЗНОЇ ПРИРОДИ ……………… 19

1.2.1. Електронні переходи в молекулі та поглинання нею	19
електромагнітного випромінювання ………………………………..
1.2.2. Спектрофотометричні характеристики аналітичних	25
реагентів …………………………………………………………………….

1.3.СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ РЕЧОВИН РІЗНОЇ ПРИРОДИ .. 27

1.3.1.Визначення металів …………………………………….………. 28

1.3.2.Визначення неметалів …………………………………………. 38

1.2.3. Визначення речовин органічної природи ………………… 41

	1.4. ОСНОВНІ МЕТРОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ	46
	СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧНИХ МЕТОДИК ……………………………….…..

1.4.1.Чутливість ………………………………………………………….. 46

1.4.2.Точність …………………………………………………………….. 49

1.4.3.Вибірковість ………………………………………………………. 54

98

2. МЕТОДИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ЕМІСІЙНОГО АНАЛІЗУ…………. 58

2.1.БУДОВА МОЛЕКУЛИ І ФЛУОРЕСЦЕНЦІЯ …………………...…………….. 61

2.2.ВІДПОВІДНІСТЬ МІЖ КОНЦЕНТРАЦІЄЮ ТА ІНТЕНСИВНІСТЮ

ФЛУОРЕСЦЕНЦІЇ ……………………………………………………..……… 67

2.3.ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛІЗУ ..….. 68

	3. ОПЕРАТИВНИЙ АНАЛІТИЧНИЙ КОНТРОЛЬ	72
	ПОЗА МЕЖАМИ ЛАБОРАТОРІЇ …………….………………………

3.1.ТЕСТ-МЕТОДИ АНАЛІЗУ …………………………………………………... 72

3.2.ОПТИЧНІ ХІМІЧНІ СЕНСОРИ ………………………………………….…… 76

4.ОБРОБКА ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ ……………………………. 78

5.РОЗРАХУНКОВІ ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ ……………………………… 88

ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ …………………………. 94

ВІДПОВІДІ ДО ЗАДАЧ ТА ВПРАВ ………………………………………………… 96

ЗМІСТ …………………………………………………………………………….. 97

ДОДАТКИ

Додаток 1

червоне Червоно-оранжева оранжеве жовте

зелене Жовто-зелена блакитне синє Синьо-фіолетова фіолетове

Рис. 1.5. Дисперсія білого світла при проходженні крізь призму

Рис. 1.6. Спектр кольорів та чутливість зорових рецепторів людини до окремих ділянок спектру (кольорові смужки внизу).

Примітка: праворуч додана неспектральна пурпурна ділянка; яскравість на червоному, зеленому та синьому прямокутниках під спектром показує відносну інтенсивність відчуття на кожному з трьох незалежних типів рецепторів людського зору.

Додаток 2

Схема утворення веселки.

Сферична краплина (1), внутрішнє відбиття (2), первинна веселка (3), заломлення (4), вторинна веселка (5), промінь світла, що входить у краплину (6), хід променів при утворенні первинної веселки (7), хід променів при формуванні вторинної веселки (8), спостерігач (9), область формування первинної веселки (10), область формування вторинної веселки (11), хмарка краплинок (12)

Додаток 3

а

б

в

	г			д		е		є
		Непрозоре тіло					Прозоре тіло

Рис. 1.7. Забарвлення тіл внаслідок взаємодії з білим світлом

Рис. 1.8. Світловий потік інтенсивністю I0 проходить крізь розчин у кюветі товщиною l

Додаток 4

Рис. 2.3. Мінерали, опромінені УФ світлом . Зразки мінералів з музею ім.А.Є.

Ферсмана РАН. Фото: © А.А. Євсеєв (http://geo.web.ru/druza/m-lumin.htm)

бензапірен

Рис. 2.7. Вплив 3,4-бензапірену на молекулу ДНК

Рис. 2.8. Люмінесценція водних розчинів комплексів європію, тербію, диспрозію та самарію при УФ опроміненні світлом довжиною хвилі 365 нм.

Додаток 5

С(IO3-),	0	0,02	0,1	0,5
ммоль/л:

Рис. 3.1. Приклад кольорової тест-шкали для візуального визначення йодату із застосуванням ІП на основі модифікованого кремнезему

Рис. 3.2. Приклад РІП смужок для визначення рівня кетонів і глюкози у крові.

http://www.diabet-shop.ru/product/vizualnye-poloski-ketogluk-50/

Додаток 6

Рис. 3.3. РІП смужки для визначення	Рис. 3.4. Приклад комерційних
кальцію і магнію лінійно-колористичним	індикаторних трубок
методом

Рис. 3.5. Портативний міні фотометр для реєстрації аналітичного сигналу при проведенні індикаторної реакції у розчині