3.1.3. Особенности проведения спектрофотометрических экспериментов

Закон БЛБ предсказывает наличие линейной зависимости между оптической плотностью вещества и его молярной концентрацией, значение коэффициента экстинкции ε предполагается постоянным, не зависящим от условий проведения эксперимента. Но на практике нередки случаи, когда регистрируются отклонения от линейной зависимости.

Поэтому в спектроскопии принято для каждого исследуемого вещества экспериментально проверять выполнимость закона Бугера – Ламберта – Бэра. С этой целью проводят измерения оптической плотности на фиксированной длине волны для ряда растворов с различной концентрацией. По полученным данным строится калибровочный график зависимости D_ от C (при постоянной толщине оптического слоя), по которому судят о наличии пропорциональности. В идеальном случае точки на гра-фике должны попадать на прямую, проходящую через начало координат. Тангенс угла наклона этой прямой и есть коэффициент экстинкции исследуемого вещества.

Для проведения точных спектроскопических измерений необходимо грамотно выбирать рабочую длину волны. В большинстве случаев удобнее всего проводить измерения в области максимального поглощения. Не рекомендуется работать на крутом спаде спектральной кривой, поскольку в этом случае небольшие отклонения в значении λ могут привести к заметной ошибке в определении оптической плотности, а значит, к неправильному результату.

Кроме того, немаловажное значение для точности эксперимента имеет и используемый диапазон оптических плотностей. Многие современные спектрофотометры позволяют измерять оптическую плотность в пределах 0  D  4, однако, точность полученных значений будет существенно различаться в разных точках этого диапазона. Относительная ошибка определения оптической плотности описывается следующим выражением:

З ависимость относительной ошибки (ΔD/D) от D, вычисленная при условии, что величины ΔI и I₀ постоянны во всем исследуемом диапазоне оптических плотностей, приведена на рис. 3.4. Как видно из графика, минимальная ошибка в измерении оптической плотности наблюдается при D = lg(e) = 0,4343, а при отклонениях от этого значения как в большую, так и в меньшую стороны она резко возрастает. Поэтому на практике обычно подбирают такие условия, чтобы оптическая плотность исследуемого раствора находилась в пределах 0,1 < D < 1,4. Если же экспериментально измеренные значения оптической плотности оказываются за пределами рекомендуемого диапазона, то можно либо дополнительно разбавить исследуемый раствор, либо использовать для измерений кювету с иной длиной оптического пути.

3.1.4. Анализ спектров многокомпонентных систем

Анализ спектров поглощения многокомпонентных смесей является достаточно сложной задачей. Поэтому в качестве простейшего примера рассмотрим ситуацию, когда в растворе содержится два вещества или одно вещество в двух формах А и В (протонированной и депротонированной). Допустим, что эти вещества поглощают свет в исследуемой области спектра, могут превращаться друг в друга в результате необратимой или обратимой химической реакции (например, изомеризация, комплексообразование и т. д.) и их концентрации связаны отношением С_А + С_В = С₀ = const. В этом случае по спектру поглощения можно определить значения С_А и С_В. Правда, для проведения анализа требуется, чтобы спектры этих частиц существенно отличались в некоторой области длин волн.

П редположим, что в выбранной спектральной области спектры определяемых веществ перекрываются незначительно. Тогда рабочую длину волны следует выбрать так, чтобы одно вещество не имело на ней поглощения, а второе поглощало возможно сильнее. В этом случае по известному значению С₀ и оптической плотности на выбранной длине волны D_λ легко определяется концентрация каждого вещества.

Рассмотрим более сложную ситуацию, когда спектры обеих веществ полностью перекрываются. В этом случае в качестве рабочей длины волны следует выбрать область, где бы коэффициенты экстинкции ε_A и ε_B различались максимально. Выражение для оптической плотности двухкомпонентной системы на данной длине волны записывается как:

Поскольку суммарная концентрация частиц С₀ поддерживается постоянной, то это выражение можно переписать в виде

(3.1)

Как видно из формулы (3.1), если при некоторой длине волны λ* коэффициенты экстинкции обеих поглощающих форм равны (ε_A = ε_B), то оптическая плотность на данной длине волны D_λ* определяется только начальной концентрацией частиц С₀ и не зависит от соотношения равновесных форм. Поэтому спектральные кривые растворов любого состава будут пересекаться в одной точке (рис. 3.5), которая называется изобестической.

Наличие на спектрах поглощения одной или нескольких изобестических точек является хорошим критерием, позволяющим судить о наличии в растворе равновесия между двумя веществами. Если же в серии растворов при наличии изобестической точки спектральная кривая одного из них не проходит через эту точку, то, вероятнее всего, данный раствор был приготовлен неправильно.

Точность анализа смеси также зависит от правильного выбора рабочей длины волны и будет тем выше, чем больше значение производной:

При заданной толщине кюветы l чувствительность растёт с увеличением разницы (ε_А – ε_В), достигая максимального значения в точках, где эта разница принимает наибольшее значение. Такие точки называют характеристическими.