«В.Н. Казин, Г.А. Урванцева ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭКОЛОГИИ И БИОЛОГИИ Учебное пособие Ярославль 2002 ББК Ес25я73 К 14 УДК 543.87 Казин В.Н., Урванцева Г.А. Физико-химические методы исследования в ...»

Министерство образования Российской Федерации

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

В.Н. Казин, Г.А. Урванцева

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ЭКОЛОГИИ И БИОЛОГИИ

Учебное пособие

Ярославль 2002

ББК Ес25я73

К 14

УДК 543.87

Казин В.Н., Урванцева Г.А.

Физико-химические методы исследования в экологии и биологии: Учебное пособие / Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2002. 172 с.

Учебное пособие написано в соответствии с содержанием Государственных образовательных стандартов и программой дисциплины “Физико-химические методы анализа” по специальности “013100-Экология”, направлению “511100-Экология и природопользование” и программой большого практикума (раздел “Физикохимические методы анализа”), который выполняется студентами по специальности “011600-Биология”.

В нем изложены основы физико-химических методов анализа. Даны принципиальные схемы основных установок и приборов. Рассмотрены условия и области применения методов, их достоинства и недостатки, ограничения, перспективы развития и другие особенности и характеристики.

В конце каждой главы дано описание практических работ, приведены контрольные вопросы.

Предназначено для студентов-экологов, биологов, химиков, аспирантов, научных работников и учителей школ.

Рецензенты: кафедра аналитической химии и контроля качества продукции Ярославского государственного технического университета; М.В. Дорогов, д-р хим.

наук, профессор кафедры органической химии Ярославского государственного педагогического университета им. К.Д. Ушинского.

© Ярославский государственный университет, ISBN © Казин В.Н., Урванцева Г.А., Казин Вячеслав Николаевич Урванцева Галина Александровна Физико-химические методы исследования в экологии и биологии Редактор, корректор А.А. Аладьева Компьютерная верстка И.Н. Ивановой Подписано в печать 16.09.2002 г. Формат 60х84/16. Бумага тип.

Усл. печ. л. 10,2. Уч.-изд. л. 8,9. Тираж 100 экз. Заказ.

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе Ярославского государственного университета.

150000 Ярославль, ул. Советская, 14.

Основные обозначения С(А) – молярная концентрация вещества “А” (в СИ основной единицей является моль/м3, а рекомендуемой для практики единицей является моль/дм3 или моль/л) А - абсорбция вещества (оптическая плотность) ПААГ – полиакриламидный гель ОЭП – относительная электрофоретическая подвижность ВЭКХ – высокоэффективная колоночная хроматография ПАУ – полиароматические углеводороды ТСХ – тонкослойная хроматография АМХП – автоматизированное многократное хроматографическое проявление ВЭТСХ – высокоэффективная тонкослойная хроматография Rf – коэффициент скорости движения Kd - коэффициент распределения ВЭЖХ – высокоэффективная жидкостная хроматография ПИД – пламенно-ионизационный детектор Введение Физико-химические методы анализа и исследования - это условное название большого числа способов количественного и качественного определения веществ, которые предполагают, как правило, применение различных, часто довольно сложных, измерительных приборов. За рубежом в большом распространении термин “инструментальные методы анализа” или “приборные методы”. В основе физико-химических методов лежат законы физики и физической химии, а аппаратурное оформление основано на применении современных достижений оптики и электроники.

В последние десятилетия наблюдается быстрое совершенствование физико-химических методов анализа и исследования, за которым не успевают следить ни промышленность, ни вузовские программы. Постоянно открываются новые свойства веществ, которые могут привести к созданию новых методов.

Поэтому важно и нужно прежде всего знать фундаментальные свойства и общие закономерности, на которых основано развитие тех или иных родственных методов. Для Вас важно уметь выбрать метод, наиболее подходящий в данных обстоятельствах, дающий наибольшую информацию. Вы должны отметить, что не существует универсального метода, пригодного на все случаи жизни. В последние годы получило развитие совместное использование двух или более методов.

Методы анализа, основанные на наблюдении измерений физических свойств анализируемой системы (интенсивность окраски, электропроводность, потенциал электрода и т.п.), происходящих в результате определенных химических реакций, называют физико-химическими методами.

Общее число физико-химических методов анализа довольно велико – оно составляет несколько десятков. Наибольшее практическое значение среди них имеют следующие:

1) спектральные и другие оптические методы;

2) электрохимические методы;

3) хроматографические методы анализа.

Среди указанных трех групп наиболее обширной по числу методов и важной по практическому значению является группа спектральных и других оптических методов анализа. Она включает методы эмиссионной атомной спектроскопии, атомно-абсорбционной спектроскопии, электронной и инфракрасной спектроскопии, спектрофотометрии и другие методы, основанные на измерении различных эффектов при взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.

Группа электрохимических методов анализа, основанная на измерении электрической проводимости, потенциалов и других свойств, включает методы кондуктометрии, потенциометрии, вольтамперометрии и т.д.

В группу хроматографических методов входят методы газовой и газожидкостной хроматографии, жидкостной распределительной, тонкослойной, ионообменной и других видов хроматографии.

Перечень групп является далеко не полным, так как сюда не вошли многие методы (резонансные методы радиоспектроскопии, масс-спектрометрические и др.). Эти методы будут рассмотрены отдельно, что, конечно, ни в коей мере нельзя считать признаком их второстепенности.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ (ОПТИЧЕСКИЕ)

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Сочетание высокой чувствительности, точности и быстродействия объясняет широкое распространение спектральных методов в биологии, экологии, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях знаний. Оптические методы позволяют получить сведения о строении и свойствах молекул и веществ в целом и применяются для изучения состояния биообъектов и характера изменений этого состояния в биологических системах (процессы полимеризации, деградации, связывание с другими молекулами, образование и распад ферментсубстратных комплексов, первичные фотофизические, а также фото- и радиационно-химические процессы с участием неустойчивых лабильных продуктов радикальной природы и т.д.).

Спектральные методы анализа основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Можно представить себе два случая такого взаимодействия. В первом из них излучение направляется на вещество и частично им поглощается. Метод анализа, в котором используются спектры поглощения, называется абсорбционной спектроскопией.

Другая область спектрального анализа рассматривает собственное излучение вещества, приведенного в возбужденное состояние каким-либо посторонним источником энергии. В большинстве случаев вещество нагревают в пламени газовой горелки, вольтовой дуги, в плазме электрического искрового разряда. В люминесцентных методах и при изучении комбинационного светорассеяния анализируемое вещество облучают потоком электромагнитных волн, энергия которых превращается во вторичное излучение. Перечисленные методы относятся к эмиссионной спектроскопии.

Основные характеристики электромагнитного Электромагнитное излучение имеет двойственную природу - оно обладает волновыми и корпускулярными свойствами.

К волновым характеристикам относятся частота колебаний, длина волны и волновое число, к квантовым – энергия квантов.

Частота колебаний () – число колебаний в единицу времени. Единицей частоты служит герц (Гц) или с-1 (1 Гц =1 колебание в секунду).

Длина волны () есть расстояние между соседними максимумами. Длина волны в Международной системе единиц (СИ) измеряется в метрах (м) и его долях - сантиметрах (см), миллиметрах (мм), нанометрах (1 нм= 10-9 м), ангстремах (1А0=10- м).

Еще одной весьма удобной величиной является волновое число ( ):_ Волновое число показывает, сколько длин волн данного излучения укладывается в 1 см. По сложившейся традиции излучение в инфракрасной области определяют в волновых числах.

Спектр электромагнитных колебаний удобно разбить на несколько областей (табл. 1.1.). Деление спектра на области важно потому, что взаимодействие излучения с изучаемой системой в каждой из них протекает по различным механизмам и Спектр электромагнитных колебаний Радиоволны Микроволны Инфракрасное излучение Ультрафиолетовое излучение 10–400 нм или 10-8 – 410–7 м Рентгеновское излучение 10-2–10 нм или 10-11–10-8 м Каждая область электромагнитных колебаний охватывает определенный интервал длин волн и характеризуется определенным уровнем энергии. Энергия электромагнитного излучения определяется соотношением Бора:

где h - постоянная Планка, равная 6,6210-34 Джс, с - скорость света в вакууме (с=3108 м/c).

Количество поглощаемой энергии может иметь только строго определенные значения, т.е. поглощается излучение только определенной частоты. Поглощение излучения, а следовательно, и энергии происходит в том случае, если квант излучения соответствует разности между двумя энергетическими уровнями облучаемого вещества.

В органической химии для исследования строения молекул чаще всего используются следующие области, различающиеся энергией квантов:

- наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов; эта энергия соответствует излучению в ультрафиолетовой и видимой области (электронная спектроскопия);

- меньшие затраты энергии необходимы для изменения колебательных уровней молекулы, связанных с изменением длин связей и углов в инфракрасной области (колебательная спектроскопия);

- еще меньшая энергия необходима для переориентации спинов ядер, которая может вызываться квантами радиочастотного излучения (спектроскопия ядерного магнитного резонанса).

Абсорбционная спектроскопия Абсорбционная спектроскопия имеет дело со спектрами, характеризующими способность веществ поглощать энергию электромагнитного излучения. Нами будут рассмотрены только основные методы абсорбционного спектрального анализа – анализ по электронным и колебательным спектрам.

1.1. Законы поглощения света Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход с основного, невозбужденного уровня на один из более высоких, чаще всего на первый возбужденный уровень.

В спектроскопии применяются источники излучения, которые испускают лучи в широкой спектральной области. Такие излучения называются полихроматическими. Из полихроматического излучения выделяют узкие по интервалу длин волн излучения, которые принято называть монохроматическими. Для этой цели пользуются светофильтрами или монохроматорами.

Монохроматическим называют излучение, заключенное в таком узком интервале длин волн, что дальнейшее его сжатие не позволяет получить о веществе дополнительную информацию.

Оптические свойства растворов исследуют, наливая их в специальные кюветы. На стенке кюветы обычно указывается ее длина “l” (толщина).

Ослабление монохроматического светового луча, направленного сквозь кювету с анализируемым веществом, происходит в простейшем случае по трем причинам. Во-первых, может иметь место рассеяние света мутной средой, во-вторых, часть падающего излучения может отражаться поверхностью образца и, в-третьих, - поглощаться им. В дальнейшем будет принято во внимание только поглощение света, когда рассеянием и отражением можно пренебречь.

Пропустим сквозь слой вещества длиной “l” монохроматический световой поток “I0”. Выходящий световой топок “I”, вообще говоря, слабее падающего.

Закон Бугера–Ламберта утверждает, что одинаковые слои одного и того же вещества поглощают свет в одинаковой степени независимо от интенсивности падающего потока:

где к - коэффициент поглощения, который зависит от оптических свойств вещества.

Исследуя окрашенные растворы, Беер установил, что коэффициент поглощения к=С, где С- концентрация (моль/л), молярный коэффициент ослабления или экстинции (л/мольсм).

Значение молярных коэффициентов ослабления различных соединений может меняться от долей единицы до 100 000. Коэффициент экстинции во многих случаях может служить характеристикой вещества, подобно показателю преломления или удельному весу.

Уравнение, переписанное в виде:

называют законом Бугера-Ламберта-Беера, который связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя. Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивности света, прошедшего через исследуемый раствор и чистый растворитель.

Отношение I/I0 называется светопропусканим или прозрачностью образца “T” (изменяется от 0 до 100 % или от 0 до 1).

Обозначив lg1/T=А, где А – абсорбция вещества (или используется термин “оптическая плотность”), запишем уравнение в следующей форме (закон Беера):

Абсорбция вещества (безразмерная величина) изменяется от нуля (абсолютно прозрачные растворы) до бесконечности (абсолютно непрозрачные растворы).

Таким образом, концентрацию растворенного вещества можно определить без каких-либо химических операций, измеряя абсорбцию вещества в монохроматических лучах с заранее выбранной длиной волны. Такой метод анализа называется колориметрическим.

Закон Беера удобно изображать в графической форме, откладывая опытные значения “А” и концентрации раствора по осям координат (рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Графический способ выражения закона Беера;

Угловой коэффициент прямых, проходящих через начало координат, равен tg = l, откуда можно найти коэффициент ослабления. Чувствительность колориметрического метода определяется величиной dА/dС = tg = l. Чем выше коэффициент экстинции (при l = const), тем чувствительнее метод.

Широкое применение находит в химии простая аналитическая процедура определения концентрации по методу калибровочных кривых. Она не требует вычисления коэффициента ослабления, концентрация находится непосредственно по графику. Приготавливают несколько растворов анализируемого вещества с известными концентрациями и измеряют в одной и той же кювете абсорбцию вещества. Результаты наносят на график. Затем в той же кювете измеряют величину “А” анализируемого раствора и находят концентрацию.

Закон Беера, вообще говоря, выполняется во всех случаях, когда вещество не изменяет своих свойств при разбавлении или концентрировании растворов (рис. 1.2., кривая 1). Изменения в поглощении могут возникать при сольватации растворенных веществ, ассоциации молекул друг с другом (кривая 2 - положительное отклонение) или, напротив, при диссоциации с образованием большего числа поглощающих частиц (кривая 3 отрицательное отклонение).

Отклонения от закона Беера - весьма рапространенное явление, особенно для растворов красителей при достаточно высоких концентрациях. Построение калибровочной кривой, кроме своего основного назначения (определение концентрации), позволяет проверить выполнимость закона Беера для растворов. Метод калибровочных кривых применим и для растворов, не подчиняющихся закону Беера.

1.2. Электронная спектроскопия (ультрафиолетовая и видимая области) 1.2.1. Механизм поглощения видимых По механизму взаимодействия с веществом видимые лучи близки прилежащей к ней ультрафиолетовой части спектра (табл. 1.1). Выделение видимой части спектра в самостоятельную область обусловлено субъективными причинами - границами восприятия электромагнитного излучения человеческим глазом.

При поглощении видимых и ультрафиолетовых лучей изменяется энергетическое состояние электронных оболочек атомов и молекул. Спектры поглощения, полученные в этих областях, называются электронными.

Поглощение веществом электромагнитных колебаний в ультрафиолетовой и видимой области обусловлено переходом электронов со связующих орбиталей на разрыхляющие орбитали. Такое состояние молекулы называется возбужденным (обычно изображается *).

При взаимодействии с квантом света, поглощая энергию, электрон может переходить с высшей заполненной на низшую вакантную орбиталь. Электроны в атомах и молекулах занимают орбитали со строго определенной энергией. В обычных органических молекулах присутствуют электроны - и -связей, а также электроны неподеленных пар гетероатомов (O, N, S и т.д.) или n – электроны. Их относительные энергетические уровни и сравнительные энергии возможных переходов представлены на рис. 1.3.

и энергия возможных электронных переходов Наибольшая энергия кванта необходима для осуществления перехода *, т.е. для возбуждения электронов наиболее прочной -связи необходимы кванты света минимальной длины. Энергия переходов n* и * меньше, и, следовательно, длина волны света, возбуждающего такой переход, соответственно больше. Практическое значение имеют переходы * и n*, поскольку только им соответствуют длины волн, попадающие в рабочий диапазон прибора.

Группировки, вызывающие избирательное поглощение электромагнитного колебания в видимой и ультрафиолетовой части спектра, называются хромофорами.

Основными хромофорами, дающими максимум поглощения в области 200 – 800 нм, являются системы сопряженных двойных связей. Сопряженные двойные связи будут поглощать кванты света с большей длиной волны, чем изолированные двойные связи. Для изолированных кратных связей в используемом для измерений интервале проявляется только переход карбонильной группы C = O (max = 270 нм). В ароматических системах переход электрона в возбужденное состояние осуществляется также при меньшей затрате энергии, чем в случае изолированной двойной связи.

Таким образом, основными хромофорами в УФспектроскопии являются сопряженные C=C-связи, карбонильная группа C=O, системы C=C-C=O, ароматическое ядро. Исключение составляют переходы * изолированных двойных связей C=C и C=N-, а также тройных связей CC и CN ((max = 650-180 нм).

Если плавно изменять длину волны падающего на вещество светового потока, то коэффициент ослабления вещества изменяется по довольно сложной зависимости.

Функция, связывающая коэффициент ослабления с длиной волны, называется спектром поглощения (абсорбции) вещества.

Спектрами называются также и другие оптические характеристики веществ: абсорбция вещества и светопропускание, вычерченные в зависимости от длины волны, частоты или волнового числа (рис. 1.4.).

Спектр поглощения удобен для качественного анализа и идентификации, и может претендовать на роль своеобразного паспорта вещества. Практически нет случаев, чтобы различные по химическому строению вещества имели полностью совпадающие спектры.

УФ-спектр органического вещества характеристичен, т.к.

поглощение определяется только собственно хромофором и его ближайшим окружением, т.е. один и тот же хромофор проявляется практически одинаково как в исключительно простых, так и самых сложных молекулах.

В зависимости от непосредственного окружения одной и той же хромофорной группировки положение максимума поглощения в УФ-спектрах различных соединений может несколько меняться. Введение в молекулу различных заместителей или изменение внешних условий, например растворителя, обычно вызывает сдвиг полосы поглощения. Сдвиг максимума в сторону более длинных волн принято называть батохромным сдвигом (обусловлен наличием атома галогена, гидрокси-, амино-, алкильных групп), а сдвиг в сторону более коротких волн – гипсохромным (например, образование водородной связи с растворителем).

Рис. 1.4. Некоторые способы изображения спектров поглощения УФ-спектр в большинстве случаев представляет собой кривую с одним пологим максимумом (рис. 1.5.).

Рис. 1.5. УФ-спектр циклопентадиена Уширение полос связано с сильным влиянием молекул растворителя на энергетические уровни электронов, ответственных за светопоглощение, и наложением колебательных переходов на электронный переход (помимо основных уровней электронных переходов существуют подуровни, связанные с колебаниями молекулы).

Обычно УФ-спектр характеризуют длиной волны, при которой наблюдается максимум поглощения, и молярным коэффициентом ослабления в этом максимуме. Например, спектр циклопентадиена (рис. 1.5.) достаточно точно может быть передан записью: max (в гексане) 240 нм ( 3400). УФ-спектр вещества может иметь несколько максимумов поглощения, каждый из которых соответствует различным типам электронных переходов. В этом случае при цифровой записи спектра перечисляются длины волн максимумов поглощения и в скобках приводятся значения “”, соответствующие данному максимуму.

Молярный коэффициент ослабления для каждого поглощающего в УФ-области вещества при данной длине волны в одном растворителе имеет строго постоянное значение (издаются атласы спектров поглощения веществ, таблицы).

В качестве растворителей в УФ-спектроскопии используются вещества, не имеющие поглощения в исследуемой области спектра и не реагирующие с растворенным веществом (гексан, гептан, циклогексан, спирты, вода, галогенопроизводные, простые эфиры, кислоты и др.).

Интенсивность поглощения в спектре связана с вероятностью данного типа электронного перехода. Наибольшей интенсивностью в спектрах поглощения обладают полосы, обусловленные переносом электрона от одного атома к другому (полосы переноса заряда). Более правильно следует говорить о переносе электрона между молекулярными орбиталями, локализованными у разных атомов. К ним относятся многие *- и n*-переходы. Однако не все переходы осуществляются в действительности. Существуют так называемые правила отбора, определяющие разрешенные и запрещенные переходы. Эти правила учитывают в основном симметрию молекулы, а также симметрию основного и возбужденного состояний. Запрещены переходы, при которых происходит изменение спина электрона. Интенсивность поглощения, соответствующего разрешенным переходам, обычно более высока, молярный коэффициент ослабления достигает тысяч, а иногда и сотен тысяч единиц, тогда как для запрещенных переходов значение “” составляет десятки, реже – сотни единиц.

Приборы для селективного поглощения излучения растворами называются спекрофотометрами. При всем многообразии схем и конструктивных особенностей приборов абсорбционной спектроскопии в каждом из них имеется несколько основных узлов, функции которых примерно одинаковы в разных приборах. Такими узлами являются: источник света, монохроматор света, кювета с исследуемым веществом, приемник света.

В приборах абсорбционной спектроскопии свет от источника освещения проходит через монохроматор и падает на кювету с исследуемым веществом. Интенсивность монохроматического света, прошедшего через кювету, измеряется приемником света.

В видимой области источником света являются специальные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью с высокой температурой нити, чтобы максимум испускания был смещен как можно дальше в видимую область. Такие лампы называют перекальными.

В качестве источника УФ-излучения обычно применяется водородная (дейтериевая) лампа: электрическая дуга в атмосфере водорода при низком давлении, которая дает практически непрерывный спектр излучения в области 200 – 400 нм.

Кроме того, используют ртутные лампы. В ртутной лампе разряд происходит в парах ртути. Возбужденные атомы ртути испускают линейчатый спектр, в котором преобладает излучение с длиной волны 254, 302, 334 нм.

Монохроматоры и светофильтры предназначены для выделения из полихроматического спектра источника узкого участка, который в условиях опыта можно считать монохроматическим.

Светофильтры – это окрашенные стекла, пропускающие полосу 20 – 50 нм. Светофильтры применяют в колориметрах для выделения спектрального участка, в котором анализируемый раствор имеет наибольшую величину абсорбции (поглощения). Колориметры имеют набор светофильтров, непрерывно перекрывающих весь видимый участок спектра.

Плавное изменение длины волны светового потока возможно с помощью монохроматоров. Наибольшее распространение имеют призменные монохроматоры и монохроматоры с дифракционной решеткой.

Основным элементом призменного монохроматора является диспергирующая призма, которая разлагает полихроматическое излучение в спектр (рис. 1.6).

Излучение источника фокусируется конденсором на входной щели монохроматора. Входная щель установлена в фокусе коллиматорной линзы, направляющей параллельный пучок лучей на грань призмы. Диспергированные лучи фокусируются объективом в фокальной плоскости монохроматора, где находится выходная щель, пропускающая только небольшую часть спектра. Для изменения длины волны выходящего из монохроматора потока излучения можно либо перемещать выходную щель в фокальной плоскости, либо поворачивать призму, последовательно фокусируя на неподвижную щель различные участки спектра. Существует много схем монохроматоров, отличающихся от изображенной на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Устройство призменного монохроматора:

1 – источник излучения, 2 – конденсорные линзы, 3 – входная щель, 4 – коллиматорная линза, 5 – диспергирующая призма, Монохроматическое излучение пропускается через кювету.

Материал кюветы и призмы должен быть прозрачен во всем рабочем интервале длин волн монохроматора. В видимой области применяют призмы и кюветы из различных сортов (оптического) органического стекла, в ультрафиолетовой – кварц.

Приемником света в видимой и ультрафиолетовой областях является фотоэлемент, величина тока которого пропорциональна интенсивности падающего света. Ток усиливается и регистрируется потенциометром. Практически обычно определяют отношение интенсивностей монохроматического света, прошедшего через исследуемый раствор и через чистый растворитель или специально выбранный раствор сравнения.

Электронные спектры поглощения для целей качественного анализа используются значительно реже, чем колебательные, так как они обычно бывают представлены небольшим числом широких полос поглощения, которые часто накладываются одна на другую и полностью или частично перекрываются. Однако по электронным спектрам поглощения иногда удается провести достаточно эффективный анализ качественного состава (см. раздел 1.2.2.): определить в исследуемых соединениях наличие или отсутствие группировки-хромофора, например в нефтехимии.

УФ-спектроскопия дает прекрасную возможность для количественного анализа веществ. Для этого записывают спектр поглощения анализируемого вещества при одной концентрации, выбирают максимум поглощения. Если в спектре имеется несколько полос, выбор обычно останавливается на наиболее интенсивной, так как работа в области максимума светопоглощения обеспечивает наиболее высокую чувствительность определения. Далее делают несколько разведений и при выбранном одном максимуме поглощения снимают значения абсорбции вещества. Строят калибровочную кривую, затем измеряют величину “A” анализируемого раствора и по графику определяют неизвестную концентрацию (рис. 1.7.).

Рис. 1.7. Построение калибровочной кривой (б) Цвет растворов, поглощающих в видимой области, зависит от положения главной полосы поглощения в спектрах. Окраска в проходящем солнечном свете является результатом избирательного поглощения веществом отдельных участков спектра.

Выходящий световой поток имеет иной световой баланс, отличающийся от соотношения цветов в падающем световом потоке. Окраска придается раствору теми составляющими белого света, которые менее других поглотились веществом. Естественно, что красный раствор пропускает красные, а поглощает лучи другого цвета, в результате доля красных лучей в выходящем световом потоке увеличивается. Такие цвета называются дополнительными (табл. 1.2.).

Цвет раствора Область максимального Дополнительный цвет Раствор марганцовокислого калия окрашен в красный цвет, он поглощает зеленые лучи, и его полоса поглощения лежит в области 440 – 650 нм. Бихромат калия, согласно установленному соотношению, поглощает фиолетовые лучи, т.е. область, близкую 400 нм.

В простейших приборах для определения абсорбции вещества (колориметрах) имеется наборы светофильтров, выделяющих узкие интервалы видимого спектра. Для определения величины "А" растворов необходимо выбрать светофильтр, пропускающий те лучи, которые всего сильнее поглощаются анализируемым веществом. Чтобы правильно выбрать светофильтр, необходимо определить абсорбцию раствора на каждом светофильтре. Цвет светофильтра должен соответствовать области максимального поглощения раствора. Окраска раствора и цвет светофильтра относятся друг к другу, как дополнительные цвета. Таким образом, для анализа растворов KMnO требуется зеленый светофильтр, а для K2Cr2O7 – фиолетовый.

Большинство приборов, предназначенных для определения абсорбции вещества имеют шкалу с отчетом А=02. Теоретические расчеты показывают, что ошибка при определении концентрации исследуемого вещества минимальна, когда А0,44.

Практически хорошие результаты получаются при абсорбции раствора вещества от 0,2 до 0,8. Приборы снабжены набором кювет, отличающихся длиной (толщиной). Эмпирически выбирают кювету, для которой абсорбция анализируемого раствора попадает в указанный интервал.

Определение концентрации по закону Беера называется анализом по собственному поглощению. Анализ веществ с низким молярным коэффициентом ослабления во многих случаях имеет недостаточную чувствительность, а неокрашенные вещества, такие как вода, бензол, вообще нельзя определять по собственному поглощению в видимой части спектра, так как коэффициент ослабления близок к нулю.

Неокрашенные соединения составляют основную часть известных органических и неорганических веществ, поэтому колориметрический анализ по собственному поглощению в видимой области имеет ограниченное применение. Для расширения круга веществ, которые можно анализировать в видимой области, используют специальные реагенты (колориметрический анализ с помощью регентов).

Реагенты - это соединения, которые взаимодействуют с анализируемым веществом и образуют продукты, обладающие высоким коэффициентом ослабления. Анализ с применением реагентов проводят также, как и по собственному поглощению – методом калибровочных кривых. Коэффициент ослабления в законе Беера в этом случае характеризует продукты реакции.

Применение реагентов обусловлено двумя причинами. Вопервых, стремлением расширить круг веществ, которые можно анализировать в видимой области, во-вторых, способностью некоторых реагентов взаимодействовать с одним веществом, входящим в состав сложной смеси. Эта важная особенность реагентов называется избирательностью. В настоящее время число органических реагентов исчисляется тысячами. Для новых развивающихся отраслей промышленности разработаны реагенты на германий, индий, уран, редкоземельные элементы.

Реагенты применяются и для анализа окрашенных веществ, которые, вообще говоря, можно было бы анализировать и по собственному поглощению, если необходимо увеличить чувствительность или определить концентрацию лишь одного из компонентов сложной смеси.

Одним из механизмов возникновения окраски растворов является окисление реагента анализируемым веществом с образованием продуктов, обладающих высоким коэффициентом ослабления. Так, бензидин (I) окисляется некоторыми ионами в (II) – интенсивно окрашенное вещество.

С помощью реагентов определяют многие органические вещества, в некоторых методиках для этого пользуются способностью органических соединений образовывать молекулярные окрашенные соединения. При анализе аминов реагентами могут служить нитросоединения, а при анализе нитросоединений - амины. Другой путь, приводящий к окрашиванию растворов, - синтез красителей, в котором принимает участие анализируемое вещество. Для определения резорцинов в сточных промышленных водах сухой остаток, полученный выпариванием пробы, сплавляют с фталевым ангидридом и, подщелачивая раствор, получают трифенилметановый краситель - флуоресцеин (III). Трифенилметановые красители имеют наибольшие коэффициенты ослабления, поэтому чувствительность анализа очень высока.

HO OH HO OH OH

Многие распространенные реагенты представляют собой соли диазония, которые можно получить по следующей схеме:

1. Определение фенолов.

Фенол, как известно, очень слабо окрашенное вещество. В видимой области коэффициент ослабления фенола близок к нулю и чувствительность анализа по собственному поглощению ничтожна мала. Если сочетать фенол с солью диазония, взятой в избытке по сравнению со стехиометрическим соотношением, соответствующим протекающей реакции, то всегда имеется уверенность, что концентрация образовавшегося красителя пропорциональна концентрации анализируемого вещества. Это соотношение концентраций должно всегда выполняться при использовании реагентов. Для определения фенола проводят реакцию азосочетания с солью диазония:

Раствор полученного в реакции красителя поглощает в наибольшей степени лучи с = 485 нм, что соответствует оранжевому окрашиванию раствора. При определении других гидроксипроизводных получаются красители со следующими оптическими характеристиками:

Определяемое вещество -нафтол 2. Определение аминов.

3. Определение кетонов.

Циклопентанон, взаимодействуя с солями диазония, дает бисазокраситель.

Метилэтилкетон дает моноазокраситель красного цвета.

Рассмотренный метод применяют для определения кислот, альдегидов, нитросоединений, спиртов и др.

Реагенты находят применение в органической химии, особенно в тех случаях, когда необходимо обнаружить и количественно определить микропримеси веществ; в промышленной санитарии (определение вредных соединений, отравляющих веществ в воздухе), в биологии.

Принцип определения основан на том, что бихромат калия, имеющий низкий коэффициент ослабления (500), окисляет в кислой среде дифенилкарбазид, превращая его в бис-азокраситель с коэффициентом ослабления около 104. Дифенилкарбазид, являющийся реагентом на хром, требуется брать в избытке по отношенияю к бихромату, поскольку необходимо, чтобы во взятой пробе весь бихромат провзаимодействовал с реагентом.

Азокраситель имеет фиолетово-красную окраску, его максимальное поглощение лежит в зеленой области спектра, что определяет выбор зеленого светофильтра.

Выполнение работы Раствор дифенилкарбазида готовят перед употреблением, растворяя 0,1 г реагента в 15 мл ацетона в мерной колбе на 50 мл и доводят водой до метки.

Для построения калибровочной кривой отбирают из бюретки 1, 2, 3, 4 и 5 мл раствора бихромата калия с концентрацией 6,810-5 моль/л в колбочки на 50 мл, добавляют в каждую по 2 мл раствора дифенилкарбазида и по 2 мл серной кислоты с концентрацией 5 моль/л.

Растворы разбавляют дистиллированной водой, доводят до метки, тщательно перемешивают и измеряют оптические плотности.

Для измерения абсорбции вещества кюветы заполняют на 2/3 высоты, соответственно, раствором и растворителем (дистиллированная вода). Кюветы осушают снаружи фильтровальной бумагой и помещают в держатели для кювет. Не следует касаться пальцами стенок кюветы, сквозь которые проходят световые лучи.

Результаты измерения абсорбции растворов заносят в таблицу, где указывают рассчитанную концентрацию бихромата калия в каждой пробе, а затем строят калибровочную кривую. Получают анализируемую пробу в колбочке на 50 мл, добавляют, как прежде, серную кислоту, реагент, доводят колбу водой до метки и измеряют оптическую плотность.

Концентрацию анализируемой пробы находят по калибровочной кривой.

Расчет концентрации производят по формуле:

где Ск, Сб – молярные концентрации (моль/л) в колбе и бюретке, соответсвенно; Vб – объем расвора, отобранного из бюретки; Vк – объем колбы.

Работа 2. Определение концентрации аминокислот спектрофотометрическим методом Реактивы и посуда:

1) водный раствор тирозина, С = 2,9210-4 моль/л, 2) водный раствор триптофана, С = 6,0710-5 моль/л, 3) кварцевые кюветы (2 шт.), 4) спектрофотометр.

Выполнение работы Кювету заполняют раствором аминокислоты (в кювету сравнения налить воду). Записывают спектр поглощения аминокислоты в области 200-350 нм и определяют расположение максимума поглощения. Разбавляя исходный раствор аминокислоты соответственно в 2, 4, 6, 8 и раз, измеряют абсорбцию полученных растворов при максимуме поглощения. Строят кривую зависимости абсорбции растворов (при максимуме поглощения) от концентрации. Получают анализируемую пробу аминокислоты и измеряют абсорбцию при максимуме поглощения.

Концентрацию анализируемой пробы находят по калибровочной кривой.

Проверяют, соблюдается ли закон Беера.

1. Спектр элекромагнитных колебаний. Применение различных областей спектра в химии и биологии. Длина волны, частота и волновое число, связь их друг с другом. Единицы измерения этих величин.

2. Закон поглощения света. Светопропускание, абсорбция вещества.

Вывод закона Беера. Отклонения от закона Беера.

3. Определение концентрации растворенного вещества по величине “A”. Зависимость чувствительности метода от коэффициента ослабления растворенного вещества. Органические реагенты. Метод добавок и калибровочных кривых.

4. Правило выбора светофильтра и длины кюветы.

5. Спектры поглощения. Определение коэффициента экстинции по спектам поглощения.

6. Механизм поглощения видимых и ультрафиолетовых лучей.

7. Количественный и качественный анализ по УФ-спектрам.

8. Источники, монохроматоры, приемники излучения, материал оптики в видимой и ультрафиолетовой области.

1. Миронов В.А., Янковский С.А. Спектроскопия в органической химии.

М.: Химия, 1985. С. 5-30.

2. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМРспектроскопии в органической химии. М.: Высшая школа, 1971. С. 65-95.

3. Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы определения строения органических соединений. М.: Высшая школа, 1984. С. 45-68.

4. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии.

Структурные методы и оптическая спектроскопия. М.: Высшая школа, 1987.

С. 293-356.

5. Васильев В.П. Аналитическая химия: В 2-х ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989.

С. 50-97.

6. Крешков А.П. Основы аналитической химии: В 3-х ч. Ч. 3. Физикохимические (инструментальные) методы анализа. М.: Химия, 1970. С. 244Черняковский Ф.П. основы физико-химических методов исследования и анализа органических веществ: Учеб. пособие / Яросл. политехн. ин-т. Ярославль, 1981. С. 9-30.

1.3. Инфракрасная (колебательная) спектроскопия Закон Бугера-Ламберта-Беера выполняется и в инфракрасной области, поэтому все виды анализа, рассмотренные для видимой и УФ-области, можно проводить и в инфракрасной части спектра.

ИК-спектроскопия наибольшее употребление находит для определения структуры органических соединений. Изучение структуры оказывается возможным, благодаря особенностям взаимодействия инфракрасного излучения с веществом. Как было показано выше, электронные спектры несут ограниченную информацию о строении скелета молекулы. Поглощение видимых и ультрафиолетовых лучей сопровождается изменением энергии электронных оболочек атомов и молекул. Энергия квантов инфракрасного излучения значительно ниже интервалов между электронными энергетическими уровнями, поэтому состояние электронной оболочки при поглощении инфракрасных лучей не изменяется. В поглощении инфракрасных излучений веществом принимает участие система колебательных энергетических уровней молекулы, расстояние между которыми соответствует энергии квантов инфракрасных лучей.

Колебательные спектры обусловлены в первую очередь смещениями ядер атомов, вследствие этого по ИК-спектрам можно устанавливать структуру молекул.

Колебания молекул проявляются в спектрах поглощения в инфракрасной области. Основными типами колебаний являются валентные и деформационные.

Валентными колебаниями называются колебания ядер атомов вдоль линии связи, они обозначаются буквой (C=C, C=O и т.д.). Приближенной механической моделью валентных колебаний может служить система из двух шаров, связанных жесткой пружиной (рис.1.8.А).

Рис. 1.8. А – механическая модель валентных колебаний атомов в молекуле. Б – модель симметричных и асимметричных колебаний Валентные колебания подразделяются на синфазные, или симметричные (S), и антифазные, асиммметричные (несимметричные) - as. Это возможно в системе из трех или четырех (рис. 1.8.Б) атомов (например, молекула ацетилена).

Деформационные колебания связаны с изменением валентного угла, образованного связями у общего атома. Они обозначаются буквой (дельта). Для возбуждения деформационных колебаний требуется меньшая энергия, чем в случае валентных колебаний, и, следовательно, они имеют меньшую частоту (меньшее волновое число):

Деформационные колебания подразделяются на ножничные, маятниковые, веерные и крутильные (рис. 1.9.).

Рис. 1.9. Деформационные колебания метиленовой группы (СН2):

а – ножничное, б – веерное, в – крутильное, г - маятниковое Колебательными инфракрасными спектрами обладают не все молекулы, а только те, у которых при колебании происходит изменение их электрического дипольного момента. ИК-спектрами обладают, например, молекулы HCl, CO, HBr и т.д., но не H2, O2 и др. В симметричных молекулах (например, таких, как этан) дипольный момент не зависит от длины связи С-С, и колебания, отвечающие таким связям, не проявляются в инфракрасных спектрах.

Сравнительная простота колебательных или колебательновращательных спектров двухатомных молекул обусловлена тем, что колебания происходят только вдоль линии, соединяющей ядра (валентные колебания).

В многоатомной молекуле происходят колебания всех атомов. Число колебательных степеней свободы у нелинейной молекулы, состоящей из N атомов, равно 3N-6, а у линейной 3N-5, так как у них отсутствует одна вращательная степень свободы.

Вследствие ангармоничности колебаний, кроме основных частот, в спектрах наблюдаются, обычно в виде слабых полос, обертоны и составные частоты. Обертоны – колебания, частота которых больше в целое число раз, чем у основных (2, 3 и т.д.). Составные частоты являются суммой или разностью двух различных фундаментальных частот.

Каждому из типов колебаний в молекулах и их суперпозициям отвечают соответствующие полосы, что придает инфракрасным спектрам значительную сложность по сравнению с электронными.

Для высокосимметричных молекул, обладающих осью симметрии не ниже третьего порядка, различные колебания могут иметь одинаковые частоты, вследствие чего в спектре таких соединений появляется вместо нескольких полос одна – осуществляется так называемое вырождение.

Бензол, содержащий 12 атомов, имеет 312–6=30 колебаний, из которых 7 колебаний происходят с изменением дипольного момента и поэтому активны в ИК-спектре. Вследствие вырождения в ИК-спектре будет наблюдаться меньшее число полос, а именно – 4 полосы.

Инфракрасные спектры многоатомных соединений сильно отличаются от УФ- и видимых спектров. Различия вытекают из природы взаимодействия поглощающих молекул и их окружения. В УФ-спектрах линии поглощения уширяются и стремятся слиться в широкие полосы поглощения. Большая ширина полосы поглощения обусловлена окружением хромофора, а также тем, что помимо основных уровней электронных переходов в хромофоре существуют подуровни, связанные с колебаниями молекулы. В ИК-спектре, наоборот, частота и коэффициент поглощения, соответствующие отдельному фрагменту (связи), обычно мало меняются с изменением окружения. Поэтому линии в ИК-спектре не сливаются в полосу.

Обычно по оси ординат при построении ИК–спектров откладывают светопропускание в процентах, а не абсорбцию вещества. По оси абсцисс откладывают волновое число в обратных сантиметрах (см-1), а иногда длину волны (рис. 1.10.).

Рис. 1.10. Спектр поглощения ацетона в инфракрасной области Полосы в колебательных спектрах делятся на два типа: характеристические (в основном валентные колебания), присутствие которых в спектре доказывает наличие в исследуемом веществе определенных структурных элементов, и нехарактеристические.

Характеристическое колебание принадлежит определенной связи (C-H, O-H, N-H, С-О и др.) и, следовательно, имеет достаточно постоянную частоту в различных веществах.

Нехарактеристические колебания занимают область 400-1000 см-1.

Это область колебаний углеродного скелета молекулы, которая резко реагирует на малейшие изменения в структуре молекулы.

ИК-спектр может быть разделен на несколько областей (корреляционные диаграммы):

3700-2500 см-1 – валентные колебания атомов водорода. Группе ОН соответствует частота 3600-3700 см-1. Если гидроксигруппа образует водородную связь, то последняя снижает эту частоту на 300-1000 см-1. Поглощение группы N-H наблюдается в области 3300-3400 см-1, а группы С-Н в области 2850-3000 см-1.

2500-2000 см-1 – область колебания тройной связи. Поглощение группы СС обычно наблюдается в диапазоне 2050-2300 см-1, но оно может быть слабым или отсутствовать. Поглощение группы CN лежит вблизи 2200-2300 см-1.

2000-1600 см-1 – область колебания двойной связи. Карбонильная группа (С=О) кетонов, альдегидов, кислот, амидов дает обычно сильное поглощение около 1700 см-1. Группа С=С в олефинах имеет поглощение вблизи 1650 см-1.

1700-1500 см-1 – область валентных и деформационных колебаний одинарной связи. В этой области нельзя идентифицировать определенные функциональные группы, однако она показывает различия между подобными молекулами и поэтому может служить областью “отпечатков пальцев”.

Органические соединения обычно дают пики поглощения между 1300-1475 см-1.

1000-700 см-1 – область деформационных колебаний олефинов и ароматических групп СН.

Полный спектр органического соединения (от 4000 до 400 см-1) дает возможность устанавливать идентичность веществ. Вещества идентичны, если их инфракрасные спектры, измеренные в одинаковых условиях, совпадают.

Изменение групповых частот внутри интервала, приведенного в корреляционных таблицах, связано с межмолекулярными и внутримолекулярными взаимодействиями в веществе.

Межмолекулярные взаимодействия практически отсутствуют в газообразном состоянии, поэтому истинный спектр вещества получают для его паров. В жидкости под влиянием диэлектрических свойств среды или в результате ассоциации может произойти изменение частот колебаний. Спектр твердого соединения изменен еще в большей степени не только благодаря усилению межмолекулярных взаимодействий, но и вследствие влияния кристаллической решетки. Смещение полос поглощения в спектре кристаллического соединения под влиянием межмолекулярных взаимодействий (за исключением соединений с сильными водородными связями) редко превышает 25 см-1. Растворители оказывают небольшое влияние на положение полос поглощения, и только в случае образования водородных связей может происходить существенное изменение частот колебаний групп, участвующих в ее образовании.

Наиболее существенное изменение в положении групповых частот наблюдается под влиянием внутримолекулярных взаимодействий. Эти взаимодействия определяются массой присоединенных атомов, геометрией молекулы и электронными эффектами заместителей.

Возможности метода: доказательство присутствия в веществе группировок, обладающих характеристическими частотами колебаний;

доказательство тождественности образцов; качественный и количественный анализ смесей при известных спектрах компонентов.

Качественный анализ. Благодаря кропотливому изучению огромного числа спектров известных веществ установлены корреляции (зависимости) между положением максимумов поглощения индивидуального колебания и соответствующими атомными группировками.

Для расшифровки инфракрасного спектра необходимо идентифицировать полосы поглощения, т.е. установить принадлежность каждой из полос спектра определенным атомным группировкам. Значения волновых чисел для различных групп находят в корреляционных диаграммах и таблицах характеристических частот.

С помощью корреляционных диаграмм устанавливают приблизительно, какая часть инфракрасного спектра представляет для данного исследования наибольший интерес. Затем по таблицам характеристических частот уточняют положение ожидаемых полос в спектрах. В расшифровке спектров помогают атласы, объединяющие спектры веществ определенного класса.

Стараясь получить максимум информации о строении вещества из ИК-спектров, следует учитывать, что содержащиеся в них полосы обладают различной степенью характеристичности. Поэтому, изучая ИКспектр, следует в первую очередь обратить внимание на те области, в которых наличие интенсивной полосы однозначно свидетельствует о присутствии в исследуемом веществе определенной функциональной группы. Обнаружив основную характеристическую частоту, обязательно убедитесь в наличии других полос, характерных для данного структурного элемента.

При определении характеристических полос важнейшее значение имеет их интенсивность. Различают полосы сильной, средней и слабой интенсивности. Так, слабая полоса в области 1700 см-1 не может служить доказательством присутствия в исследуемой молекуле карбонильной группы, поскольку характеристическая для этой группы полоса является одной из самых интенсивных в спектре.

Рассмотрим в качестве примера поглощение карбонильной группы.

В первую очередь проверьте наличие наиболее характеристических полос в области 1700-1800 см-1 (группа С=О в составе любой возможной функции). Если полосы соответствующей интенсивности в этой области отсутствуют, то можно утверждать, что молекула не содержит данного структурного элемента. Если присутствует полоса С=О, то по ее положению с помощью таблиц можно предположить, к какой функциональной группе она относится. Надо учитывать, что поглощение карбонильной группы меняется под действием собственного молекулярного окружения: поглощение связи С=О в карбоновых кислотах, способных образовывать внутримолекулярную водородную связь, сильно отличается от поглощения связи С=О в сложном эфире, в котором такая связь образовываться не может. Если вещество представляет собой сложный эфир, ему должны соответствовать две полосы С-О сильной интенсивности в области 1280-1200 см-1. Если предполагаемая группа альдегидная, надо отыскать в спектре полосу С(О)Н в области 2695-2830 см-1 слабой интенсивности. Если полос С=О две и они имеют соответствующие значения частот, то весьма вероятно, что вещество является ангидридом кислоты;

в этом случае в области С-=О (1280-1200 см-1) должны также наблюдаться две полосы.

Анализ по ИК-спектрам требует значительного опыта, хорошего знакомства со справочной литературой и химией исследуемых веществ.

Отнесение полос и определение структуры по инфракрасным спектрам не всегда однозначно. Для полного определения структуры могут потребоваться дополнительные исследования, выполненные другими методами.

Количественный анализ по инфракрасным спектрам.

Количественный анализ по инфракрасным спектрам осуществляется в двух направлениях, во-первых, для определения концентраций веществ в растворе и, во-вторых, для определения числа групп, входящих в состав молекулы.

Для того, чтобы определить концентрацию вещества, выбирают в ИК-спектре анализируемого вещества характеристическую полосу сильной интенсивности. Приготавливают несколько стандартных концентраций исследуемого вещества, записывают ИК-спектр и находят светопропускание (Т), соответствующее выбранному значению волнового числа (длине волны). Строят калибровочный график, затем измеряют “T” анализируемого раствора и по графику определяют концентрацию анализируемого вещества.

Существуют различные способы введения образца в ИКспектрометр.

1. Растворы веществ (применяют кюветы с длиной, равной 0,1-1, мм).

Затруднения при анализе связаны с выбором растворителя, потому что они обладают собственным поглощением. Для ИК-области в качестве растворителя наиболее подходит четыреххлористый углерод, но в нем растворяется ограниченный круг веществ. Также используют сероуглерод, хлороформ, циклогексан и др.

2. Тонкие пленки.

Высоковязкие жидкости часто помещают в виде слоя между двумя пластинками из соли, поскольку ввести вязкую жидкость в кювету не так просто.

3. Пасты (суспензии).

Пасты приготавливают тщательным растиранием твердого образца с вазелиновым маслом и помещают в виде тонкого слоя между солевыми пластинками.

4. Твердые вещества в виде порошка тщательно измельчают, растирая в агатовой или яшмовой ступке с порошком бромида калия, и затем спрессовывают в специальном устройстве под давлением в таблетки. Полученную таблетку устанавливают вместо кюветы и прописывают спектр. В двухлучевых приборах в потоке сравнения устанавливают таблетку из чистого бромида калия.

Инфракрасный спектрометр - прибор, наиболее широко используемый для исследования структуры соединений. Промышленностью выпускаются записывающие инфракрасные спектрофотометры, обладающие отличным разрешением и воспроизводимостью.

В качестве источников освещения наиболее употребительны ртутные лампы высокого давления, штифты Глобара (или просто глобары) и Нернста. Глобар – стержень из карбида кремния (SiC), который можно нагревать путем пропускания электрического тока. Температура глобара значительно ниже, чем у ламп накаливания, и составляет около 12000С.

Глобар-штифт дает излучение в интервале 2 - 16 мкм. Штифт Нернста конструктивно не отличается от штифта Глобара, он сделан из оксидов редкоземельных элементов (циркония, тория и иттрия) и может быть нагрет без разрушения до более высокой температуры (1800 - 1900 0С).

Максимум излучения штифта Нернста при 1900 0С лежит около 1,3 мкм, т.е. между полосами испускания перекальных ламп и глобаров.

Наиболее универсальными монохроматорами являются призмы, изготовленные из солей щелочных и щелочно-земельных металлов (LiF, NaCl, KBr). Эти же материалы применяются для изготовления кювет.

Призмы из хлорида натрия применяется для записи спектров в широком интервале волновых чисел. Призмы из фторида лития – для сравнительно узкого участка области 1700-4000 см-1.

В кюветы нельзя заливать растворы, содержащие воду, или агрессивные вещества, взаимодействующие с материалом кювет. В качестве растворителей применяют осушенные жидкости.

Для измерения интенсивности инфракрасного излучения применяют термоэлементы и болометры. В термоэлементах используется термоЭДС, возникающая при изменении температуры спая между металлами или сплавами под действием инфракрасного излучения. Широко применяются для этих целей термопары медь-константан, серебровисмут и др.

Принцип действия болометра основан на изменении электросопротивления материала при нагревании. Термочувствительный элемент, представляющий собой зачерненную платиновую, сурьмяную или другую тонкую металлическую пластинку, включают в мостовую схему.

Инфракрасное излучение вызывает нагревание термочувствительного элемента и разбаланс моста, пропорциональный интенсивности падающего излучения.

Работа 1. Определение строения ароматических соединений Цель работы: знакомство с устройством инфракрасного спектрофотометра и методикой записи инфракрасных спектров; расшифровка инфракрасных спектров ароматических соединений, записанных студентами на спетрофотометре (”Specord M80” и др.) или выданных преподавателем.

Выполнение работы Образцы для инфракрасной спектроскопии изготавливают в виде суспензии в вазелиновом масле или растворов в растворителях, прозрачных для ИК-лучей. Следует учитывать при изготовлении образцов высокую гигроскопичность солевой оптики. Все растворители должны быть тщательно высушены.

Расшифровку спектра можно начинать только после подробного ознакомления с принципом инфракрасной спектроскопии и рекомендациями, приведенными в теоретической части. Отнесение полос поглощения следует проводить согласно имеющимся литературным данным.

Вначале необходимо обратить внимание на общий вид спектра. Обращаясь к корреляционным диаграммам, а затем к таблицам характеристических волновых чисел, найти области, характеризующие замещение в бензольном кольце; полосы, соответствующие колебаниям самого ядра и других функциональных групп. Следует учесть возможности многозначных решений некоторых задач и обосновать правильный выбор структуры.

Работа 2. Определение концентрации циклогексанона Выполнение работы Циклогексанон сильно поглощает инфракрасные лучи при волновом числе 1718 см –1, а циклогексан в этой области почти не поглощает инфракрасных лучей, т.е. оказывается возможным определять циклогексанон в циклогексане спектрофотометрическим методом в инфракрасной области спектра. Исследуемая проба циклогексана должна содержать не больше 3% циклогексанона.

В мерные колбы емкостью 50 мл помещают циклогексанон (концентрация циклогексанона в циклогексане в 50 мл, %: 0,125; 0,25; 0,5;

1,000; 2,000), доводят циклогексаном до метки и перемешивают.

Оптическую плотность полученных эталонных растворов определяют при волновом числе 1718 см –1. В качестве нулевого раствора берут циклогексан. Затем строят калибровочный график. Концентрацию циклогексанона в пробе находят по калибровочному графику.

1. Сопоставление механизма поглощения видимых, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Обоснование возможности определения строения молекул по инфракрасным спектрам.

2. Валентные и деформационные колебания атомов в молекулах.

Проявление различных видов колебаний в инфракрасных спектрах.

3. Колебательные спектры.

4. Расшифровка инфракрасных спектров по корреляционным диаграммам и таблицам характеристических частот.

5. Количественный анализ по ИК-спектрам.

6. Способы введения образца в ИК-спектрометр.

7. Источники, монохроматоры и приемники излучения в инфракрасной области.

8. Особенности солевой оптики.

1. Миронов В.А., Янковский С.А. Спектроскопия в органической химии.

М.: Химия, 1985. С. 30-71.

2. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМРспектроскопии в органической химии. М.: Высшая школа, 1971. С. 9-65.

3. Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы определения строения органических соединений. М.: Высшая школа, 1984. С. 8-35.

4. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии.

Структурные методы и оптическая спектроскопия. М.: Высшая школа, 1987.

С. 169-292.

5. Васильев В.П. Аналитическая химия: В 2-х ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989.

С. 50-97.

6. Крешков А.П. Основы аналитической химии: В 3-х ч. Ч. 3. Физикохимические (инструментальные) методы анализа. М.: Химия, 1970. С. 244Черняковский Ф.П. Основы физико-химических методов исследования и анализа органических веществ: Учеб. пособие / Яросл. политехн. ин-т. Ярославль, 1981. С. 30-42.

Глава 2. Эмиссионная спектроскопия 2.1. Теоретические основы эмиссионной спектроскопии и возможности Методы эмиссионного спектрального анализа используются во многих областях науки и техники и в различных отраслях народного хозяйства. Этим методом выполняется значительная часть анализов в металлургической промышленности. Очень эффективным оказалось применение спектральных методов при анализе разного рода геологических проб при поиске полезных ископаемых.

Существенную роль играет спектральный анализ природных и сточных вод, почвы, атмосферы и других объектов окружающей среды, а также в медицине и биологии. Важное значение имеет спектральный анализ чистых материалов в электронной технике и других областях, анализ реактивов и т.д.

Под эмиссионным спектральным анализом понимается совокупность методов определения химического состава вещества по наблюдению его возбужденного спектра. Для целей эмиссионного спектрального анализа необходимо перевести анализируемое вещество в возбужденное состояние. Наиболее подходящим для этого является перевод всей или части пробы в парообразное состояние и возбуждение паров пробы нагреванием их до достаточно высокой температуры (1000 - 50000С). Источниками для этого могут быть дуга, искра или высокотемпературное пламя.

При возбуждении молекулярное строение анализируемого вещества нарушается: происходит диссоциация большинства молекул и образование новых молекул, устойчивых при температуре разряда. Поэтому, за редким исключением, результаты анализа дают возможность судить об элементарном, а не молекулярном составе пробы, т.е. о количествах входящих в ее состав элементов, а не о тех соединениях, в виде которых эти элементы входят.

При возбуждении паров анализируемого вещества в высокотемпературном источнике наблюдаются три типа спектров: линейчатые, полосатые и сплошные.

Линейчатые спектры обязаны своим появлением переходам электронов между энергетическими уровнями возбужденных атомов и ионов. Дискретный характер спектров связан с квантовым характером уровней. Полосатые уровни принадлежат молекулам, присутствующим в разряде, и являются результатом возбуждения электронных, колебательных или вращательных уровней молекул.

Испускание атомами световой энергии происходит за счет изменения внутренней энергии, обусловленной взаимным расположением ядра атома и окружением его электронов. Законы атомной динамики таковы, что атомы могут находиться только в определенных энергетических состояниях, т.е. обладать только определенными запасами внутренней энергии Е0, Е1, Е2 и т.д. В нормальном состоянии атомы обладают минимальной энергией Е0. Для того, чтобы получить излучение атомов, последние необходимо возбудить, сообщив им энергию, переводящую атом в одно из состояний с более высоким уровнем энергии. Освобождающаяся при таком переходе энергия Е=Е1–Е0 излучается в виде светового кванта. Частота получающегося излучения равна =(Е1–Е0)/h. Каждый акт соответствует излучению одной линии.

Механизм возбуждения и излучения можно представить схемой (рис. 2.1.) Рис. 2.1. Переходы, соответствующие процессам возбуждения атомов и испусканию атомами световой энергии Спектры ионов и атомов состоят из бесконечно большого числа линий с частотами i,j. Вся совокупность и взаимное расположение линий является однозначной характеристикой элемента. Мы одновременно наблюдаем излучение, соответствующее комбинациям всех возможных энергетических состояний атомов данного элемента, т.е. излучение всего спектра данного элемента.

Качественный анализ. Основой качественного спектрального анализа является свойство каждого химического элемента излучать характерный линейчатый спектр. Задача качественного спектрального анализа сводится к отысканию линий определяемого элемента в спектре пробы.

Принадлежность линии данному элементу устанавливается по длине волны и интенсивности линии. Однако общее число линий в спектре многих элементов очень велико. Нет необходимости, конечно, определять длины волн всех спектральных линий в пробе. Для целей качественного анализа необходимо установить наличие или отсутствие в спектре так называемых аналитических или последних полос.

При уменьшении содержания элемента в пробе интенсивность линий этого элемента в спектре будет уменьшаться, некоторые линии исчезнут, и число линий уменьшится. При какой-то очень малой концентрации останется всего несколько линий. Это и есть последние линии, по которым обычно проводится качественный анализ. Последние линии хорошо изучены, их длины волн и характеристику интенсивности можно найти в специальных таблицах и атласах спектральных линий.

Для расшифровки спектра и определения длины волны анализируемой линии пользуются спектрами сравнения, в которых длины волн отдельных линий хорошо известны. Чаще всего для этой цели используют спектр железа, имеющий характерные группы линий в разных областях длин волн.

Отсутствие последней линии определяемого элемента в спектре гарантирует отсутствие других линий этого элемента. Однако наличие линии с длиной волны, характерной для последней линии какого-либо элемента, еще не означает, что линия действительно принадлежит именно этому элементу. Окончательную идентификацию проводят, проверяя последние линии всех “подозреваемых” элементов.

Спектральным анализом качественно можно определить более элементов. Предел обнаружения методами качественного спектрального анализа колеблется для разных элементов в очень широких пределах: от 10-2 (Hg, Os, U и др.) до 10-5 % (Na, B, Bi и др.).

Количественный анализ. Попытки использовать зависимость интенсивности спектральных линий от концентрации элемента в пробе для количественного определения долгое время оставались безуспешными.

Даже в начале XX в. возможности количественного спектрального анализа оценивались очень невысоко. Одной из основных причин неудач была недостаточная стабильность условий возбуждения.

В практике количественного спектрального анализа обычно используют интенсивность не отдельной линии, а отношение интенсивностей двух спектральных линий, принадлежащих разным элементам. Таким образом, в качестве свойства, связанного с концентрацией элемента, используется отношение интенсивности линии определяемого элемента к интенсивности линии другого элемента в этом же спектре. Такая методика позволяет снизить требования к постоянству условий возбуждения и регистрации спектров.

Линию определяемого элемента обычно называют аналитической линией и ее интенсивность обозначают Ia. Вторую линию, обычно называемую линией сравнения, выбирают так, чтобы отношение интенсивностей зависело только от концентрации определяемого элемента, но не от условий возбуждения и регистрации спектра. Интенсивность линии сравнения обозначают Iс. Существенно также, чтобы интенсивности выбранных линий не слишком резко отличались между собой. Обычно выбирают линии, отношение интенсивностей которых не превышает 10, т.е. находится в пределах 0,1Ia / Ic 10, так как в противном случае точность определений уменьшается. Иногда в анализируемую пробу специально вводят так называемый внутренний стандарт, т.е. элемент, линию которого используют в качестве линии сравнения. При анализе проб, содержащих большое количество какого-то элемента, в качестве линии сравнения обычно выбирают линию этого элемента.

(пламенная эмиссионная спектроскопия) Появление специализированных пламенных эмиссионных спектрометров привело в какой-то степени к обособлению метода фотометрии пламени и приданию ему известной самостоятельности, хотя, конечно, фотометрия пламени осталась одним из методов эмиссионного спектрального анализа.

Как и любой другой прибор эмиссионной спектроскопии, фотометр для фотометрии пламени имеет источник возбуждения (пламенная горелка), диспергирующий элемент (обычно светофильтр) и приемник света – обычно фотоэлемент. В спектрофотометрах для пламени вместо светофильтров применяют призмы и дифракционные решетки. Анализируемый раствор в пламя горелки вводится в виде аэрозоля. При этом растворитель испаряется, а соли металлов диссоциируют на атомы, которые при определенной температуре возбуждаются. Возбужденные атомы, переходя в нормальное состояние, излучают свет характерной частоты, который выделяется с помощью светофильтров, и его интенсивность измеряется фотоэлементом.

Количественные определения проводят методом градуировочного графика или методом добавок. Методы фотометрии пламени характеризуются низким пределом обнаружения (до 0,001 мкг/мл для щелочных металлов и 0,1 мкг для других) при погрешности 1-3 %. Этим методом могут быть определены Li, Na, K, Rb, Cs, Sr, Ba, Ca, In, Ag и другие элементы. Одним из достоинств метода фотометрии пламени является также высокая производительность.

Спектры, получаемые в пламени, более просты, чем дуговые или искровые, так как температура пламени ниже, чем в электрических источниках возбуждения. Это облегчает анализ, но вместе с этим сужает возможности метода в отношении числа определяемых элементов.

Работа 1: Определение щелочных и щелочноземельных металлов методом пламенной фотометрии Описание пламенного фотометра (рис. 2.2.) Рис. 2.2. Принципиальная схема пламенного фотометра:

1 - пламя, 2 – светофильтр, 3 –диафрагма, 4 – фотоэлемент, 5 – гальванометр, 6 - смеситель, 7 – распылительная камера, 8 – распылитель, 9 - стаканчик с исследуемым веществом, Воздух при давлении 0,8 атм поступает в распылитель (8), который засасывает раствор из стаканчика (9) и распыляет его в камере (7).

Крупные капельки раствора, осевшие на стенках, стекают через водяной затвор (10) в сосуд. Водяной затвор необходим для того, чтобы предотвратить утечку воздуха и газа через распылительную камеру.

Воздух, обогащенный мелкими капельками раствора-аэрозоля, содержащего анализируемое вещество, попадает в смеситель 6 и смешивается с потоком газа. Из смесителя смесь газа, воздуха и исследуемого вещества подается в пламя (1), факел которого расположен перед светофильтром (2). Светофильтр пропускает на фотоэлемент только лучи, расположенные в узком участке спектра, в котором находится характерная для данного элемента частота излучения и соответствующая ей спектральная линия. Диафрагмой (3) в случае необходимости можно ограничить интенсивность светового потока и подобрать, таким образом, необходимую чувствительность прибора. Световой поток падает на фотоэлемент (4), а ток фотоэлемента отклоняет стрелку гальванометра (5).

Чем больше вещества внесено в пламя, тем интенсивнее спектр испускания, тем больше отклонение стрелки гальванометра.

Прибор имеет три фотометрических головки с фотоэлементами и светофильтрами, приспособленными для определения K+, Na+, Ca2+. Одновременное присутствие всех трех или других посторонних ионов не мешает определению каждого, так как характеристические линиии K+, Na+, Ca2+ достаточно удалены друг от друга (табл. 2.1.) и хорошо разделяются светофильтрами.

Определяе- Максимум светопропуска- Тип фотоэлемента Методика определения одного из трех ионов состоит в следующем.

Готовят серию растворов (4 - 6) с известным содержанием каждого из анализируемых ионов. Затем включают соответствующую фотометрическую головку и снимают показания гальванометра для всех концентраций приготовленных растворов, содержащих данный ион. Полученные величины наносят на график – калибровочную кривую и определяют по ней содержание иона в смеси.

После этого анализируют другие ионы смеси, переключая соответствующим образом фотометрические головки. При снятии показаний давление воздуха в системе, расход газа и режим работы распылителя должны оставаться неизменными, поскольку, как показано выше, интенсивность испускаемого света зависит как от концентрации анализируемого вещества в пламени, так и от температуры пламени. В свою очередь эти величины зависят от подачи газа и воздуха в прибор.

Выполнение работы Готовят серии из 4 - 6 стандартных растворов для каждого иона.

Исходные растворы с содержанием C(KCl) = 0,013 моль/л; C(NaCl) = 0,022 моль/л; C(CaCl2) = 0,125 моль/л отбирают в необходимых количествах из бюретки в мерные колбочки на 50 мл и доводят до метки дистиллированной водой, после чего тщательно перемешивают.

Расчет концентрации производится по формуле:

где Ск, Сб – концентрация в колбе и бюретке соответственно;

Vб - объем вещества, отобранного их бюретки; Vк – объем колбы (50 мл).

После приготовления этих растворов берут колбочку с анализируемой (неизвестной концентрации) жидкостью на 50 мл, раствор в которой разбавляют водой, доводя до метки.

Пропуская через прибор дистиллированную воду, устанавливают по воде стрелку гальванометра на нуль, пользуясь ручкой установки нуля.

Берут стандартный раствор с наибольшей концентрацией, наливают его в стаканчик и определяют отклонение гальванометра. Затем повторяют опыты для других растворов того же иона и анализируемой смеси.

После каждого определения прибор промывают дистиллированной водой до тех пор, пока стрелка гальванометра не вернется на нуль. Результаты заносят в таблицу, строят калибровочную кривую для определения концентрации анализируемого иона в смеси.

Если в задании указана смесь трех ионов, строят три калибровочные кривые и по ним определяют содержание всех трех ионов.

1. Каковы физические основы эмиссионной спектроскопии?

2. На чем основан качественный спектральный анализ?

3. От чего зависит интенсивность спектральных линий?

4. Дать общую характеристику метода фотометрии пламени. Какие основные приемы работы используются в методе фотометрии пламени?

Какие достоинства и недостатки имеет этот метод?

5. Принципиальная схема пламенного фотометра.

1. Васильев В.П. Аналитическая химия: В 2-х ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989.

С. 9-49.

2. Практикум по физико-химическим методам анализа / Под. ред.

О.М. Петрухина. М.: Химия, 1987. С. 12-87.

3. Крешков А.П. Основы аналитической химии: В 3-х ч. Ч. 3. Физикохимические (инструментальные) методы анализа. М.: Химия, 1970. С. 224ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Электрохимические методы анализа основаны на использовании электрохимических процессов, происходящих в электролитической ячейке (гальваническом элементе, цепи). Электролитическая ячейка представляет собой электрохимическую систему, состоящую из электродов и электролитов, контактирующих между собой. На границе радела фаз может происходить электродная реакция между компонентами этих фаз, в результате которой электрический заряд переходит из одной фазы в другую, и на межфазной границе устанавливается потенциал. В состав электролитической ячейки входят два или три электрода, один из которых - индикаторный или рабочий, второй - электрод сравнения и третий - вспомогательный. Электрод, действующий как датчик, реагируя на фактор возбуждения и на состав раствора (не оказывая влияния на состав раствора за время измерения), является индикаторным. Электрод сравнения служит для создания измерительной цепи и поддержания постоянного значения потенциала индикаторного (рабочего) электрода.

Используемый в трехэлектродной ячейке вспомогательный электрод (противоэлектрод) вместе с рабочим электродом включен в цепь, через которую проходит электрический ток. В состав электролитической ячейки могут входить два идентичных электрода, выполняющих одинаковую функцию.

Электрохимические методы анализа основаны на использовании зависимости электрических параметров от концентрации, природы и структуры вещества, участвующего в электродной (электрохимической) реакции или электрохимическом процессе переноса зарядов между электродами. Согласно рекомендациям ИЮПАК электрохимические методы анализа можно классифицировать следующим образом: 1) методы без протекания электродной реакции, в которых строение двойного электрического слоя в расчет не принимается (кондуктометрия); 2) методы, основанные на электродных реакциях в отсутствие тока (потенциометрия) или под током (вольтамперометрия, кулонометрия, электрогравиметрия).

Электрические параметры (сила тока, напряжение, сопротивление) могут служить аналитическими сигналами, если они измерены с достаточной точностью. Электрохимические методы анализа используют либо для прямых измерений, основанных на зависимости “аналитический сигнал- состав”, либо для индикации конечной точки титрования в титрометрии. Электрохимические методы анализа позволяют определять концентрацию вещества в широком интервале (1 - 10-9 моль/л) с достаточной точностью и воспроизводимостью, могут быть легко автоматизированы.

Кондуктометрия – это метод определения различных физикохимических величин, основанный на измерении электрической проводимости (электропроводности).

Электропроводностью называют способность растворов электролитов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.

Величину, обратную электрическому сопротивлению (1/R), называют электропроводностью. Единицей электропроводности является сименс (См). Таким образом, 1 См = 1 Ом-1.

Для определения электропроводности может использоваться кондуктометрическая ячейка – стеклянный сосуд без дна с двумя электродами известной площади (S), прочно укрепленными на фиксированном расстоянии друг от друга (L). Электроды выполнены из платиновой черни. Ячейку погружают в раствор электролита, как показано на рис. 3.1.

Сопротивление кондуктометрической ячейки измеряют при помощи специального устройства – мостика Уитстона (рис. 3.2). Скользящий контакт перемещается по проволочному сопротивлению до тех пор, пока осциллограф не зарегистрирует минимальный сигнал. В этом положении контакта (точка Х) сопротивление ячейки определяется соотношением:

где Rр – сопротивление реостата.

После того, как найдено сопротивление ячейки, можно вычислить электропроводность раствора. Для измерения электропроводности необходимо использовать высокочастотный источник переменного тока. Использование источника постоянного тока невозможно из-за того, что это вызовет электролиз раствора.

Отношение (L/S) представляет собой постоянную величину, характерную для данной ячейки. Она называется постоянной или константой ячейки (сосуда.). Ее можно определить, измеряя с помощью данной ячейки сопротивление какого-либо раствора с известной электролитической проводимостью.

Постоянная сосуда является очень важной характеристикой ячейки.

Она зависит от площади электродов, расстояния между ними, от формы сосуда и объема раствора, проводящего ток. Вследствие того, что в переносе электричества участвует заметно больший объем раствора, чем тот, который заключен между электродами (рис. 3.1.), уровень жидкости, которая заливается в сосуд для измерения электропроводности (измерительную ячейку), должен превышать край электродов примерно на два расстояния между электродами.

Постоянную сосуда находят экспериментально по электрической проводимости стандартных растворов с хорошо известными значениями удельной электропроводности (“”) в широкой области температур и концентраций. Обычно в качестве стандартных используют водные растворы хлорида калия. Для определения константы сосуда измеряют сопротивление раствора хлорида калия. Удельная электропроводность хлорида калия приведена в таблице.

Удельная электропроводность раствора хлорида калия [C(KCl) = 0,02 моль/л] при различных температурах Различают удельную и эквивалентную электропроводности.

3.1.1. Удельная электропроводность Удельная электропроводность является величиной, обратной удельному сопротивлению, и обозначается символом (каппа). Таким образом, где - удельное сопротивление (измеряется в единицах Омм).

где R – сопротивление проводника (Ом); L – длина проводника (м); S – площадь поперечного сечения (м2), то Удельная электропроводность измеряется в единицах Ом-1м-1 либо Ом-1см-1. Вместо этого для нее могут использоваться См м-1 либо Смсм-1. Нетрудно видеть, что Удельной электропроводностью называют электропроводность столбика раствора электролита длиной 1 см и поперечным сечением 1 см2.

где К [см-1] – постоянная (константа) сосуда, то Электропроводность растворов электролитов зависит от скорости движения ионов, концентрации ионов и температуры.

Зависимость удельной электропроводности от скорости движения ионов определяется соотношением:

где F - число Фарадея, С – концентрация раствора, - степень диссоциации, V+, V- - абсолютные скорости движения катионов и анионов.

В разбавленных растворах слабых и сильных электролитов удельная электропроводность с увеличением концентрации растет, но при некоторой достаточно высокой концентрации достигает максимума и затем падает. На рис. 3.3. приведены типичные примеры этой зависимости. Электрическая проводимость слабого электролита (CH3COOH, кривая 3) значительно ниже соответствующей величины для растворов HCl (кривая 1) или KOH (кривая 2).

Рис. 3.3. Изменение удельной электропроводности с концентрацией Возрастание электрической проводимости с ростом концентрации в растворах происходит вследствие увеличения числа ионов. Однако в концентрированных растворах возникают и другие эффекты, приводящие к уменьшению электропроводности.

В концентрированных растворах сильных электролитов (=1) возрастают силы межионного взаимодействия, вследствие чего происходит образование межионных ассоциатов или ионных пар, что приводит к снижению скорости движения ионов и, следовательно, уменьшению электрической проводимости. Для слабых электролитов в концентрированных растворах удельная электропроводность падает, т.к. уменьшается степень диссоциации (чем больше концентрация, тем ниже ).

3.1.2. Эквивалентная электропроводность Эквивалентной электропроводностью () называют электропроводность раствора, содержащего 1 моль эквивалента вещества и находящегося между двумя параллельными электродами, расстояние между которыми 1 см.

Удельная и эквивалентная электропроводность взаимосвязаны соотношением где С - молярная концентрация эквивалента, моль/л; - разведение (объем раствора в мл, содержащий 1 моль эквивалента вещества).

Ее единицей измерения является Ом-1см2 моль-экв-1.

Кроме эквивалентной электропроводности в электрохимии используется молярная электропроводность (µ), когда раствор содержит один моль растворенного вещества. Молярная электропроводность измеряется в единицах Ом-1см2моль-1 или Смсм2моль-1. Для одноодновалентных электролитов молярная электропроводность равна эквивалентной электропроводности; для электролитов типа H2SO4 и CaCl µ=2, для AlCl3 µ=3 и т.п.

Эквивалентная электропроводность как для сильных, так и для слабых электролитов возрастает с увеличением разведения, т.е. с уменьшением концентрации, и достигает некоторого предельного значения (рис. 3.4.).

Рис. 3.4. Изменение эквивалентной электропроводности Это объясняется тем, что у слабых электролитов по мере разбавления растет степень диссоциации, т.е. увеличивается число ионов; у сильных электролитов увеличивается расстояние между ионами, ослабляются силы взаимного притяжения между ними и, следовательно, увеличиваются скорости движения ионов.

Электропроводность бесконечно разбавленных растворов, для которых достигается максимальное значение эквивалентной электропроводности, называется эквивалентной электропроводностью при бесконечном разведении ( ).

Удельная и эквивалентная электропроводности растворов электролитов повышаются с увеличением температуры за счет понижения вязкости раствора и уменьшения степени гидратации ионов. В водных растворах повышение составляет 2 - 2,5% на градус. Для бесконечно разбавленных растворов эквивалентная электропроводность может быть вычислена по уравнению:

где - эмпирический коэффициент, зависящий от природы ионов и растворителя.

Кондуктометрические методы анализа применяются в промышленности для аналитического контроля концентрации солевых растворов, содержания солей в поверхностных и подземных водах, для контроля очистки и качества воды, оценки загрязненности сточных вод. Кондуктометрические методы имеют определенные преимущества перед другими методами анализа:

1) проводить определения в мутных и окрашенных растворах, а также в присутствии окислителей и восстановителей, ограничивающих применение органических индикаторов;

2) анализировать не только концентрированные растворы, но и разбавленные до 10-4 моль/л;

3) проводить исследование не только водных, но и неводных, а также смешанных водно-органических растворов;

4) широко использовать разнообразные типы реакций: нейтрализации, осаждения, комплексообразования, окисления-восстановления, присоединения, замещения, омыления и т.д., сопровождающиеся изменением электропроводности исследуемых растворов;

5) во многих случаях избегать предварительного отделения примесей, обычно мешающих определению другими методами.

В поверхностных водах, содержащих преимущественно неорганические вещества, удельная электропроводность служит приблизительным показателем суммарной их концентрации. Природные воды представляют, в основном, растворы смесей сильных электролитов. Минеральную часть воды составляют главным образом ионы Na+, K+, Ca2+, ClSO4-, HCO3-. Этими ионами обуславливается электропроводность природных вод. Присутствие других ионов, например Fe2+, Fe3+, Mn2+, Al3+, NO3-, HPO42-, H2PO4-, не сильно влияет на электропроводность, т.к. эти ионы редко встречаются в воде в значительных количествах. Растворенные газы также не оказывают заметного влияния на электропроводность воды. Известные затруднения, возникающие при оценке суммарного содержания неорганических веществ (минерализации) по величине удельной электропроводности, обусловлены рядом причин. Главные из них – неодинаковая удельная электропроводность растворов различных солей, широкие вариации химического состава поверхностных вод.

Большинство рек имеют минерализацию от нескольких десятков миллиграммов на литр до нескольких сотен. Их удельная электропроводность заключена в пределах 210-4-210-2 Смсм-1. Минерализация подземных вод и соленых озер находится в интервале от 40-50 мг/л до 650 мг/л, атмосферных осадков – колеблется от 3 до 60 мг/л. Удельная электропроводность атмосферных осадков – 10-5 Смсм-1, а вод, минерализация которых больше 1 г/л – свыше 10-2 Смсм-1. Многие производства, сельское хозяйство, предприятия питьевого водоснабжения предъявляют определенные требования к качеству воды, в частности к минерализации, т.к. вода, содержащая большое количество солей, отрицательно влияет на растительные и животные организмы, качество продукции, вызывает ускоренное образование накипи на стенках котлов, коррозию металлов, засоление почв. В силу этого величина удельной электропроводности, являющаяся приближенным показателем концентрации электролитов, главным образом неорганических, и применяется для оценки минерализации.

3.3. Кондуктометрическое титрование Электропроводность раствора может служить индикаторным свойством при проведении объемного анализа. Так, например, содержание вещества в растворе может быть определено по изменению электропроводности в процессе добавления к раствору соответствующего реагента.

Об эквивалентной точке титрования судят по изменению характера зависимости электропроводности раствора от объема добавляемого титранта. Точку эквивалентности определяют по резкому излому кривой титрования (пересечению двух прямых), отражающему изменение электропроводности исследуемого раствора по мере прибавления титранта в процессе титрования. Такой метод анализа называется кондуктометрическим титрованием. Метод особенно удобен при анализе мутных или окрашенных растворов, когда нельзя использовать обычные индикаторы.

Факторами, влияющими на электропроводность исследуемого раствора при титровании, являются изменение концентрации ионов и их подвижности.

Рассмотрим вид этих кривых применительно к кислотно-основному титрованию.

Титрование сильной кислоты сильным основанием При титровании сильной кислоты, например HCl, сильным основанием, например раствором NaOH, в растворе в любой момент находятся ионы H+, Cl-, Na+ и OH-, а электрическая проводимость будет определяться их концентрациями и подвижностями.

Изменение электропроводности до точки эквивалентности (рис. 3.5.) будет определяться действием двух взаимно противоположных тенденций: понижающей за счет уменьшения концентрации ионов водорода и возрастающей за счет увеличения концентрации ионов натрия.

Результирующая этих вкладов приводит к резкому уменьшению электропроводности до точки эквивалентности. Таким образом, падение проводимости вызывается уменьшением концентрации иона H+, имеющего при 25 0С подвижность 350 Смсм2/(моль-экв.), что намного превышает подвижность иона Na+ [50 Смсм2/(моль-экв.)]. В момент полной нейтрализации в растворе остаются только ионы Na+ и Cl-.

После точки эквивалентности начинается резкий подъем электропроводности, так как в растворе будет нарастать концентрация ионов Na+ и OH-, подвижность которых составляет 199 Смсм2/(моль-экв.). Однако возрастание будет более пологим, так как подвижность иона OHпочти в 2 раза меньше подвижности иона водорода.

Электропроводность Рис. 3.5. Кривая кондуктометрического титрования Титрование слабой кислоты сильным основанием Если кислота слабая, то электропроводность исходного раствора мала, так как ионов H+ мало. По мере добавления раствора сильного основания (рис. 3.6.) электропроводность в отличие от предыдущего случая сразу же увеличивается из-за накопления ионов соли, то есть М+ и Атак как соль диссоциирует полностью. После достижения точки эквивалентности электропроводность растет за счет увеличения концентрации ионов Na+ и ионов OH- с высокой подвижностью.

Рис. 3.6. Кривая кондуктометрического титрования Титрование смеси сильной и слабой кислоты При титровании смеси сильной и слабой кислот сильным основанием в первую очередь оттитровывается сильная кислота, так как диссоциация слабой кислоты подавлена присутствием сильной. При дальнейшем прибавлении сильного основания происходит титрование слабой кислоты. Кривая титрования (рис. 3.7) имеет два излома, соответствующие двум точкам эквивалентности: первая показывает объем щелочи, пошедшей на титрование сильной кислоты, а вторая дает общий объем щелочи, израсходованный на титрование обеих кислот.

Рис. 3.7. Кривая кондуктометрического титрования смеси сильной и Следует учитывать, что в ходе титрования исходный объем должен оставаться практически постоянным. Для получения прямых линий необходимо, чтобы объем прибавляемого титранта в эквивалентной точке не превышал 2% от объема анализируемого объема. Это достигается разбавлением исходного раствора в 15 - 20 раз либо концентрация титранта должна на порядок быть выше концентрации анализируемого раствора.

Конструкция этого прибора исключает затруднительную компенсацию, имеющую место у обычных кондуктометров мостовой схемы.

Прибор снабжен шкалой, отградуированной в обратных омах, Ом-1 (в сименсах, См). Диапазон измерений от 0,1 микросименса (мкСм) до 0,5 сименса (См). Внешний вид кондуктометра представлен на рис. 3.8.

L - индикаторная лампа, S1 - тумблер включения в сеть, P1, P2 - потенциометры, “calibration” - для калибровки шкалы, S2 - переключатедь пределов измерения, S3 - нажимная кнопка “calibration”, G - микроамперметр Порядок работы на приборе 1. Включить шнур питания в сеть.

2. Включить тумблер, прогреть прибор 5 мин.

3. Калибровка (калибровку перед началом работы следует производить лишь периодически – 1 раз в месяц).

Переключатель пределов измерения (S2) поставить в положение микросименс, затем нажать кнопку (S3). Потенциометром “calibration” (P1) стрелку прибора установить на красную метку. То же самое повторить в положение 150 микросименс переключателем измерения (S2), но при этом стрелку прибора установить на красную метку с помощью потенциометра “calibration” (P2), выведенного на заднюю панель прибора.

4. Погрузить электрод в исследуемый раствор так, чтобы все три платиновые кольца электрода полностью покрылись жидкостью.

5. Переключатель пределов измерения (S2) поставить в такое положение, при котором на шкале прибора получится хорошо отсчитываемое показание. Затем проверить калибровку прибора: нажать кнопку “calibration” (S3), стрелка прибора должна совпадать с красной меткой.

В случае отклонения коррекция производится потенциометром “calibration”. После отпускания кнопки снять показания, учитывая положение ручки пределов измерений.

Работа 1. Анализ кислот и отдельных компонентов их смеси методом кондуктометрического титрования Для выполнения работы производят кондуктометрическое титрование сильной и слабой кислоты, а также смеси сильной и слабой кислот сильным основанием.

Реактивы. 1. Раствор HCl (х.ч.), С=0,1 моль/л: измерительным цилиндром отмеривают 8,2 мл HCl, доводят до 1 л дистиллированной водой в мерной колбе.

2. Раствор CH3COOH (х.ч.), С=0,1 моль/л: 5,6 мл ледяной уксусной кислоты разбавляют до 1 л дистиллированной водой в мерной колбе.

3. Раствор NaOH (х.ч.), С=0,1 моль/л: 4,0 г NaOH растворяют в 1 л дистиллированной воды в мерной колбе.

Выполнение работы В измерительную ячейку заливают 5 мл исследуемой кислоты или смеси кислот. Кислоты разбавляют дистиллированной водой так, чтобы уровень жидкости над электродами был не менее 10 мм. Титрант приливают в процессе работы из бюретки порциями по 0,2 мл. При добавлении каждой порции титранта содержимое хорошо перемешивают и измеряют его электропроводность. Строят график 1/R от объема титранта.

Абсцисса пересечения прямых соответствует объему титранта в эквивалентной точке. Определив эквивалентную точку, рассчитывают концентрацию исследуемого раствора по формуле: