План: I. Введение II. Основная часть

.3 Некоторые элементы теории поглощения света

Применение оптических методов основано на свойстве веществ поглощать световую энергию. При этом используются следующие характеристики свойств света: длина волны (или частота) и интенсивность света.

Длина волны определяет тот предел, до которого луч света способен взаимодействовать с любым веществом, а путем измерения интенсивности света можно количественно определять взаимодействие между веществом и энергией луча света.
При рассмотрении способа взаимодействия вещества и света энергию света представляют разделенной на отдельные единицы, носящие название фотонов, или квантов. Энергия фотона зависит от частоты излучения и определяется уравнением:

Е = ν * h,

где Е - энергия фотона в эргах;

ν - частота колебания волны в циклах в секунду; - постоянная Планка, равная 6,624*10^-27 эргов в секунду.
Следовательно, излучение при определенной длине волны состоит из фотонов, имеющих абсолютно равное количество энергии. Интенсивность, или световая энергия, пропорциональна числу фотонов, которые в единицу времени проходят через единицу площади, перпендикулярной к направлению луча света.
Общая энергия молекулы для любого ее состояния может быть выражена следующим уравнением:

Е_общ = Е_электр + Е_колеб + Е_вращ

Каждый из компонентов общей энергии может иметь только определенную величину, называемую энергетическим уровнем. Молекула, у которой электронная, колебательная и вращательная энергии имеют их наименьшее значение, находится в так называемом основном состоянии. В этом состоянии молекула может поглощать энергию, однако лишь в определенных количествах. Если молекула подверглась воздействию фотонов, чья энергия соответствует разности энергии между основным и возбужденным состояниями молекулы, то происходит поглощение молекулой энергии и вследствие этого молекула переходит на более высокий энергетический уровень.

Более высокие уровни называют первым, вторым и т. д. возбужденными состояниями. Каждому электронному уровню соответствует одно основное и несколько возбужденных колебательных состояний, аналогично каждому колебательному уровню соответствует один основной и несколько возбужденных вращательных уровней.
С другой стороны, если существует значительная разница в энергии фотонов и разности энергий двух состояний, может не быть никакого поглощения.
Таким образом, электронные, колебательные и вращательные энергии молекулы могут иметь только определенные, дискретные значения, иначе говоря, энергии в молекуле квантизированы.
Поглощение молекулой излучения может привести в зависимости от энергии фотона к следующим изменениям:
1. увеличению электронной энергии вследствие перераспределения электронов и перехода их на более высокий уровень;
2. увеличению колебательной энергии (распределение энергии между двумя ядрами);
3. увеличению вращательной энергии (ускорение вращения диполя).
Если молекула поглощает (небольшое количество энергии, излучаемой источником в далекой инфракрасной или микроволновой области, то изменяется только ее вращательная энергия, а электронная и колебательная энергия остаются прежними. Бели же источник излучения характеризуется более высокой энергией, соответствующей близкой инфракрасной области, то возрастает как вращательная, так и колебательная энергия молекулы. Излучение более высокой энергии, соответствующей ультрафиолетовой и видимой областям, приводит к изменениям всех трех видов энергии - вращательной, колебательной и электронной.
Молекулы вещества очень недолго находятся в возбужденном состоянии, продолжительность их существования порядка 10^-8 сек. Следовательно, энергия не аккумулируется в системе, а вещество немедленно растрачивает избыточную энергию несколькими путями, которые могут быть физическими или химическим.
Энергия может выделиться в виде тепла или флюоресцентного излучения.
Повторное излучение энергии в виде флюоресценции происходит; в молекулах, у которых процессы деактивации протекают несколько иначе и полная деактивация путем столкновения или химической реакции затруднена. Такие молекулы могут иметь более высокую колебательную энергию в возбужденном состоянии, чем в основном состоянии. Эта колебательная энергия теряется путем столкновения на высшем электронном уровне, после чего молекула флюоресцирует, т. е. возвращается в основное состояние с выделением энергии в виде излучения. Флюоресцентная энергия меньше по величине, чем энергия падающего света, т. е. имеет большую длину волны. Флюоресценция немедленно прекращается при устранении источника радиации, что и отличает это свойство от фосфоресценции, которая продолжается некоторое время после устранения источника излучения.
Вещество может подвергнуться гомолитической диссоциации или ионизации. Выше уже отмечалось, что излучения разнятся по содержанию энергии в зависимости от длин волн. Для разрыва межатомной связи в молекуле требуется энергия порядка 50-100 ккал/моль; следовательно, для разрыва связи необходимо поглощение квантов видимого света (от 55 до 70 ккал/моль) или ультрафиолетового (около 140 ккал/моль).
Изучением химических реакций, возникающих при воздействии электромагнитного излучения, занимается фотохимия.
Определения, связанные с измерением поглощения света, основаны на двух физических законах.
Когда свет проходит через вещество, интенсивность излучения уменьшается по сравнению с интенсивностью излучения, падающего на вещество (рис. 1).

Закон Бугера-Ламберта связывает поглощение с толщиной слоя поглощающего вещества и выражается соотношением:

lg (I₀ / I) = k₁ * b,

где I₀ - интенсивность излучения, падающего на вещество; - интенсивность излучения, прошедшего через вещество;

b - толщина слоя вещества в сантиметрах;
k₁ - показатель поглощения - величина, обратная той толщине слоя, проходя через который поток излучения ослабляется в 10 раз.
Второй закон поглощения Бера связывает интенсивность падающего света и света, прошедшего через раствор определенной толщины, с концентрацией раствора. При этом предполагается, что растворитель не поглощает в данной области спектра:

lg (I₀ / I) = k₂ * С,

где k₂ - константа, зависящая от способа выражения концентрации раствора;

С - концентрация раствора.
Оба закона могут быть сведены в одно уравнение, которое известно под названием закона Бугера - Ламберта - Бера, закона Ламберта - Бера или просто закона Бера:

lg (I₀ / I) = k * b * С,

Раздел терминологии, относящейся к оптическим методам анализа, остается унифицированным, описывается согласно Государственной фармакопеи X издания с некоторыми изменениями согласно Второму изданию Международной фармакопеи.

Соотношение lg (I₀ / I) известно как поглощение (А), оптическая плотность (D), или как экстинкция (Е).
Значение k зависит от единиц, в которых выражают концентрацию вещества и толщину слоя. Если выразить С в грамм-молях на 1 л раствора, а b в сантиметрах, то коэффициент поглощения будет равен молярному коэффициенту поглощения. Последний изображается греческой буквой эпсилон - ε.
Если концентрация выражается в граммах вещества на 100 мл раствора, то эта величина называется удельным показателем поглощения и обозначается символом или Е (1 %, 1 см).
Известно также выражение поглощения при концентрации в граммах вещества на 1 л раствора - поглощаемость - а. Эта величина в 10 раз меньше, чем удельный показатель поглощения.
Приведенные ниже формулы определяют зависимость между величиной поглощения, Е (1 %, 1см), и молярным коэффициентом поглощения.

где М - молекулярный вес и соответственно

1.4 Фотоколориметрия

Фотоколориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами. Отличается от колориметрии тем, что интенсивность поглощения света оценивается не глазом исследователя, а специальными приборами - фотоэлектроколориметрами.

Принцип измерения поглощения света окрашенными растворами заключается в том, что поток световой энергии, прошедший через кювету с раствором или растворителем, попадает на фотоэлемент, превращающий световую энергию в электрическую, которая измеряется гальванометром. При длительном непрерывном освещении фотоэлементов сила фототока ослабевает, электрический эффект становится непропорциональным интенсивности падающего света. Это явление называется утомляемостью фотоэлемента. Поэтому при фотоколориметрических исследованиях необходимо делать перерывы.
В фотоколориметрии применяется световой поток, прошедший через светофильтр. Каждый светофильтр, как и каждый окрашенный раствор, имеет спектральную характеристику. Наиболее подходящим будет тот светофильтр, максимум пропускания которого совпадает с максимумом поглощения света окрашенным раствором.
Светофильтры можно выбирать по окраске анализируемого раствора. Часть потока белого света поглощается раствором, а часть проходит через него и обусловливает воспринимаемую глазом окраску. В связи с этим кажущийся цвет раствора считают дополнительным к цвету поглощенного излучения:

Таблица 1

Цвет раствора	Область макс. светопоглощения (нм)	Цвет светофильтра
Желто-зеленый	400 - 450	Фиолетовый
Желтый	450 - 480	Синий
Оранжевый	480 - 490	Зелено-синий
Красный	490 - 500	Сине-зеленый
Пурпурный	500 - 560	Зеленый
Синий	575 - 590	Желтый
Зелено-синий	590 - 625	Оранжевый

Фотоколориметрический метод достаточно точен, погрешность составляет 3-5 %. Наименьшая ошибка достигается при величине оптической плотности 0,434. В интервале значении величин оптической плотности от 0,30 до 0,70 ошибка составляет ±3 %. Необходимую величину оптической плотности достигают подбором кюветы и концентрации анализируемого раствора.

Кюветы представляют собой стеклянные сосуды, в которые наливают окрашенные растворы для измерения их оптической плотности с помощью фотоэлектро-колориметров. К фотоколориметрам прилагается набор кювет, которые после наполнения их окрашенными растворами имеют толщину слоя от 1 до 50 мм.
При наполнении кювет анализируемым раствором или раствором сравнения, а также при установке в кюветодержатели фотоэлектроколориметров не следует брать кюветы руками за те стенки, через которые будет проходить световой поток. При работе с легко летучими жидкостями кюветы нужно закрывать крышкой. Выбор кювет зависит от интенсивности окраски раствора. Для интенсивно окрашенных растворов применяют кюветы с меньшей толщиной слоя, для слабо окрашенных растворов выбирают кюветы с большей толщиной поглощающего слоя.
Концентрацию анализируемых веществ с помощью фотоэлектроколориметров определяют несколькими способами, которые описаны далее. В любом из методов для определения концентрации измеряется оптическая плотность стандартного, нулевого (раствор без определяемого вещества) и анализируемого растворов.