Оптические методы анализа. Общий принцип метода. Классификация оптических методов анализа /по изучаемым объектам, по характеру взаимодейс

МИНОБРНАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

Реферат

по аналитической химии на тему:

 «Оптические методы анализа. Общий принцип метода. Классификация оптических методов анализа /по изучаемым объектам, по характеру взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, по используемой области электромагнитного спектра, по природе энергетических переходов. Анализ олова. »

 

 

 

Выполнила: студентка гр.12Тзв

Исляева Инга

Проверил преподаватель: Борисков Д.Е

 

 

 

2013г. Пенза

 

Содержание:

1.Оптические методы анализа..……………………………………………3

2. Классификация оптических методов анализа....…………………….....4

3. Спектры атомов…………………..………………………………………7

4. Методы атомно-эмиссионного спектрального анализа………………11

5. Закон Бугера-Ламберта-Бера……….….……………………………….14

6. Люминесцентный анализ…….…………………………………………18

7. Анализ олова…………………………………………………………….19

Список использованной литературы:…………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптические методы анализа

Оптические методы анализа основаны на использовании различных явлений

и эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и

электромагнитного излучения.

Свет имеет двойственную природу – волновую и корпускулярную, поэтому

для его описания используют два вида характеристик – волновые и

квантовые. К волновым относятся: длина волны, частота колебаний,

волновое число; к квантовым – энергия квантов, интенсивность излучения.

Частота колебаний – ν это количество колебаний в единицу времени (в 1

сек), измеряется в герцах (Гц) (Частота красного цвета = 4·1014 Гц, зеленого =

6·1014 Гц). Зная частоту  колебаний, по уравнению Планка  можно определить 

энергию волны:

ΔЕ=hν, 

Где h – постоянная Планка, равная 6,62·10−34 Дж · с-1, ν – частота колебаний.

Длина волны λ показывает наименьшее расстояние между точками,

колеблющимися в одинаковых фазах. Длина волны измеряется в нм: 1 нм =

10-9 м. В зависимости от  длины волны в электромагнитном  спектре выделяют 

следующие участки:

 

 

 

 

Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением:

 

где с – скорость света в вакууме, с=3·108 м/с.

Величина, обратная длине волны, называется волновым числом ν = 1/λ.

Интенсивностью излучения называется число фотонов, проходящее через

единицу поверхности вещества (I)

 

Классификация оптических методов анализа

К оптическим методам относятся рефрактометрия, поляриметрия, абсорбционные оптические методы.

Рефрактометрический анализ широко применяют при исследовании таких пищевых продуктов, как жиры, томатные продукты, варенье, джем, соки и др.

Рефрактометрический анализ основан на измерении показателя преломления (рефракции) веществ, по которому следует судить о природе вещества, чистоте и содержании в растворах.

Преломление луча света возникает на границе двух сред, если среды имеют различную плотность.

Отношение синуса угла падения (а) к синусу угла преломления (В) называют относительным показателем преломления (п) второго вещества по отношению к первому и является величиной постоянной:

Показатель преломления вещества зависит от его природы, а также от длины волны света и от температуры.

При падении угла света под углом 90° угол преломления называется предельным углом преломления, а его величина зависит только от показателей преломления этих сред, через которые проходит свет. Поэтому, если известен показатель преломления одной среды, то, измерив предельный угол преломления, можно определить показатель преломления исследуемой среды.

Поляриметрический метод основан на свойстве некоторых веществ изменять направление световых колебаний.

Вещества, обладающие свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически активными. Особенности строения молекул сахаров обусловливают проявление оптической активности в растворах.

У поляризованного луча, пропущенного через слой раствора оптически активного вещества, меняется направление колебаний, а плоскость поляризации оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации, который зависит от поворота плоскости поляризации, концентрации и толщины слоя раствора, длины волны поляризованного луча и температуры.

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением (s), под которым понимают угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении поляризованного луча через раствор, в 1 мл которого содержится 1 г растворенного вещества при толщине слоя раствора (длине поляризационной трубки), равной 1 дм.

Угол вращения плоскости поляризации а определяют по формуле

где l -длина трубки, дм;

С —концентрация вещества, г/100 мл.

Из этой формулы легко вычислить концентрацию С, если известен угол вращения:

Оптические абсорбционные методы — это методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами. Именно оптические абсорбционные методы получили широкое распространение в научно-исследовательских и сертификационных лабораториях. При поглощении света атомы и молекулы поглощающих веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих веществ и способа трансформирования поглощенной энергии различают атомно-абсорбционный, молекулярно-абсорбционный анализ, нефелометрию и люминесцентный анализ.

Атомно-абсорбционный анализ основан на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.

Молекулярный абсорбционный анализ основан на поглощении света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).

Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

Нефелометрия основана на поглощении и рассеянии световой энергии взвешенными частицами анализируемого ве-щества.

Люминесцентный (флуорометрический) анализ основан на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.

Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц вещества, которое возникает в результате перехода в них электронов при возвращении из возбужденного в нормальное состояния.

Чтобы вещество стало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Частицы вещества поглощают энергию, переходят в возбужденное состояние, пребывая в нем некоторое время. Затем они возвращаются в состояние покоя, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

В зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем различают флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция — это вид собственного свечения вещества, которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или спустя не более 0,001 с.

Фосфоресценция — это вид собственного свечения вещества, которое продолжается после отключения возбуждающего света.

Для исследования продтоваров используют явление флуоресценции.

С помощью люминесцентного анализа можно обнаружить в исследуемом образце присутствие вещества в концентрации 10-11 г/г. Этот метод используется для определения некоторых витаминов, содержания белков и жиров в молоке, исследования свежести мяса и рыбы, диагностики порчи овощей, плодов и обнаружения в продуктах консервантов, лекарственных препаратов, канцерогенных веществ, пестицидов.

Все оптические абсорбционные методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они имеют существенные различия по аппаратному оформлению, по виду поглощающих частиц и другим признакам. Методы разные, но в их основе лежат одинаковые законы светопоглащения. 

Спектры атомов

Атомы разных элементов могут поглощать (абсорбция) или излучать

(эмиссия) энергию. При поглощении энергии  электроны атома переходят на 

более высокий энергетический уровень – возбуждаются, а при излучении

возвращаются в нормальное состояние. Строение атомов каждого элемента

уникально, поэтому каждый элемент характеризуется уникальным набором

электронных переходов при поглощении или испускании энергии.

Совокупность электронных переходов при излучении атомом энергии

характеризуется атомным спектром. Каждому электронному переходу

соответствует отдельная линия спектра.

Спектр (лат.) – набор простых колебаний, расположенных в определенном

порядке. Спектры бывают непрерывные, линейчатые и полосчатые. Все эти

спектры встречаются у нагретых тел и называются эмиссионными спектрами

испускания. По спектрам поглощения и испускания можно определить

природу вещества (качественный анализ), а по интенсивности спектральных

линий – количество вещества (количественный анализ). Система, которой

извне сообщено некоторое количество энергии, называется возбужденной.

Такая система неустойчива и стремится быстро вернуться в исходное

состояние с меньшей энергией. При этом система теряет квант (hν) энергии.

Этот процесс сопровождается выделением тепла, излучением определенной

частоты, либо тем и другим одновременно. Наиболее часто наблюдается

линия испускания, соответствующая переходу из первого возбужденного

состояния в основное, т.е. в состояние с наименьшей энергией. Спектр

поглощения вещества в видимой области ( λ = 400-760 нм ) и его цвет,

воспринимаемый человеческим глазом, взаимосвязаны между собой. Цвет –

свойство света вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии

со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения.

 

Отдельные узкие участки спектра видимого излучения дают цветовое

ощущение семи основных цветов и множества различных оттенков между ними (табл.)

 

 

Устройство спектральных приборов

Прибор для проведения спектрального анализа имеет следующие основные

узлы: источник возбуждения, диспергирующий элемент, приемник света. В

источнике возбуждения вещество атомизируется и возбужденные частицы

испускают свет, который диспергирующим элементом разделяется в

пространстве на отдельные составляющие, а приемник света их фиксирует.

Кроме этого в приборе имеется оптическая система, предназначенная для

получения параллельного пучка света, его фокусировки и т.д.

1. Источники возбуждения – переводят  вещество из конденсированной 

фазы в парообразную и возбуждают вещество в этой фазе, путем сообщения

ему энергии.

а) пламя – 900-3000оС. Возбуждение термического характера.

Определяет около 40 элементов.

б) дуга – до 7000оС. Возбуждение за счет электрического разряда

большой силы тока и небольшого напряжения. Дает спектры всех

элементов. Их недостаток – чрезмерная яркость. Используется в

качественном и полуколичественном анализе.

в) искра – от 7000 до 12000оС. Возбуждение создается специальными

искровыми генераторами. Дает четкие спектры всех элементов. Они

неяркие, но стабильные. Используется в количественном анализе.

2. Диспергирующий элемент –  разлагает излучение в спектр. Преобразует 

излучение в монохроматическое, т.е. разделяет на пучки с одинаковой

длиной волны и фазой колебания. Это главная часть прибора, определяющая

его аналитические возможности и основные характеристики: линейную

дисперсию (отношение расстояния между спектральными линиями к разнице

между длинами их волн) и разрешающую способность (способность давать

раздельное изображение двух спектральных линий с близкими длинами

волн). Обычно это призмы, дифракционные решетки, интерференционные

устройства.

3. Приемники света – позволяют  зафиксировать и визуализировать  спектр.

Это глаз наблюдателя, фотопластинка и фотоэлемент.

а) Фотопластинка имеет светочувствительный слой – кристаллы

бромида серебра. При попадании на пластинку света происходит

  фотолиз соли с образованием  серебра. AgBr + hν → Ag + Br. Затем фотопластинку  обрабатывают специальными веществами. В результате 

на пластинке проявляется изображение спектра. 

б) Фотоэлемент – это устройство, преобразующее световую энергию в

электрическую. Действие фотоэлемента основано на использовании

фотоэффекта. При внешнем фотоэффекте поглощение света приводит к

отрыву электрона с облучаемой поверхности. Внутренний фотоэффект

характеризуется увеличением электрической проводимости под

действием света. Важным свойством приемников света является их

чувствительность – величина, обратная количеству освещения,

необходимого для получения почернения, на 0.2 превышающего