Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

будут в и д н ы п о л о с ы п о г л о щ е н и я . Э та к р и в а я и н а з ы в а е т с я и н ф р а к р а с н ы м с п е к т -

Р° М Инфракрасные спектры могут дать весьма богатую информацию, поскольку

каждая молекула имеет только ей присущий набор колебаний, К°3 ° Р “ ■ ® “ С11Г от массы и взаимного расположения атомов в данной молекуле, межатомных рас­ стояний, типов меж- и внутримолекулярных взаимодействий. Д аж е самые незначительные изменения в структуре молекул отражаются на инфракрасных спект­ рах поглощения, поэтому инфракрасный спектр поглощения может являться од­ нозначной характеристикой вещества, образно говоря его «паспортом».

Метод инфракрасной спектроскопии может применяться для идентификации различных химических соединений. Поскольку полосы поглощения непосредст­ венно отражают состояние связей и наличие в молекуле различных атомных труппироврк, можно получать весьма ценную информацию о структуре данного ве­ щества. Интенсивность полосы поглощения в ИК-спектре любого химического соединения пропорциональна количеству исследуемого вещества, и это обстоя­ тельство лежит в основе еще одного важного направления применения инфра­ красной спектроскопии — количественного анализа.

Прибор, в котором получают запись инфракрасного спектра поглощения, норит название инфракрасного спектрофотометра (или спектрометра). Принцип действия инфракрасных спектрометров в общем довольно прост, сложны лишь их механические и электрические устройства, необходимые для воспроизведения мддейших изменений поглощаемой энергии в виде точно зарегистрированного спектра. Поскольку обычное стекло не прозрачно для инфракрасных лучей, в ин­ фракрасных спектрометрах оптика изготовляется из кристаллов галидов (NaCl, K Br, L iF), которые не поглощают инфракрасные излучения.

Принцип работы инфракрасного спектрометра заключается в следующем. Инфракрасное излучение, получаемое от специального источника, проходит

-334 —

через исследуемое вещество и далее разлагается в спектр с помощью моно­ хроматора. Отдельные лучи этого спектра последовательно направляются на приемник излучения и затем, после усиления, фиксируются соответст­ вующим записывающим устройством. Принципиальная схема однолучевого прибора представлена на рис. 124. Имеются более сложные двухлучевые инфра­ красные спектрометры, в которых световое излучение от источника разделяется

335

в коротковолновой области спектра. Так, галлуазит характеризуется лишь дву­ мя узкими полосами поглощения при v = 3640 и 3700сж-1, причем полоса 3640 с.н-1 значительно интенсивнее аналогичной полосы поглощения при v = =3630 см~1 каолинита. Для галлуазита характерно обратное (чем у каолинита) соотношение интенсивностей этих полос.

Из этого примера явствует: даже близкие по структуре глинистые минералы можно сравнительно легко идентифицировать по их инфракрасным спектрам поглощения. Напомним, что идентификация этих минералов с помощью других физико-химических методов (термический анализ, рентгенография) очень затруд­

нена.

Метод инфракрасной спектроскопии широко применяется во многих облас­ тях сельского хозяйства. В частности, с его помощью изучают гуминовые соеди­ нения почвы, а также проводят анализ растений на содержание различных органических соединений (аминокислотный состав, сахара, кислоты жирного ряда и целый ряд других жизненно важных веществ).

§ 100. Фотометрический анализ

Фотометрический метод количественного анализа основан на измерении светопоглощения растворами окрашенных соединений. Через слой окрашенного ве­ щества свет частично проходит, частично отражается, частично поглощается

(рис. 126).

Интенсивность* падающего светового потока при прохождении через погло­ щающий раствор разлагается на составляющие:

1ъ = 1 + / п + ^ о т .

где / — интенсивность светового потока, прошедшего через слой вещества, /от — интенсивность отраженного светового потока, /п — интенсивность светового потока, поглощенного окрашенным веществом.

Интенсивность падающего светового потока /0 и прошедшего через раствор / можно определять экспериментально. Эти две величины связаны между собой

I — толщина поглощающего слоя. Для различных фотометрических исследо­ ваний наиболее удобно выражать интенсивность светопоглощения уравнением:

поглощающего раствора и его оптической плотностью выражается законом Бера:

Зависимость интенсивности прошедшего через раствор монохроматического светового потока от интенсивности падающего потока света, концентрации окра­

Под интенсивностью света понимают энергию светового потока, испускае­ мого источником света в 1 сек внутри телесного угла, равного единице. Единица

световой энергии (люмен-секунда) — это энергия светового потока в 1 лм, кото­ рая расходуется в течение 1 сек.

— 336 —

где k — коэффициент погашения, который зависит от природы растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны падающего светового пото­ ка. Это соотношение носит название основного закона светопоглощения или объединенного закона Бугера—Ламберта—Вера. Оно лежит в основе большинст­ ва фотометрических методов анализа.

Рис. 126. Прохождение светового потока через окрашенный раствор

Если концентрация С выражена в моль/л, а толщина слоя I в см, то k стано­ вится молярным коэффициентом погашения и обозначается е^. Уравнение (VIII,9)

в этом случае будет иметь вид:

Если раствор подчиняется закону Бугера—Ламберта—Бера, то оптическая плот­ ность раствора прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества, толщине слоя раствора и молярному коэффициенту погашения:

Различают в основном три группы способов измерений концентрации окра­ шенного соединения в растворе: визуальное сравнение, фотоколориметрирование и спектрофотометрирование. Остановимся на краткой их характеристике.

Визуальный метод сравнения. Как известно, визуально можно довольно точ­ но устанавливать равенство интенсивности окрасок двух растворов. Визуальный колориметрический метод отличается быстротой и простотой. В силу этого он получил довольно широкое распространение в количественном агрохимическом анализе. Он принципиально основан на том, что согласно закону Бугера— Ламберта—Бера при определенных условиях существует прямая пропорциональ­ ная зависимость между интенсивностью окраски раствора и концентрацией окрашенного соединения. Окраски стандартного и испытуемого растворов сравнивают в приборе, который носит название колориметра. Уравнивания окрасок обоих растворов добиваются изменением толщины слоев окрашенных растворов, что осуществляется при помощи погружателей, которые представляют собой призмы, связанные с отсчетной шкалой и изготовленные из оптического стекла.

Наиболее распространенным прибором является колориметр марки КОЛ-1М, общий вид которого показан на рис. 127.

В момент равенства окрасок стандартного и испытуемого растворов^ опти­ ческие плотности их одинаковы. Таким образом, отношение концентраций раст­ воров обратно пропорционально толщине их поглощающих слоев:

С-у 1ст Сет

откуда

- 337 —