Физико-химические методы
анализа и экспертизы
товаров народного
потребления
К.т.н. Гончаров Алексей Иванович
8-903-737-0-738
mironos2006@rambler.ru
маятник
Наш
основной
учебник
ЛЕКЦИЯ 1
Актуальность проблемы. Последствия пренебрежения анализом.
Строение вещества и физико-химические характеристики, определяемые
инструментальными методами. Химический состав и физическая структура
исследуемого объекта. Понятие о инструментальных методах анализа.
Пробоподготовка. Пробоотбор. Понятия, используемые в аналитической химии.
ГОСТ 52361-2005.
Спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой областях.
Качественный и количественный анализ. Проблема градуировки и метод
наименьших квадратов.
Отвертка после попытки ввернуть
шуруп в твердую древесину
Произведено отечественной промышленностью
около 10 лет назад
А как делают сталь?
1. В мартеновской печи
Мартеновский процесс зависит от состава шихты, используемой при плавке.
Различают такие разновидности мартеновского процесса:
скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25-45%
чушкового предельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных
печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома
скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55-75%),
скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих
доменные печи.
2 Получение стали в
кислородном конвертере
Схема получения стали в кислородном конвертере: а — загрузка
металлолома; б — заливка чугуна; в — продувка; г — выпуск стали;
д — слив шлака.
• И в том и в другом случае в сталь добавляют
металлолом. В большинстве случаев
единственным способом «сортировки» лома в
отечественной промышленности очень
длительное время был электромагнитный
подъемник. И если электромагнит подхватил лом,
содержащий, кроме железа, и другие металлы, то
все это пойдет в печь или в конвертор.
• Через 20-40 лет, после нескольких кругооборотов
лома, вся сталь, идущая в «ширпотреб», будет
очень плохой.
• И девать ее будет некуда.
• И потому в цивилизованных странах
металлический лом, идущий в переработку,
подвергали спектральному анализу.
• Именно потому шведская сталь гораздо лучше
российской
Когда начали широко применять химические средства борьбы защиты
растений (а это было более 50 лет назад — посмотрите, что такое ДДТ в
Википедии), современных методов анализа, позволяющих определить
остаточные содержания ДДТ и других пестицидов в пищевых продуктах
не было.
Позже было обнаружено, что они накапливаются в организмах животных
и людей, потребляющих продукты, произведенные с использованием
пестицидов.
Во многих случаях это приводило к крайне неблагоприятным
последствиям.
Аналитический контроль позволяет уменьшить негативные последствия.
Так, например, около десяти лет назад были проведены исследования
миграции пестицидов при производстве виноградного вина.
Было обнаружено, что пестициды скапливаются на поверхности
виноградных ягод.
И при производстве красного вина, которое настаивают на мезге,
пестициды поступают в вино.
А при производстве белого вина этого не происходит
Как правило, отсутствие аналитического контроля — особенность
слаборазвитых стран. Но это не всегда так.
Так, например, американские учёные протестировали средства для стирки
белья и освежители воздуха нескольких ведущих мировых брендов. Все
образцы показали присутствие как минимум одного токсичного
компонента. Полученные результаты могут вылиться в расследование со
стороны властей США. (Ссылку могу дать)
Биолог Кэрол Иверсен (Carol Iversen) из британского университета
Nottingham Trent и её коллеги обнаружили опасные бактерии во многих
образцах детского питания, произведённого самыми разными компаниями
в семи европейских странах, Южной Корее, США и ЮАР. Всего было
исследовано 200 взятых наугад упаковок сухой молочной смеси, других
видов комбинированного сухого детского питания. 20 порошков
содержали опасно высокие уровни болезнетворных бактерий десятков
разновидностей, в том числе — вызывающие менингит
Необходимость в объективных методах
Потребительские свойства отвертки – её способность ввинчивать шурупы в твердую
древесину – определяются, следовательно, качеством стали.
А качество стали определяется её химическим составом и физической структурой.
То есть, имея «паспорт» «отверточной» стали, в которой указаны её марка, а, стало
быть, состав и структура, мы, проанализировав сталь той партии отверток,
которую нам предлагают для продажи, можем сразу сказать, будут нас ругать
покупатели или нет.
Нужно знать, какие химические и физические свойства товара связаны с его
потребительскими свойствами, и какими методами анализа можно объективно
установить эти свойства.
Что значит «объективно»?
«На глазок» марку стали можно определить по искре, которую она образует при
обточке на точильном круге.
Особенно распространен этот метод анализа – «на глазок» - в пищевой
промышленности, где «органо-лептический метод» используют очень широко.
При достаточном опыте и таланте этот метод дает хорошие результаты.
При отсутствии опыта и таланта или в том случае, когда опытные дегустаторы не
заинтересованы в истинном положении дел, основывать какие-либо выводы на
органо-лептическом анализе нельзя.
Необходимы объективные, не зависящие от эксперта воспроизводимые и точные
методы.
Методы инструментального анализа
22. МЕТОДИКА АНАЛИЗА ОБЪЕКТА АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
(КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТА АНАЛИТИЧЕСКИЙ
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ГОСТ Р 52361-2005 Дата введения - 1
января 2006 года)
документированная совокупность операций и правил, выполнение которых
обеспечивает получение результата анализа объекта аналитического контроля с
установленными характеристиками Погрешности или неопределенностью, а для
методик качественного анализа - с установленной достоверностью
(Предусматривает градуировку с использованием Стандартных Образцов)
Аттестованный прибор, выдающий воспроизводимые результаты с заданной
воспроизводимой погрешностью при анализе стандартного образца
Персонал, квалификация которого соответствует обусловленным требованиям
ПОЛУЧЕНИЕ ОБЪЕКТИВНОГО РЕЗУЛЬТАТА
Однако любой анализ начинается с пробоотбора. Мы не
будем обсуждать пробоотбор, но вы должны знать, что для
продуктов питания существуют международные документы,
устанавливающие процедуры пробоотбора для самых
разнообразных случаев и товаров.
Это «GENERAL GUIDELINES ON SAMPLING CAC/GL
50-2004» (Кодекс Алиментариус)
Смысл документа в том, что пробы, отобранные для
контроля, должны быть «представительными» и операции их
отбора должны быть воспроизводимы.
В большинстве случаев отобранные пробы невозможно
непосредственно подвергать анализу. Например, яблоко, которое
необходимо проверить на содержание пестицидов, нельзя засунуть в
хромато-масс-спетрометр. Яблоко должно пройти
«пробоподготовку». Его нужно размельчить и из размельченной
массы выделить пестициды. Чаще всего это делают с помощью
экстракции (гексаном, ацетонитрилом и т.д.). Экстракт очищают от
посторонних примесей, упаривают и лишь потом полученный
концентрат вводят в хроматограф масс-спектрометра.
А если нужно определить в яблоке токсичные металлы, то
измельченное яблоко нужно подвергнуть процедуре «мокрого
сожжения»
Лишь в некоторых случаях можно обойтись без пробоподготовки.
Например, тогда, когда вам нужно идентифицировать
полимерную пленку — лавсан это или полиэтилен или еще что-то.
КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТА АНАЛИТИЧЕСКИЙ
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ГОСТ Р 52361-2005
Дата введения 1 января 2006 года
4. МЕТОДИКА АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
(ОБЪЕКТА): документированная совокупность операций и правил проведения
аналитического контроля конкретных объектов
Примечание - Методика аналитического контроля объекта может быть
представлена в виде совокупности нескольких документов: методики отбора
проб, методики подготовки проб, методики химического анализа, методики
испытаний, методики выполнения измерений, правил приемки и т.п.
9. ПРЕДСТАВИТЕЛЬНАЯ ПРОБА ВЕЩЕСТВА
representative
[МАТЕРИАЛА] (ОБЪЕКТА АНАЛИТИЧЕСКОГО
sample
КОНТРОЛЯ): проба вещества [материала], которая по химическому составу, и/или
свойствам, и/или структуре принимается идентичной объекту аналитического контроля,
от которого она отобрана
Спектроскопия в видимой, ультрафиолетовой
и инфракрасной областях.
Флюоресцентная спектроскопия.
Спектроскопия в ближней инфракрасной
области.
(Эмиссионная спектроскопия: пламенная
фотометрия и индукционно-связанная
плазма.) Атомно-абсорбционная
спектроскопия.
Хроматография газовая, газо-жидкостная,
жидкостная.
Хромато-масс-спектрометрия
Капиллярный электрофорез
Электронная спектрофотометрия
Опыт И.Ньютона по разложению солнечного света в
спектр (1666 г.) Справа - схема стеклянно-водяного
объектива И.Ньютона
Практически
этот опыт
происходил,
вроде бы, так
В середине XIX века было установлено, что распространение света можно описывать
почти так же, как описывают распространение звуковых волн или волн,
движущихся по колеблющейся струне. И что свет — это электромагнитные
колебания, которые можно характеризовать длиной волны.
Два представления оптического спектра: сверху «естественное»
(видимое в спектроскопе), снизу — как зависимость интенсивности
от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения
солнца.
Мысленный опыт с океанскими волнами, показывающий связь между
длиной (l ), частотой (n ) и энергией (Е) волны.Чем меньше длина волны (l)
тем больше частота подъемов на гребень (n ) и энергия волны (E). Таким
образом, энергия волны E = kn , где k – коэффициент пропорциональности.
Когда гребень волны прокатывается под кораблем, тяжелое судно
поднимается вверх. Значит, волна способна совершать работу.
Допустим, морская волна в верхней части рисунка достаточно
пологая, а морская волна в нижней части рисунка - более частая,
похожая на зыбь. При этом пусть высота волн в обоих случаях будет
одинаковой, чтобы одинаковой была и высота подъема судна на
волне. Тогда получится, что нижняя волна совершает больше работы:
на ее гребнях корабль поднимается в единицу времени чаще.
Чем больше расстояние между гребнями волны, тем меньшее число
раз поднимается корабль в единицу времени. Расстояние между
гребнями волны называется длиной волны и обозначается греческой
буквой l (лямбда). Частота волны - это число подъемов судна на
гребень волны в единицу времени, обозначается буквой n (ню).
Итак, поднимая корабль вверх, волна совершает работу. Значит, чем
меньше длина волны (или чем больше частота), тем большую
энергию несет волна. Энергия волны Е пропорциональна ее частоте:
Е = kn , где k - некая константа, которую можно определить
экспериментально
После открытия фотоэффекта в конце XIX века поняли, что все гораздо
сложнее (Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию
относительности, а за объяснение фотоэффекта), однако появилась
возможность количественно измерять энергию, которую несет световое
(электромагнитное) излучение. И на этой основе были построены
«спектрофотометры», то есть приборы, с помощью которых можно было
анализировать излучение.
Еще до этого, с помощью простого термометра, узнали, что, кроме видимого
света, существует и невидимый — термометр, установленный за пределы
картинки спектра, за его красную границу, нагревался. Так были открыты
инфракрасные лучи.
Сейчас вся шкала электромагнитных «волн» выглядит так
Схема
экспериментальной
установки для
изучения
фотоэффекта
В демонстрационной модели
рассматривается явление
фотоэффекта. В ней представлен
вакуумный фотоэлемент, катод
(пластину из цезия) которого
освещают светом определенной
длины волны. В результате
фотоэффекта вылетевшие из
катода фотоэлектроны могут
достигать второй пластины
(анода), создавая электрический
ток (фототок).
Шкала электромагнитных волн
Длина
Название
Частота
более 100 км
Нзкочастотные электрические колебания
0-3 кГц
100 км - 1 мм
Радиоволны
3 кГц - 3 ТГц
100-10 км
мириаметровые (очень низкие частоты)
3 - 3-кГц
10 - 1 км
километровые (низкие частоты)
30 - 300 кГц
1 км - 100 м
гектометровые (средние частоты)
300 кГц - 3 МГц
100 - 10 м
декаметровые (высокие частоты)
3 - 30 МГц
10 - 1 м
метровые (очень высокие частоты)
30 - 300МГц
1 м - 10 см
дециметровые (ультравысокие)
300 МГц - 3 ГГц
10 - 1 см
сантиметровые (сверхвысокие)
3 - 30 ГГц
1 см - 1 мм
миллиметровые (крайне высокие)
30 - 300 ГГц
1 - 0.1 мм
децимиллиметровые (гипервысокие)
300 ГГц - 3 ТГц
2 мм - 760 нм
Инфракрасное излучение
150 ГГц - 400 ТГц
760 - 380 нм
Видимое излучение (оптический спектр)
400 - 800 ТГц
380 - 3 нм
Ультрафиолетовое излучение
800 ТГц - 100 ПГц
10 нм - 1пм
Рентгеновское излучение
30 ПГц - 300 ЭГц
<=10 пм
Гамма-излучение
>=30 ЭГц
Для информации
Внесистемные единицы измерения: микрон, равный 1 мкм, и ангстрем (Å), (0,1нм)
Кратные
Дольные
величина
название
обозначение
величина
название
101 м
декаметр
дам
102 м
гектометр
103 м
обозначение
dam
10−1 м
дециметр
дм
dm
гм
hm
10−2 м
сантиметр
см
cm
километр
км
km
10−3 м
миллиметр
мм
mm
106 м
мегаметр
Мм
Mm
10−6 м
микрометр
мкм
µm
109 м
гигаметр
Гм
Gm
10−9 м
нанометр
нм
nm
1012 м
тераметр
Тм
Tm
10−12 м
пикометр
пм
pm
1015 м
петаметр
Пм
Pm
10−15 м
фемтометр
фм
fm
1018 м
эксаметр
Эм
Em
10−18 м
аттометр
ам
am
1021 м
зеттаметр
Зм
Zm
10−21 м
зептометр
зм
zm
1024 м
йоттаметр
Им
Ym
10−24 м
йоктометр
им
ym
Но о том, что свет выбивает из щелочных металлов электроны, мы знаем в последнюю
очередь. А в первую очередь мы знаем о том, что через стекло, например, свет проходит, а
через дерево – нет. И что за тонированным стеклом в машине сидеть менее жарко, чем за
безцветным. Почему? Как свет (электромагнитные колебания) взаимодействует с
веществом?
Остановимся на
области 200-1000 нм.
Это области
ультрафиолетовых (200350 нм), видимых лучей
(350-800нм) и часть
инфракрасной области.
Здесь нам нужно
вспомнить строение
атомов и молекул
Это очень грубая «боровская» модель. Как планеты вокруг Солнца,
движутся отрицательно заряженные электроны вокруг положительного
ядра. Но реально так быть не может, потому что заряженные частицы в
электрическом поле должны терять энергию, то есть электроны должны
упасть на ядро. Эйнштейн, объясняя фотоэффект, предположил, что свет,
кроме волновых свойств, имеет и свойства частиц. Световое излучение – это
и волна и «квант», частица, в которой сосредоточена порция энергии
электромагнитного излучения. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль
предположил, что не только излучение, но и материальные частицы
обладают двойственной природой, т. е. свойствами волны и частицы.
Размышляя над природой квантования, де Бройль предположил, что для
электрона характерны свойства электромагнитных волн, и для него можно
рассчитать длину волны. Кроме того, де Бройль предположил, что длина
волны электрона укладывается целое число раз на орбите, т.е. сопоставил её
со стоячей волной. Примером стоячей волны могут служить колебания
скрипичной струны, закрепленной на обоих концах. Струна может
колебаться только с определенными частотами. Когда волна колеблется как
одно целое, то издает основной тон, при колебаниях с более короткими
длинами волн издаются обертоны.
В атоме электрон не один. Количество электронов в атоме равно номеру
элемента в таблице Менделеева.
Электроны, окружающие ядро, образуют как-бы электронное облако. И
кванты света, падающие на вещество, реагируют с «внешними»
электронами этого облака.
Электрон может поглотить квант. В этом случае его энергия увеличится и
он «перепрыгнет» на более высокую «орбиту», на более высокий
энергетический уровень. Но только на такой, где его новая длина волны
будет снова укладываться целое число раз. Это состояние неустойчиво. И
электрон очень быстро прыгнет обратно, испустив квант света. Заставить
электрон прыгнуть на более высокий энергетический уровень может не
только квант света, но и просто достаточно сильный удар — например,
тепловой удар соседнего атома или удар другого электрона, разогнанного
каким-то способом. Именно потому, например, светит электрическая
лампочка — при прохождении тока вольфрамовый волосок нагревается,
тепловые удары соседних атомов заставляют электрон прыгнуть на более
высокий энергетический уровень, а при прыжке обратно электрон
испускает квант света. А какого света — ультрафиолетового, видимого
или инфракрасного — это зависит от температуры вольфрамовой нити
При таких «странных» волновых свойствах электрон может двигаться вокруг
ядра атома, не падая на него. Но это значит еще и то, что раз «орбиты»
электрона могут быть только такими, на которых волна укладывается целое
число раз, то существуют «запретные» области орбит. Те, на которых волна не
укладывается целое число раз. Для нашего «механического» мира все очень
просто. Стакан с водой мы можем поднять на любую высоту. Энергетический
уровень стакана, стоящего на стуле один, а стоящего на столе другой. Можем
взять стул и стол повыше и пониже. Но для электрона это невозможно.
Существую только определенные «высоты», на которые можно «поднять»
электрон. А так как каждой «орбите» соответствует свой энергетический
уровень, своя энергия подъема, то существуют только определенные количества
энергии, которые электрон может поглотить. Между этими орбитами электрон
никакими силами не загонишь. Образно выражаясь, электрон может взять 10
рублей, может 20, может 30, но 15 или 25 он брать не может.
Этим объясняется то, почему существуют прозрачные вещи — стекло, алмаз,
соль, сахар и т.д. — потому что во всей области спектра квантам излучения не
хватило энергии для переброски электронов на более высокий энергетический
уровень. А ту энергию, которую несло излучение, электроны не могли
поглощать — не существует энергетических уровней с такой энергией, потому
что электронная волна не укладывается на них целое число раз.
А если вещество окрашено, то оно (или примеси в нем) поглощает лишь в
определенной области спектра. Другие лучи проходят и мы видим окраску.
Как может и как не может прыгать
электрон
Всё это очень понятным языком написано здесь:
http://fiz.1september.ru/2005/02/14.htm
Беллур Сиварамия Чандрасекар
Почему всё вокруг такое, какое оно есть?
Термин «орбита» применим лишь к
«точечному» объекту, движущемуся вокруг
своего «хозяина» -- центрального тела
• А раз электрон «волна», то и термин
«орбита» применять к его движению
не стоит – вызовет неправильные
ассоциации. Поэтому был предложен
другой термин – «орбиталь».
Атомная орбиталь (АО) - область наиболее вероятного пребывания
электрона (электронное облако) в электрическом поле ядра атома.
Положение элемента в Периодической системе определяет тип орбиталей
его атомов (s-, p-, d-, f-АО и т.д.), различающихся энергией, формой,
размерами и пространственной направленностью.
Для элементов 1-го периода (Н, He) характерна одна АО - 1s.
В элементах 2-го периода электроны занимают пять АО на двух энергетических
уровнях: первый уровень 1s; второй уровень - 2s, 2px, 2py, 2pz. (цифры обозначают
номер энергетического уровня, буквы - форму орбитали).
Какие бывают орбитали (электронные облака)
.В
молекуле (как и в атоме) имеются дискретные энергетические
состояния отдельных электронов (молекулярные орбитали) с их
самосогласованным движением в поле друг друга и всех ядер
молекулы. Предполагается, что все электроны данной молекулы
(как и в атоме) распределяются по соответствующим орбиталям.
Каждая орбиталь характеризуется своим набором квантовых чисел,
отражающих свойства электронов в данном энергетическом
состоянии. В отличие от одноцентровых орбиталей атомов,
орбитали молекул многоцентровые, то есть молекулы имеют общие
орбитали для двух или более атомных ядер. По аналогии с
атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали
обозначают греческими буквами σ-, π-, δ-, γ-. МО образуются при
комбинировании атомных орбиталей при достаточном сближении.
Из исходных атомных орбиталей возникают МО.
Форма молекулярных орбиталей. s- и p-МО
Форма молекулярных орбиталей определяется геометрией перекрывания атомных
орбиталей.
Возможны два типа перекрывания атомных орбиталей:
•осевое или s (сигма)-перекрывание;
•боковое или p (пи)-перекрывание.
•
По типу перекрывания исходных АО образующиеся молекулярные орбитали относят к sМО или p-МО.
Для того, чтобы перебросить электрон с σ-орбитали на более высокий
энергетический уровень, нужна очень большая энергия. То есть очень маленькая
длина волны — около 130нм.( Для того, чтобы наблюдать это поглощение, нужны
специальные приборы — их нужно вакуумировать). Для рутинных анализов такие
приборы не используют. А для того, чтобы перебросить на более высокий
энергетический уровень электрон, принадлежащий к -орбитали, нужна более
низкая энергия. А если двойная связь «сопряженная» (как в бензоле, например), то
для ее возбуждения нужна еще более низкая энергия
• То есть способность вещества поглощать излучение зависит от
его структуры, от наличия тех или иных «функциональных»
групп. Благодаря которым в молекуле существуют молекулярные
орбитали с энергетическими уровнями, которые соответствуют
(могут быть возбуждены) электромагнитному излучению,
которое мы используем. Только надо учитывать, что важна не
столько структура молекулы, сколько тип связи, вид электронного
облака, которое взаимодействует с электромагнитным
излучением.
• Конечно, для каждой молекулы найдется такое излучение,
которое она будет поглощать. И очень коротковолновое
излучение (гамма-лучи) ионизирует вещество – выбивает
электроны так, что они улетают в пространство
• Но нас сейчас интересует только область от 200нм до 1000нм – та
область, которую используют при исследованиях и анализе на
самых «обычных» спектрофотометрах. Которые не надо
вакуумировать и при работе на которых можно использовать для
кювет такие доступные материалы, как кварц (для УФ и видимой
области) и стекло (для видимой области)
Очень коротко и более или менее понятно о том, какие виды
химической связи существуют, можно прочесть здесь.
http://www.chemport.ru/chemicalbond.shtml
http://www.hemi.nsu.ru/ucheb132.htm
http://www.krugosvet.ru/articles/113/1011313/1011313a1.htm
Для нас важно, что существует «красный порог» для взаимодействия
света (электромагнитного излучения) с электронами вещества. И
потому вся область взаимодействия излучения, если не прибегать к
каким-то особым приемам и не рассматривать излучение,
разрушающее вещество, ограничена относительно узкой спектральной
областью – от «полужесткого» ультрафиолета (жесткий,
коротковолновый ультрафиолет вещество уже разрушает) до 800нм.
То есть вся совокупность химических связей, если говорить о
возможности электронов этих связей «прыгать» на более высокие
энергетические уровни, укладывается в эту область.
Их не так уж много, типов этих связей. И потому электронные спектры
мало пригодны для идентификации вещества.
Они «маловыразительные». И приходится прибегать к специальным
приемам, чтобы использовать их в аналитической химии.
Для определения вещества спектрофотометрией в видимой области
стараются получить, в результате какой-либо химической реакции,
его окрашенное производное, по поглощению которого и судят о
наличии и количестве аналита. Разработка методики определения
заключается в поиске реактива, дающего с аналитом цветную
реакцию. Реакция должна быть селективна и образовавшееся
цветное производное должно иметь очень сильное поглощение.
Для видимой области без получения цветных производных можно
определять лишь немногие окрашенные вещества — такие, как иод,
бром, хромат- и перманганат- ионы (K2CrO4, KMnO4) и др..
Но в УФ области часто вещества определяют непосредственно, по
собственному поглощению. Потому что в УФ, особенно менее
200нм, поглощают все вещества.
ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ДЛИННОВОЛНОВЫЕ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ
АЛИФАТИЧЕСКИХ И АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Соединение
кДж/
моль
нм
Цвет
Бутадиен СН2 = СНСН= СН2
553
217
Бесцв.
Гексатриен СН2 = СНСН= СНСН= СН2
481
260
То же
Октатетраен СН2 = СН(СН= СН)2СН= СН2
397
302
То же
Ликопин {(СН3)2С = СН(СН2)2С(СН3) = СН[СН =
СНС(СН3) = СН]2СН = }2
237
506
Яркокрасный
бензол
471
255
Бесцв.
нафталин
383
275
То же
коронен
292
411
Желтый
ДЛИННОВОЛНОВЫЕ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ
РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Соединение
Бензол C6Н6
Нитрозобензол C6H5NO
Анилин С6Н5NН2
Диметиланилин
C6H5N(CCH3)2
4-Нитрозодиметиланилин
(CH3)2NC6H4NO
нм
255
280
282
297
420,5
Хромофорные группы—группы, введение которых в
вещество вызывает поглощение света
А это группы, оказывающие влияние
на положение полос поглощения
Таблица взята
из этой книги
А теперь можно попытаться сконструировать
спектрофотометр – прибор, с помощью которого мы
будем исследовать, как вещества поглощают
электромагнитное излучение. То есть определять, какое
(с какой длиной волны, с какой энергией) излучение
вещество поглощает, а какое нет. И в какой степени.
Нам нужен источник излучения, приемник излучения –
фотоэлемент и устройство, с помощью которого на
фотоэлемент мы будем направлять излучение с
определенной длиной волны.
Потому что фотоэлементу все равно, какая длина волны
у излучения. На любое излучение (до «красного
порога») фотоэлемент будет реагировать появлением
электрического тока.
Только сначала обратим внимание на две вещи.
Вот первая
Спектр солнечного излучения, полученный с помощью простейшего
спектрометра
Полученный спектр «сплошной», «непрерывный»
Спектр испускания раскаленного атомарного водорода. Водород в
так называемой водородной лампе разогревается сильным
электрическим разрядом. Свет лампы, пройдя через призму, дает
спектр, состоящий из отдельных линий
Что мы хотим? Мы хотим получить объективные
характеристики нашего товара при взаимодействии его (или
того, что мы из него выделим, того, что мы из него получим) со
световым излучением.
А с каким «световым излучением»? У солнца это излучение
одно, у водорода, когда мы заставили его светиться — другое.
Если мы выбрали такой «полосатый» источник излучения, то
очень может быть, что фотоэлемент будет говорить нам не о
поглощении света анализируемым веществом, а о том, что
света просто нет.
Это первая проблема при построении спектрофотометра
А вот вторая проблема.
Фотоэлементы на разные участки спектра
реагируют по разному
А это значит, что при решении вопроса, как реагирует
наше вещество на световое излучение, мы должны
учитывать, какой спектр того источника, которым мы
пользуемся, и какие свойства у нашего приемника
излучения
На каждом участке спектра мы должны быть уверены,
что измеренные нами характеристики — это
характеристики нашего образца, а не источника света
и не приемника излучения.
Для того, чтобы учесть это, добавляют еще один луч
— эталонный, который не проходит через образец. И в
каждом участке спектра измеряют отношение энергий
эталонного луча и луча, прошедшего через образец.
По этому принципу устроены все спектрофотометры
Принципиальная схема спектрофотометра
1- источник излучения; 2,3,4,5-зеркала, служащие для
формирования двух одинаковых лучей; 6-кювета с образцом, 8кювета сравнения, 7-оптический клин; 9- прерыватель луча;
10-монохроматор; 11- приемник излучения
На схеме показан только один источник излучения. На самом
деле их два – один для УФ области (дейтериевая лампа), другой
для видимой (лампа накаливания, галогенная)
Современный УФ-Вид спектрофотометр
Количественное определение
Что измеряет спектрофотометр?
Как и каждый прибор, которым мы пользуемся (компьютер,
телевизор, холодильник, стиральная машина) спектрофотометр
– электротехнический прибор. И измеряет он электрический
ток. Этот ток функционально связан с отношением излучения,
прошедшего через исследуемое вещество и излучения,
прошедшего через эталонную кювету. За это отвечает
фотоэлемент (фотоумножитель или фотодиод) и электронная
схема и программное обеспечение. Чем меньше света прошло
через вещество, тем меньше измеренный нами сигнал. Если
эталон поглотил очень много света, то эталонный сигнал равен
нулю. А на ноль делить нельзя. То есть при очень большом
поглощении эталона измерить мы ничего не можем. Это раз
И два. Измеренный нами сигнал, который мы называем
«пропусканием» (а это отношение энергии контрольного луча к
эталонному), как следует из нашего вывода, связан с
концентрацией вещества не линейно.
Линейно связан с концентрацией вещества логарифм отношения
энергии эталонного луча к энергии луча, прошедшего через
образец.
Эта же величина линейно связана и с толщиной кюветы.
Называется она оптической плотностью (илиAbsorbence)
Все старые спектрофотометры выдавали
результат в пропускании
Пусть
пропускание в
минимуме 10%
Вычислим
оптическую
плотность:
100% делим на
10%
Получаем 10.
Это
безразмерная
величина.
Логарифм 10
равен 1. Тоже
величина
безразмерная
Современный спектрофотометр работает с
компьютером и выдает результат в той форме,
которая нам удобна
Если пропускание
равно 50%, то
оптическая
плотность равна
0.30
Если пропускание
1%, то оптическая
плотность равна 2
Если пропускание
0.1%, то
оптическая
плотность равна 3
Оптическая плотность
Оптическая
плотность связана
с концентрацией
линейно (закон
Бугера-ЛамбертаБера). То есть в
идеале график
функции,
определяющей
зависимость
оптической
плотности от
концентрации –
прямая линия,
проходящая через
начало координат.
В том случае, когда в системе происходит химическая реакция,
наблюдаются отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера.
Отклонения могут быть и при очень больших концентрациях (в
результате межмолекулярного взаимодействия), и при
образовании «лаков», но в большинстве случаев закон
выполняется очень хорошо.
И при установлении параметров градуировочного графика, то
есть при определении коэффициента в уравнении:
A =k C L
Где С – концентрация, А – оптическая плотность при длине
кюветы L, а k – коэффициент пропорциональности, то есть
тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс,
приходится решать лишь одну проблему.
Проблема эта состоит в том, что ни один из измеряемых
параметров ( в любой области) мы не можем определить точно.
Все экспериментальные значения любой величины могут быть
определены лишь с погрешностью.
Экспериментальные точки
Но сначала определим
физический смысл
коэффициента
пропорциональности в
уравнении A =k CL
Концентрация — это
г/объем, А — величина
безразмерная, L –
длина
То есть размерность
коэффициента —
площадь, деленая на
количество вещества.
Если количество
вещества выразить в
молях и вспомнить, что
в моле 610 в 23
степени, то
коэффициент можно
определить, как
«эффективную»
площадь молекулы,
поглощающей свет.
Принцип градуировки по экспериментальным точкам
http://chemstat.com.ru/node/14
Соболев В.А. // СОЖ 2000, №4, с. 117.
Основным требованием при градуировке по экспериментальным точкам является
минимизация суммы квадратов отклонения этих точек от той градуировочной
функции, которую мы хотим построить. Метод построения этой функции так и
называется — метод наименьших квадратов.
В приведенных ссылках можно прочитать о нем, но самый простой вывод в книге
Р.С. Гутер и Б. В. Овчинский Элементы численного анализа и математической
обработки результатов опыта Москва, 1962
Программа «Анализ данных»-Регрессия в Excel все сделает за вас.
Но нужно помнить, что при задании данных в эту программу за Х принимают те
экспериментальные данные, ошибка которых меньше (это заложено в вывод
МНК).
Раньше ошибка определения веса была меньше, чем ошибка измерения
оптической плотности. И за Х принимали концентрацию. Теперь ошибки
определения веса и оптической плотности одного порядка. И не будет большой
ошибкой менять их местами (вместо прямой регрессии использовать обратную.
Но в общем случае этого делать нельзя).
В «обычном» спектрофотометре приемник регистрирует излучение
в очень маленьком интервале спектра.
И чем этот интервал меньше, тем лучше «разрешение»
(способность прибора регистрировать различие спектра в соседних
точках) прибора. И для того, чтобы зарегистрировать спектр по всей
области, монохроматор необходимо поворачивать так, чтобы он
последовательно направлял на приемник весь спектр от начала и до
конца. Кроме того, чтобы учитывать и сравнивать энергию
источника излучения и чуствительность приемника, необходимо
направлять на приемник попеременно луч, проходящий через
измеряемый образец и проходящий через эталон.
Следовательно, спектрофотометр, построенный по такой схеме,
должен содержать подвижные части. Которые от времени
изнашиваются, разбалтываются и за счет этого вносят в измерение
ошибки.
От этого недостатка свободны спектрометры на диодных матрицах.
Спектрометр на линейной диодной матрице
Что такое линейная диодная матрица? Это маленькая тонкая
пластинка, состоящая из нескольких сотен фотодиодов. Этих
фотодиодов (элементов матрицы) может быть 256. Или 512. Или
1024. Или 2048. Или еще больше. И монохроматор (в этом случае он
называется полихроматор) направляет весь спектр целиком на
диодную матрицу. Так как источника излучения два – дейтериевая
лампа для УФ и галогенная лампа для видимой области — то
спектрометр, в сущности, состоит из двух спектрометров. Один на
УФ, другой на видимую область. Но никаких движущихся частей в
оптической схеме нет, и регистрация спектра происходит сразу по
всей области. Разве что кюветы приходится двигать. Потому что все
равно сначала необходимо зарегистрировать эталонный спектр, а
потом уже спектр исследуемого образца. Компьютер эти спектры
запоминает и потом выдает нам их отношение.
Теперь мы знаем все, что необходимо для работы на спектрофотометре.
Очень просто на спектрофотометре определить свободный хлор в водопроводной воде.
Как вы знаете, водопроводную воду для уничтожения болезнетворных микроорганизмов
хлорируют. Воду плавательных бассейнов тоже хлорируют.
Хлор вообще вреден, и необходимо следить, чтобы больших излишков хлора в воде не
было.
Методика основана на вытеснении свободным хлором иода из его солей (школьный курс
химии)
2 KJ + Cl2 = J2+2KCl
Иод плохо растворим в воде и хорошо в бензине.
Если в водный раствор иода налить бензин и встряхнуть несколько раз, то весь иод
перейдет в бензин. Если водного раствора было 200 мл, а бензина 20 мл, то произойдет
десятикратное концентрирование.
Для градуировки необходимо приготовить серию градуировочных растворов.
Взять навеску иода и растворить в определенном объеме бензина.
Очень большую навеску брать бессмысленно. Потому что измерить оптическую плотность
очень окрашенных растворов нельзя (почему?). А очень маленькую навеску взять точно не
получится. Взвесить мы можем не менее ??? (весы взвешивают до четвертого знака после
запятой).
Это будет рабочий раствор.
Из рабочего раствора надо приготовить не менее пяти градуировочных.
То есть взять пять мерных колб и мерной пипеткой внести в них различное количество
градуировочного раствора. Прилить бензин до метки. Определить в этих растворах
оптическую плотность, построить градуировочную функцию и с ее помощью определить
иод в экстракте. И пересчитать на хлор.
Измерять оптическую плотность следует в области от 0.3 до 0.8
единиц. В этом случае ошибка измерения будет минимальной.
Можно снимать спектры непрозрачных образцов. Таких, как
окрашенные ткани. Так можно опредялять стойкость красителя. Или
качество моющего средства, используемого для стирки ткани —
отстиралась ткань или нет.
Спектры регистрируют при помощи специальных приспособлений.
Флуоресцентная спектроскопия
Применение флуоресценции для аналитических целей
включает широкую область использования ее для
идентификации веществ, для обнаружения малых
концентраций веществ, для контроля изменений,
претерпеваемых веществом, для определения степени
чистоты веществ. Широко применяются измерения
флуоресценции при изучении кинетики обычных
химических реакций. Высокая чувствительность
метода позволяет фиксировать малую степень
превращения веществ, а иногда по люминесценции
промежуточных соединений становится возможным
установить механизм химической реакции.
Флуоресцентные методы используются в биологии, в
частности для исследования структуры белков методом
флуоресцентных зондов и меток.
Механизм флуоресценции очень сложен. При поглощении
молекулой кванта света его энергия затрачивается не только на
забрасывание электрона на более высокий энергетический уровень,
но ещё и на возбуждение колебаний и вращение молекулы. Эти
явления создают очень сложную картину при переходе электрона на
основной невозбужденный уровень. В некоторых случаях переход
безизлучательный – энергия уходит на разогрев системы. В других
случаях безилучательно расходуется часть энергии. А другая часть
расходуется на излучение. Спектр этого излучения всегда сдвинут в
более длинноволновую область по отношению к спектру
возбуждения (то есть поглощения)
Флуоресцируют в основном вещества биологического
происхождения.
Но если уж вещество флуоресцирует, то чуствительность его
определения очень высока.
d – толщина кюветы, – молярный коэффициент поглощения,
с – концентрация
В современном флуоресцентном спектрометре два монохроматора.
Это позволяет регистрировать одновременно спектр возбуждения
и спектр флуоресценции
Флуоресцентная спектрометрия используется при определении
микотоксинов, бензпирена и других полиароматических углеводородов.
Несколько лет назад был принят ГОСТ по определению идентификации
водок этим методом. Но флуоресцентные спектрометры дороже УФ-ВИД
спектрофотометров
• Как пример прозрачного вещества рассмотрим стекло. Оно
является диэлектриком, и мы качественно представляем себе, как
выглядит электронная структура стекла, если использовать
понятие энергетических зон. На рис. 9-7 показаны две
энергетические зоны, достаточные для объяснения явления.
Нижняя зона заполнена: каждое квантовое состояние занято
электроном. Над этой зоной находится отделённая
энергетической щелью (зоной запрещённых энергий) пустая зона,
в которой нет электронов. Расстояния по вертикали на рисунке
соответствуют значениям энергий. Начальный фотон с энергией,
соответствующей длине отрезка АВ, которая меньше, чем
величина энергетической щели, не может быть поглощён ни
одним из электронов в заполненной зоне, т.к. конечное состояние
электрона должно находиться либо в заполненной зоне, где все
места заняты, либо попадает в щель, где вообще не может быть
никаких квантовых состояний электронов. Поэтому такой фотон
будет проходить сквозь вещество. Пусть теперь фотоны имеют
энергию большую, чем ширина энергетической щели, например,
CD. Тогда электрон в нижней зоне может поглотить фотон и
перейти в незанятое состояние в верхней зоне.
Энергетические зоны электронов в прозрачном веществе типа
стекла. Фотоны с энергиями АВ (величине энергии соответствует
длина отрезка АВ), меньшими ширины щели между занятой и
незаполненной зонами, не могут поглотиться электронами, т.к. нет
таких конечных состояний, в которое те могли бы перейти. Такие
фотоны проходят сквозь вещество. Если же энергии фотонов
превышают ширину щели (CD на рисунке), то такие фотоны
поглощаются веществом
•Теперь можно понять, почему стекло прозрачно для видимого
света. Зонная структура стекла такова, что у фотонов видимого
света не хватает энергии, чтобы перебросить электроны из нижней
зоны в верхнюю, преодолев щель. Поэтому фотоны видимого света
проходят сквозь стекло без поглощения. Но фотоны
ультрафиолетового света имеют более высокую частоту,
следовательно, большую энергию, которой оказывается достаточно,
чтобы вырвать электроны из заполненной зоны и перебросить их в
незанятую зону. Поэтому такой свет будет поглощаться стеклом. На
рис. 9-7 отрезку АВ соответствует фотон видимого света, а отрезку
CD – ультрафиолетового. В кварце энергетическая щель шире, чем у
обычного стекла, поэтому фотоны не только видимого, но и
ультрафиолетового света не обладают достаточной энергией, чтобы
электроны в заполненной зоне могли их поглотить и перейти в
верхнюю пустую зону. В этом причина того, что ультрафиолетовые
лампы делаются не из обычного стекла, а из кварца.
Рассмотрим теперь случай света, падающего на поверхность
металла. Мы знаем, что металл хорошо проводит электрический
ток, т.к. внешние электроны каждого атома свободно путешествуют
по всему металлу. На рис. 9-8 показан пучок света, отражающийся
от поверхности металла. Ближайшие к поверхности электроны
испытывают действие силы со стороны колеблющегося
электрического поля световой волны и начинают сами колебаться с
той же частотой, что и свет. Один из этих электронов, помеченный
цифрой 1, показан на рисунке. Такой колеблющийся слой
электронов отбирает энергию у световой волны, поэтому она
ослабляется и заставляет колебаться следующий слой электронов
(помеченный цифрой 2) с меньшей частотой и т.д., до тех пор, пока
на определённой глубине от поверхности колебания поля в световой
волне и соответствующие колебания электронов не затухнут. В
большинстве металлов эта глубина очень мала и составляет
величину порядка 10–6см. Теперь понятно, почему даже очень
тонкий слой металла не пропускает свет
. Поглощение и отражение света от металла. Осциллирующее
электрическое поле световой волны заставляет колебаться
электроны проводимости (показаны четыре электрона, причём два
первых пронумерованы). Амплитуды колебаний электронов
показаны стрелками. Эти стрелки уменьшаются при продвижении
в глубь металла, что соответствует затуханию колебаний. Таким
образом, электрон частично поглощает энергию падающего
фотона, а частично переизлучает её в окружающее пространство
Вы можете задать вопрос: откуда же берётся свет, отражённый от
поверхности металла, т.к. создаётся впечатление, что вся энергия
падающего фотона переходит в энергию колебаний электронов?
Однако вспомним, что электромагнитные волны порождаются
колеблющимися зарядами. Электроны на поверхности металла
колеблются с той же частотой, что и падающий свет. Именно эти
осцилляции и порождают электромагнитные волны той же
частоты, что и падающая волна, вот они-то и образуют
отражённый свет
