Спектрофотометрия. Закон Бугера — Ламберта — Бера

Спектрофотометрия, или молекулярно-абсорбционная спектроскопия, изучает светопоглощение растворов, помещённых в кюветы.

Светопропускание и оптическая плотность

Световой поток $I_0$ проходит через кювету толщиной $b$ с раствором; на выходе поток $I < I_0$:

Кюветы из кварцевого стекла позволяют работать и в УФ-, и в ближней ИК-области.

Падающий поток делится на части:

• $I_a$ — поглощённая часть (абсорбция);
• $I_\text{отр}$ — отражённая: стенки кюветы делают перпендикулярными лучу, и отражённый поток минимален;
• $I_p$ — рассеянная: в истинных растворах размер частиц — это размер атомов и молекул, рассеяние начинается, если есть коллоидные частицы.

Пренебрегая отражением и рассеянием, получаем $I_0 = I_a + I$. Вводят величины:

Отношение $I_0/I$ характеризует светопоглощение; термин «оптическая плотность» рекомендован ИЮПАК в 1973 г. Связь между величинами (при $T$ в долях единицы):

Возможные пределы светопропускания:

1. раствор не поглощает: $I_0 = I$, $T = 100\ \%$, $A = 0$;
2. раствор полностью поглощает световую энергию: $T = 0\ \%$, $A \to \infty$.

На практике измеряют $A$ примерно от 0 до 3.

Основные законы светопоглощения

1729 г. — Бугер, 1760 г. — Ламберт. Интенсивность света убывает с толщиной поглощающего слоя экспоненциально:

Светопропускание падает с толщиной слоя по экспоненте, а оптическая плотность растёт линейно, с наклоном $\operatorname{tg}\alpha = a$:

1852 г. — Бер установил зависимость от концентрации: при $b = \text{const}$

Объединённый закон Бугера — Ламберта — Бера:

При прочих равных условиях оптическая плотность растворов пропорциональна концентрации поглощающего вещества.

Эта зависимость легко определяется практически — строят градуировочный график; его наклон $\operatorname{tg}\alpha = b\varepsilon$:

$\varepsilon$ — молярный коэффициент поглощения; он определяет наклон этой зависимости. Это оптическая плотность раствора с концентрацией 1 М, помещённого в кювету с толщиной поглощающего слоя 1 см.

Закон выполняется для разбавленных растворов и монохроматического света: при высоких концентрациях и немонохроматическом излучении график отклоняется от прямой.

Молярный коэффициент поглощения и чувствительность

Чем больше $\varepsilon$, тем больше чувствительность определения: один и тот же элемент в виде разных соединений можно определять с чувствительностью, различающейся на несколько порядков. Поэтому определяемый ион переводят в интенсивно окрашенное соединение с органическим реагентом.

Избирательность светопоглощения

В молекулах много электронов, которые могут переходить в возбуждённое состояние, поэтому вещества поглощают свет избирательно. Цвет раствора — дополнительный к цвету поглощённого излучения:

Спектры поглощения молекул в УФ- и видимой области широкополосные. Для количественного анализа не нужно снимать весь спектр — достаточно измерять оптическую плотность на одной, заранее выбранной длине волны. Её выбирают по спектру поглощения определяемого вещества: обычно в максимуме полосы поглощения, где чувствительность наибольшая. Сопоставляя спектры компонентов пробы, проверяют, можно ли определять одно вещество в присутствии других: если полосы накладываются, результаты будут завышены.