close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

662.Спектральные методы анализа

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Учебно-методическое пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Утверждено научно-методическим советом химического факультета 25 сентября 2008 г., протокол № 1
Составители: Е.В. Бутырская, С.И. Карпов, В.А. Шапошник, Н.А. Беланова, О.Ф. Стоянова
Рецензент В.Г. Клюев
Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре аналитической
химии химического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется для студентов 3 курса химического факультета
Для специальности: 020101 – Химия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Спектральные методы анализа и их классификация .................................... 4
Природа электромагнитного излучения ........................................................ 4
Шкала электромагнитных волн ...................................................................... 5
Происхождение атомных и молекулярных спектров ................................... 6
Виды спектров ................................................................................................. 7
Атомная эмиссионная спектроскопия (АЭС) ............................................... 8
Абсорбционная спектроскопия ...................................................................... 10
Основной закон светопоглощения ................................................................. 10
Основные приемы фотометрического определения
в абсорбционной спектроскопии ................................................................... 12
Оптимальные условия фотометрического определения .............................. 16
Задачи и вопросы ............................................................................................. 16
Лабораторные работы ..................................................................................... 32
Работа 1. Фотометрическое определение содержания ионов меди(II)
в водном растворе ........................................................................................... 32
Работа 2. Фотометрическое определение содержания железа (III)
в водном растворе ........................................................................................... 36
Работа 3. Спектрофотометрическое определение содержания
никотиновой кислоты в лекарственном препарате ..................................... 39
Работа 4. Спектрофотометрическое определение содержания цианокобаламина для инъекций (Витамина В12) ........................................................... 43
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спектральные методы анализа и их классификация
Спектральные методы анализа основаны на явлениях, возникающих при
взаимодействии вещества с электромагнитным полем. Спектром поглощения
вещества называется зависимость интенсивности* поглощенного веществом
электромагнитного излучения от частоты. Спектром испускания вещества
называется зависимость интенсивности* испущенного данным веществом
электромагнитного излучения от частоты. Интенсивностью линии поглощения (испускания) называется энергия поглощенная (испущенная) веществом
на данной частоте в единицу времени. В спектральном анализе вместо терминов испускание и поглощение часто используют их синонимы эмиссия и абсорбция (от лат. emissio – испускание и absorptio** – поглощение).
1. По характеру взаимодействия электромагнитного поля с веществом спектральные методы анализа делятся на эмиссионные, абсорбционные
и методы рассеяния.
2. По типу используемой области шкалы электромагнитных волн
спектральные методы анализа делятся спектрофотометрию (видимая и
УФ области) и ИК спектроскопию.
3. По типу частиц анализируемого вещества в аналитической химии
можно выделить атомный и молекулярный спектральный анализ.
4. По природе энергетических переходов в молекулярном спектральном анализе выделяют электронную, колебательную и вращательную
спектроскопию.
Определенные химические элементы или химические группы излучают, поглощают или рассеивают электромагнитные волны определенной
длины волны (частоты). Поэтому частота сигнала несет качественную
информацию о составе вещества. Интенсивность сигнала определяется
концентрацией анализируемого компонента в пробе. Поэтому интенсивность сигнала несет количественную информацию о веществе.
Природа электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение проявляет себя в двух аспектах: волновом (в явлениях интерференции, дифракции, преломления, отражения света и др.) и корпускулярном (в явлениях излучения и поглощения).
Волновые свойства. К волновым характеристикам электромагнитного поля относятся следующие
1.Частота n , (гц) – число колебаний электрического (магнитного)
поля в 1 с.
1
n
2. Период колебаний Т = , (с) – время, за которое совершается 1
полное колебание.
* Или связанной с интенсивностью характеристики.
** В отличие от адсорбции (поглощение поверхностью) абсорбция происходит во всем объеме поглотителя.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Скорость распространения волны. В вакууме волна распространяс
ется со скоростью света с = 299795,5 м/с, в среде – со скоростью , где п –
n
показатель преломления среды.
с
4. Длина волны l = с Т = , (м) – расстояние между двумя ближайn
шими синфазно колеблющимися точками.
1
5. Волновое число n~ = , (см-1) – число волн, приходящихся на едиl
ницу длины.
Корпускулярные свойства. Каждый фотон (элементарный квант
электромагнитного поля) обладает энергией, массой, импульсом, частотой.
Энергия фотона определяется по формуле
e = hn ,
где h = 6 ,62 × 10 - 34 Дж × с – постоянная Планка, n – частота фотона. Учитывая связь частоты с длиной волны и волновым числом, получаем:
hс
= hcn~ .
e=
l
Поток фотонов с одинаковой частотой называется монохроматическим.
Шкала электромагнитных волн
Совокупность всех длин волн электромагнитного излучения называют спектром электромагнитного излучения. Весь диапазон длин волн электромагнитного излучения принято представлять на шкале электромагнитных волн.
Таблица 1
Основные области шкалы электромагнитных волн
Интервал длин волн, м
Название излучения
Гамма-излучение
10 - 13 - 10 -10
10 -11 - 10 - 8
Рентгеновское излучение
10 - 8 - 4 × 10 -7
Ультрафиолетовое излучение
4 × 10 -7 - 7 ,6 × 10 -7
Видимый свет
7 ,6 × 10 -7 - 10 - 3
Инфракрасное излучение
СВЧ-волны
10 - 3 - 1
>1
Радиоволны
В аналитической химии используются в основном ультрафиолетовая,
видимая, и инфракрасная части спектра. На глаз человека воздействует
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
только та часть электромагнитного излучения, которую принято называть
видимым светом, или просто светом.
Происхождение атомных и молекулярных спектров
Атомы и молекулы могут находиться только в состояниях с определенными значениями энергии, называемыми стационарными состояниями.
При поглощении или излучении энергии веществом осуществляются переходы между стационарными состояниями (рис. 1). Энергия, поглощенная
или испущенная веществом, равна разности энергий разрешенных состояний данного вещества.
Е1
1 возбужденное состояние (резонансное)
e = hn = Е1 - Е0
основное состояние,
Е0
Рис. 1. Энергетические уровни атома, e – энергия перехода
При переходе из основного состояния в первое возбужденное состояние поглощается фотон с энергией e = Е1 - Е0 . Поскольку энергия фотона связана с частотой соотношением e = hn , то данное вещество может
поглотить фотон с энергией, определяемой из условия hn = Е1 - Е0 , или
Е - Е0
n= 1
. Если облучать систему светом, то вещество будет поглощать
h
электромагнитные волны с частотами
DЕ
n=
,
(1)
h
где D Е – разность энергий стационарных состояний, на других частотах
поглощения не будет.
Спектр поглощения получают, помещая исследуемое вещество в поле электромагнитного излучения, например, на пути светового потока. В
этом случае после выхода из вещества на частотах, определяемых соотношением (1) наблюдаются спектральные линии поглощения.
Все частоты
видимого света
набор черных линий на цветном фоне
Спектр поглощения содержит все падающие частоты, кроме частот
поглощенных веществом, на их месте – черные линии. При облучении ве6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щества видимым светом спектр поглощения представляет собой набор черных линий на цветном фоне
Для получения спектра испускания вещество сначала переводят в
возбужденное состояние, что достигается подведением какого-либо вида
энергии, затем вещество возвращается в основное состояние, испуская фотоны определенной частоты в соответствии с (1), которые приводят к возникновению спектральных линий испускания.
На черном фоне в видимой области спектра имеем цветные линии
В идеальном случае для получения чистого аналитического сигнала
от одного перехода нужно облучить вещество монохроматическим потоком фотонов (при поглощении) или задержать излучение всех частот, кроме желаемого при испускании. Для этой цели служат светофильтры и монохроматоры.
Спектральные сигналы наблюдают и регистрируют с помощью спектральных приборов: спектрографов, спектрометров, спектрофометров и др.
Спектральные приборы разнообразны, однако все они имеют следующие
общие основные узлы: 1) источник излучения; 2) устройство для выделения монохроматического пучка фотонов (с одинаковой частотой); 3) отделение для установки анализируемого образца; 4) приемник выходного излучения; 5) преобразователь выходного сигнала. Приборы последних лет
позволяют передать спектральную информацию для обработки на компьютер, который выдает графическое изображение спектра.
Виды спектров
Спектры разреженных атомных газов являются линейчатыми, т. е.
состоят из отдельных линий. В атомах могут возбуждаться только электроны, низшие электронные уровни энергии атома расположены далеко
друг от друга. Поэтому переходы между отдельными уровнями приводят к
возникновению линий в спектрах поглощения и испускания. Спектры атомов лежат в видимой и ультрафиолетовой областях шкалы электромагнитных волн.
Спектры молекул являются полосатыми, т. е. состоят из отдельных
полос. В молекулах имеются 3 вида движения: электроны движутся вокруг
ядер, ядра колеблются около положения равновесия, молекула как целое
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
может вращаться вокруг некоторой оси. Поэтому в молекуле могут возбуждаться не только электроны, но колебания и вращения ядер. Картина
уровней энергии молекулы является более сложной: в каждом электронном состоянии имеется набор колебательных состояний, а каждом колебательном – набор вращательных. В соответствии с формулой (1) частоты,
наблюдаемые в молекулярном спектре определяются по формуле
D Е D Е эл + D Е кол + D Е вращ
n=
=
,
h
h
где D Е эл , D Е кол , D Е вращ – изменение электронной, колебательной и
вращательной энергий вследствие испускания или поглощения фотона.
Известно, что D Е эл >> D Е кол >> D Е вращ .
(
)
Переходы между электронными уровнями молекул D E эл ¹ 0 обычно сопровождаются изменением колебательной и вращательной энергий.
Соответствующие спектры правильно было бы назвать электронноколебательно-вращательными, их сокращенно называют электронными.
Они лежат в видимой и УФ областях шкалы электромагнитных волн. Электронный спектр поглощения (испускания) молекулы состоит из отдельных
колебательных полос, каждая из которых представляет собой совокупность
близко расположенных вращательных линий.
Если D E эл = 0 , а D E кол ¹ 0 , получаются колебательные спектры,
наблюдаемые в близкой и средней инфракрасной области. Как правило,
при возбуждении колебаний D Е вращ ¹ 0 и при заданном D E кол получается колебательная полоса, состоящая из близко расположенных вращательных линий.
При D E эл = 0 и D E кол = 0 получаются состоящие из отдельных
линий чисто вращательные спектры, наблюдаемые в далекой ИК и микроволновой области.
Спектры накаленных твердых и жидких тел и газов при большом
давлении являются сплошными, т. е. в них отдельные спектральные цвета
непрерывно переходят один в другой.
Атомная эмиссионная спектроскопия (АЭС)
АЭС – один из старейших методов, используемых в элементном анализе. Для получения эмиссионного спектра (спектра испускания), атом переводят в возбужденное состояние, затем он возвращается в основное состояние, испуская фотоны определенной частоты в соответствии с (1), которые приводят к возникновению спектральных линий испускания. Излучение, сопровождающее переход атома из первого возбужденного состояния в основное, называется резонансным излучением. У атома может быть
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
очень много возбужденных состояний, поэтому в эмиссионных спектрах
атомов может наблюдаться много линий (до нескольких сотен и даже тысяч). Каждый атом имеет специфический набор возбужденных энергетических состояний, отличающихся от набора другого химического элемента,
поэтому каждый элемент в соответствии с формулой
DЕ
(1)
n=
h
имеет в спектре линии на частотах, свойственных только для этого элемента, на этом основан качественный элементный анализ. Линейчатые
эмиссионные спектры атомов всех химических элементов хорошо изучены. Изданы многочисленные справочники, атласы, таблицы, фотографии
таких спектров.
Эмиссионный атомный спектральный анализ обладает высокой чувствительностью. Положение линий отдельных элементов в атомных спектрах и оценка предела чувствительности (W) представлены в таблице
Таблица 2
Оптические свойства атомов химических элементов
l , нм
W, %
Элемент
l , нм
W, %
Элемент
–4
Li
670,8
10
Mn
403,1
3*10–4
Na
589,0
10–5
Fe
372,0
3*10–4
K
766,5
10–4
Co
345,4
10–4
Mg
285,2
10–4
Ni
341,5
3*10–4
(Более подробную таблицу см. [1, с. 520])
Каждая линия видимой области спектра имеет свой цвет, что позволяет открывать химические элементы визуально, используя простейшие
спектральные приборы: спектроскопы и стилоскопы. Например, линия
670,8 нм в спектре испускания лития красного цвета. Цвета линий эмиссионных атомных спектров представлены в [1, с. 521].
Атомный эмиссионный спектральный анализ широко используется
для открытия и определения металлов в растворах или твердых образцах.
В фармацевтическом анализе обычно используется возбуждение образца в
пламени (пламенная эмиссионная фотометрия). АЭС пламени используется, в основном, для открытия щелочных и щелочно-земельных элементов.
Интенсивность (I) каждой спектральной линии зависит от концентрации (c) излучаемых атомов:
I = kc,
где k – коэффициент пропорциональности.
Чем больше концентрация атомов в пробе, тем выше интенсивность линий испускания, т. е. интенсивность линии прямо пропорциональна концентрации с, на этом основан количественный анализ.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Абсорбционная спектроскопия
Абсорбционный спектральный анализ – физический метод определения количественного и качественного элементного и молекулярного состава вещества, а также их структуры по спектрам поглощения вещества.
Качественный атомный и молекулярный абсорбционный спектральный анализ, так же как и в эмиссионной спектроскопии, основан на частотном анализе спектра поглощения.
Количественный атомный и молекулярный абсорбционный спектральный анализ основаны на основном законе светопоглощения.
Основной закон светопоглощения (закон Бугéра – Лáмберта – Бера)
Основной закон светопоглощения – закон поглощения света, согласно которому интенсивность I плоской монохроматической световой волны
после прохождения слоя поглощающего вещества толщиной l (рис. 2) связана с интенсивностью I0 падающей волны соотношением
(2)
I = I 0 × 10 -e l c ,
где e – молярный десятичный коэффициент поглощения, называемый ниже молярным коэффициентом поглощения, с – молярная концентрация
частиц в светопоглощающем слое.
I , (I < I 0 )
I0
l
l
Рис. 2. Прохождение излучения через светоглощающий слой
Измерения и расчеты интенсивности светового излучения называются фотометрическими расчетами (photos – cвет, metreo – измеряю, греч.).
I
Из (2) следует
= 10 -e l c .
I0
Прологарифмируем последнее выражение:
-l g
обозначим А = - l g I ;
I0
I
=e lc,
I0
(3)
тогда
А = e lc.
(4)
Величина А называется оптической плотностью. Из последней формулы
моль
при l = 1 см; с = 1
имеем А = e . Следовательно, молярный коэффил
циент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при толщине слоя 1 см. Величина e не зависит от концентрации, но зависит от длины волны, так как поглощающие свойства одного и того же вещества для разных длин волн различны, следовательно, оптическая плотность А= Аl зависит от длины волны. Графики зависимостей
А ( l ) и e ( l ) от длины волны имеют следующий вид (рис. 3)
A(l )
e(l )
l max
l max
l , нм
l , нм
Рис. 3. Зависимость оптической плотности и молярного коэффициента
поглощения от длины волны
Таким образом, имеется длина волны l мах , на которой поглощение,
а следовательно, и εl максимальны. Анализ на этой длине волны обладает
наибольшей чувствительностью.
Молярный коэффициент поглощения является основной характеристикой поглощения системы на данной длине волны, его абсолютная величина определяется по формуле
А
el = l .
сl
Величина А º A l
безразмерная, поэтому размерность e l равна
(
)
моль - 1 × см 2 или л × моль -1 × см -1 . Обычно значение e l для соединений,
–1
2
используемых в спектрофотометрии, имеет порядок 10 2 - 105 моль см .
При постоянной длине волны падающего света для оптической плотности раствора, содержащего смесь нескольких светопоглощающих веществ, справедлив закон аддитивности оптической плотности, для п веществ имеем:
Аобщ = Аl = А1 + А2 + ... Ап = å Аn =
= e 1 l c 1+ e 2 l c 2 + ...e n l c n = åe nl cn .
Основные приемы фотометрического определения в абсорбционной
спектроскопии
1. Метод градуировочного графика. Основан на использовании уравнения (4) и построении градуировочного графика в координатах А – с. Для
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
этого при определенной длине волны измеряют оптические плотности серии эталонных растворов, а также анализируемого раствора, затем по градуировочному графику определяют концентрацию вещества сх. Обычно
градуировочные графики представляют собой прямую, идущую из начала
координат (область применимости закона Бугера – Ламберта – Бера).
В случае отклонений от закона прямолинейная зависимость искажается
(область концентраций, больших С1, рис. 4):
АA
АA
х x
cx
С
c1
С1
c
С
Рис. 4. Градуировочный график в спектрофотометрии
В этой области тоже можно использовать калибровочный график,
только число точек, по которым строится график, в этой области должно
быть увеличено. Причиной отклонения от основного закона светопоглощения в этой области является влияние рассеянного света. Рассеянный
свет – это постороннее излучение, возникающее в оптической системе
вследствие отражения и рассеяния света от поверхностей линз, зеркал и
других оптических деталей, приводящее к уменьшению оптической плотности по сравнению со случаем отсутствия рассеянного света. Основные
ограничения метода связаны с трудностями приготовления эталонных растворов и учетом влияния так называемых третьих компонентов, т. е. компонентов которые находятся в пробе, сами не определяются, но на результат влияют.
2. Метод молярного коэффициента поглощения. Если заранее известна средняя величина e l , определенная для нескольких стандартных
растворов в совершенно идентичных условиях, то, зная толщину слоя кюветы, можно из (4) рассчитать концентрацию по формуле
сх =
Аl
.
el l
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ограничением метода является обязательное подчинение системы в
исследуемом интервале концентраций закону Бугера – Ламберта – Бера.
3. Метод добавок. Этот метод применяют при анализе растворов
сложного состава, т. к. он автоматически позволяет учесть влияние третьих
компонентов. Сначала определяют оптическую плотность Ах анализируемого раствора с концентрацией сх. Затем в анализируемый раствор добавляют известное количество определяемого компонента (сст) и вновь измеряют оптическую плотность Ах+ст. Из (4) следует, что
Ах = e l c х ,
(
)
Ах + ст = e l c х + сст .
Разделив одно уравнение на другое, получим
Ах
сх
=
Ах + ст cх + сст ,
отсюда
сх =
Ах
сст .
(5)
Ах + ст - Ах
Концентрацию анализируемого вещества в методе добавок можно найти также по графику в координатах Ах+ст – сст. При этом готовят 3 раствора:
сх
Аx
сх+с1
А1
сх+с2
А2
Затем строят график, по оси абсцисс откладывают концентрации с1 и с2, а по
оси ординат – оптические плотности А1 и А2 и проводят через них прямую
Неизвестную концентрацию находят по отрезку, отсекаемому на отрицательной части шкалы абсцисс.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АA
АA
2 2
А1A1
сcх x
с1c1
c
с
сc2 2
Рис. 5. Определение концентрации методом добавок
4. Определение смеси светопоглощающих веществ. Спектрофотометрический метод позволяет определить несколько светопоглощающих
веществ в одном растворе в случае перекрывания спектральных полос компонентов раствора без предварительного разделения. Рассмотрим частный
случай – анализ двух веществ А и В. Согласно закону аддитивности имеем
ì
ï А =l
ïï l1
í
ï
ï Аl 2 = l
ïî
(e
(e
А, l 1
c А+ e
А, l 2
c А+ e В,
В, l1
l2
cВ
cВ
).
)
Решение этой системы для сА и сВ дает
сА =
сB =
Аl 1e В , l 2 - Аl 2e B , l 1
e А, l 1 e
В, l 2
-e
А, l 2
e
В, l 2
-e
А, l 2
e
1
,
l
×
1
.
l
B , l1
Аl 2e A, l 1 - Аl 1e A , l 2
e А,l1 e
×
B , l1
Метод дифференциальной спектрофотометрии. При анализе методом абсорбционной спектроскопии из поглощения раствора с анализируемым веществом нужно вычесть поглощение растворителя. При этом шкала
спектрофотометра устанавливается так, что поглощению растворителя соответствует нуль, и спектрофотометр показывает поглощение, обусловленное растворенным веществом. При таком подходе растворитель называется нулевым раствором. Суть дифференциальной спектрофотометрии
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
состоит в том, что в качестве нулевого раствора используют раствор определяемого вещества с известной концентрацией.
I0
I0
ccp
cx
Icp
Ix
Если в качестве 0 прибора выбрано поглощение эталонного раствора
с известной концентрацией сср, то светопоглощение, показываемое спектрофотометром, отсчитываемое от Аср, будет равно
Ax' = Ах - Аср = e с x l - e сcp l ,
отсюда
cx =
Ax' + e сcp l
e l
Ax'
=
+ сcp = Ax' F + сcp .
e l
1
называется фактором пересчета.
lc
Данный метод позволяет повысить точность измерений для сильнопоглощающих (сх велико) и слабопоглощающих (сх мало) растворов.
В случае сильнопоглощающих растворов имеет место отклонение от закона Бугера – Ламберта – Бера, поэтому в качестве длины волны обязательно
выбирают l мах , для которой чувствительность максимальна. l мах может
быть определена из предварительного фотометрирования серии стандартных растворов.
Закон Бугера – Ламберта – Бера (ЗБЛБ) выполняется, если
1) внешнее излучение монохроматично;
2) на кювету с анализируемым веществом падает параллельный пучок света;
3) нет инструментальных ошибок, наиболее часто появляющихся
для сильнопоглощающих (сх велико) и слабопоглощающих (сх мало) растворов;
4) можно пренебречь зависимостью e от коэффициента преломления среды;
5) соблюдено постоянство температуры при измерениях;
6) нет сдвигов физического или химического равновесия под влиянием различных факторов (температуры, ионной силы, рН и др.), что может привести к изменению концентрации веществ, входящих в состав анализируемого раствора.
В противных случаях возможны отклонения от ЗБЛБ.
Здесь F =
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оптимальные условия фотометрического определения
1. Выбор аналитической длины волны. Аналитическая длина волны
– это длина волны, на которой проводят измерение. Для ее выбора сначала
получают спектр поглощения раствора определяемого вещества в возможно более широком спектральном диапазоне и измеряют длину волны максимума самой интенсивной полосы поглощения. При этой длине волны
проводят последующие измерения.
2. Выбор толщины поглощающего слоя. Из основного закона светопоглощения следует, что чем больше толщина слоя l, тем больше оптическая плотность, и, следовательно, чувствительность определения. Однако
при увеличении l возрастают потери на рассеяние света. Кюветы с толщиной слоя больше, чем 5 см для фотометрирования не применяются.
3. Оптическая плотность. Фотометрические измерения целесообразно проводить в интервале оптической плотности А от 0,2 до 0,6, т.к. при
этом систематическая ошибка фотометрических измерений наименьшая.
Минимальная систематическая ошибка получается при А = 0,434. Исходя
из этого концентрацию и толщину поглощающего слоя выбирают так, чтобы А лежало в пределах 0,2 до 0,6. При А = 0,434 и l = 1 см концентрация
равна
0, 434
= ( при e = 103 л × см -1 × моль -1 ) = 4,35 × 10 -4 Моль / л
с= А =
el
e
При невозможности соблюдения указанного интервала А анализ можно
вести при 0,03 < А < 2 . В противных случаях имеет место большая погрешность.
4. Чувствительность метода. Чувствительность фотометрического
анализа определяют по формуле
А
с мин = мин ,
el
где Aмин – цена деления прибора, определяющего оптическую плотность.
Например, если
с мин =
Aмин = 0,03, e = 103 л × см -1 × моль -1 ,
0, 03
= 3× 10-5 Моль / л.
3
10 × 1
16
l = 1 cм , то
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задачи и вопросы
1. В таблице приведены длины волн некоторых линий металлов в
эмиссионных атомных спектрах
Элемент
Li
Na
K
Mg
l , нм
670,8
589,0
766,5
285,2
l , нм
403,1
372,0
345,4
341,5
Элемент
Mn
Fe
Co
Ni
Определите частоты этих линий, их волновые числа, соответствующую энергию фотона и область шкалы электромагнитных волн, в которой
находится линия. По табл. 20.3 [1] определите имеет ли линия цвет.
Решение
Частоту фотона определим по формуле
с
n= ,
l
м
где c = 3 × 10 8
– скорость света.
c
Волновое число определим по формуле
1
n~ = .
l
Энергию фотона определим по формуле Планка
e = hn ,
где
h = 6 ,62 × 10 - 34 Дж × с – постоянная Планка.
Для атома лития по формуле (6) получаем
n Li =
3 × 10 8
1
.
c
м = 10-7 см. получаем
= 4 ,48 × 1014
670 × 10 - 9
-9
По формуле (7), учитывая, что 1 нм = 10
1
1
-1
-1
n% = =
=
149075,7
м
=
1490,8см
.
l 670,8 × 10 -9
По формуле (8) получаем
e Li = hn Li = 6 ,62 × 10 - 34 × 4 ,48 × 10 14 = 2 ,97 × 10 -19 Дж .
17
(6)
(7)
(8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По шкале электромагнитных волн определяем, что данная линия лежит в видимой области шкалы электромагнитных волн. По таблице 20.3 [1]
определяем, что линия имеет красный цвет.
2. Представьте шкалу электромагнитных волн в виде таблицы по интервалам частот.
3. Какие элементы определяют с использованием метода фотометрии
пламени (эмиссионный вариант), каков предел их обнаружения с использованием данного метода?
4. Оптическая плотность раствора этилацетата в сероуглероде для
волнового числа 3000 см -1 равна 0,5. Определите величину пропускания
раствора для данного волнового числа.
Решение
Величина оптической плотности определяется по формуле
I
А = -l g ;
(9)
I0
где I , I 0 – интенсивности прошедшего и падающего света, соответственно.
Пропускание определяется по формуле
I
T = 100 % .
(10)
I0
Из формулы (9) получаем
I
= 10- A ,
I0
следовательно,
T = 10 - A 100 % =10 - 0, 5 100 % » 31, 6 % .
5. Зависимость пропускания раствора этилацетата в сероуглероде от
волнового числа представлена таблицей 3.
Таблица 3
-1
~
n , см
960
1000
1040
1080
1120
1160
1200
Т, %
98
70
56
52
55
57
50
А
0,009
Спектр данного раствора в координатах пропускание – волновое число представлен на рис. 6.
Определить оптическую плотность для всех волновых чисел, представленных в таблице, и изобразить спектр в координатах оптическая
плотность – волновое число.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Зависимость пропускания раствора этилацетата в сероуглероде
от волнового числа
Решение (для n~ =960 см -1 )
Используем формулу A = - lg T . Величину пропускания предварительно выразим десятичной дробью:
T = 98 % = 0,98 ,
получаем A = - lg 0 ,98 » 0 ,009 .
Данные заносим в табл. 3.
На координатной плоскости строим точки A (n~ ) и соединяем их
плавной линией. Сравните вид спектра в координатах пропускание – волновое число и в координатах оптическая плотность – волновое число.
6. Оптическая плотность в спектре паров бензола для длины волны
260 нм равна 0,5. При снятии спектра использовалась кювета длиной
0,8 см. Определите концентрацию бензола в пробе, если молярный коэфл
.
фициент поглощения бензола на этой длине волны равен 200
моль × см
Решение
Используем основной закон светопоглощения
А=e l c,
отсюда получаем
c=
А
=
e l 200
0, 5
моль
» 0, 0031
.
л
л
0, 8 cм
моль см
19
(4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Используя основной закон светопоглощения, рассчитайте оптическую плотность и пропускание в спектре паров бензола для длины волны
моль
, толщина
200 нм, если концентрация бензола в пробе равна 0,0031
л
кюветы 0,8 см, молярный коэффициент поглощения бензола на этой длине
л
волны равен 7000
.
моль × см
8. Используя основной закон светопоглощения, рассчитайте толщину
кюветы, использованной для снятия спектра поглощения паров бензола,
если оптическая плотность в спектре поглощения паров бензола для длины
волны 260 нм равна 0,9; молярный коэффициент поглощения бензола на
л
.
этой длине волны равен 200
моль × см
9. В четыреххлористом углероде растворена смесь н-гексана и
н-гептана. Значения молярных коэффициентов поглощения для длин волн
l 1 и l 2 н-гексана в CCl4 и н-гептана в CCl4 приведены в таблице 4. Оптические плотности максимумов полос С-Н колебаний метильной группы
в ИК спектре смеси также приведены в таблице 4. Определить концентрацию н-гексана и н-гептана в пробе, если для снятия спектра использовалась кювета толщиной 1 см.
Таблица 4
Молярные коэффициенты поглощения и оптические плотности полос С-Н
колебаний метильной группы н-гексана и н-гептана при длин волн l1 , l2
l1 *
l2 *
Углеводород
л
моль × см
л
Н-гептан, e 2 ,
моль × см
А
Н-гексан, e1 ,
288
142
296
148
0,89
0,44
Решение
Обозначим cl и c2 – концентрации н-гексана и н-гептана в смеси.
Используем закон аддитивности оптической плотности:
ì e l c +e l c = A
ïï 1, l1 1 2, l1 2
l1
í
ï e1, l 2 l c + e 2, l 2 l c = A .
1
2
l2
îï
*l1 - валентные ассиметричные С-Н колебания
*l2 - валентные симметричные С-Н колебания
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из таблицы определяем оптические плотности и молярные коэффициенты поглощения для длин волн l 1 и l 2 :
e1,l1 = 288
л
;
моль × см
л
e 2,l1 = 296 л ; e 2,l 2 = 148
;
моль × см
моль × см
A l 1 = 0,89; A l 2 = 0,44;
e1,l 2 = 142
л
;
моль × см
Для определения cl и c2 получаем систему
ìï288 × 1 × c 1 + 296 × 1 × c 2 = 0 ,89
.
í
142
×
1
×
c
+
148
×
1
×
c
=
0
,
44
ïî
1
2
Решая эту систему получаем
моль
моль
c 1 = 0 ,002
; c 2 = 0 ,001
.
л
л
10. Значения молярных коэффициентов поглощения характеристических полос С – Н колебаний олефинов и оптические плотности максимумов соответствующих полос в ИК спектре смеси приведены в табл. 5. Определить концентрацию бутена-1 и гексена-1 в пробе, если для снятия
спектра использовалась кювета толщиной 1 см.
Таблица 5
Молярные коэффициенты поглощения бутена-1 и гексена-1 при длинах
волн l1 и l2
л
л
e (l 2 )
Углеводород e (l1 )
моль × см
моль × см
Бутен-1 ,
26
24
Гексен-1,
34
42
0,56
0,57
А
Ответ: с1 = 0,015 моль/л; с2 = 0,005 моль/л.
11. В спектральном анализе концентрацию часто выражают в граммах вещества, содержащегося в 100 мл раствора. Как связана молярная
концентрация с концентрацией, выраженной граммами растворенного вещества, содержащегося в 100 мл раствора?
Решение
Обозначим: с – молярная концентрация, W – масса (в г.) растворенного
вещества, содержащегося в 100 мл раствора. По определению молярной концентрации имеем, что в 1 литре раствора содержится «с» молей растворенно21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
го вещества. Масса 1 моля вещества по определению равна молярной массе
вещества М, масса «с» молей – следовательно, равна сМ. Таким образом, если
молярная концентрация вещества равна «с», то в 1 литре раствора содержится сМ граммов растворенного вещества (если М выражено в граммах на
моль). Но 100 мл в 10 раз меньше, чем 1 литр. Поэтому в 100 мл содержится
c
c×M
граммов.
молей растворенного вещества, или
10
10
ö
c×M æ
г
çç
÷.
Следовательно, W =
10 è 100 мл ÷ø
12. В табл. 6 даны молярные концентрации некоторых веществ в водных растворах. Определите для представленных веществ концентрацию W,
выражающую число граммов растворенного вещества, содержащегося в
100 мл раствора.
Таблица 6
Вещество
c,
NaCl
BaSO4
моль
л
KNO3
10 -5
0,1
CH3OH
0,005
2,3
Решение (для NaCl)
ö
c×M æ
г
çç
÷ , где М –
10 è 100 мл ÷ø
молярная масса вещества. Результаты расчета по этой формуле заносим в
табл. 7
Согласно данным предыдущей задачи W =
Таблица 7
Вещество
Молярная
ция,
c,
NaCl
концентра-
масса
KNO3
0,005
CH3OH
2,3
M,
58
г
моль
c×M
W=
10
10 - 5
0,1
моль
л
Молярная
BaSO4
æ
г
çç
è 100 мл
ö
÷÷
ø
0,1 × 58
= 0,58
10
13. Что такое удельный коэффициент поглощения?
Решение
Удельный коэффициент поглощения – это коэффициент, заменяющий молярный коэффициент поглощения e в основном законе светопо22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
глощения в случае, если концентрацию вещества выразить массой (в г.)
вещества, содержащегося в 100 мл раствора, т. е. как W. Основной закон
светопоглощения имеет вид
А=e l c,
(4)
где с – молярная концентрация. Концентрацию часто выражают массой
(в г.) вещества, содержащегося в 100 мл раствора, т. е. как W (cм. задачу
12).
Оптическая плотность А – безразмерная величина, ее значение не зависит от способа выражения концентрации. Толщина кюветы также не зависит от того, как мы выразили концентрацию. Чтобы значение А не изменилось при изменении способа выражения концентрации, т. е. при переходе от с к W, вместо e в (4) должна стоять другая характеристика поглощающей способности вещества. В этом случае основной закон светопоглощения принимает вид
А= E lW
,
(11)
где Е называется удельным показателем (коэффициентом) поглощения. Он
численно равен оптической плотности раствора с концентрацией
г
W =1
при длине поглощающего слоя l = 1 cм (сравните молярный
100 мл
коэффициент поглощения e равен оптической плотности одномолярного
раствора при толщине слоя 1 см).
14. Как связаны между собой молярный и удельный коэффициенты
поглощения?
Решение
Запишем основной закон светопоглощения для двух случаев: 1) концентрация вещества в светопоглощающем слое выражена в моль/л и
2) концентрация, выражена массой (в г.) растворенного вещества, содержащегося в 100 мл раствора:
1. А = e l c ,
2. А = E l W (см. задачи 11–13),
где с, моль/л. – молярная концентрация анализируемого вещества,
W,
г
– концентрация анализируемого вещества, выраженная граммами
100 мл
растворенного вещества, содержащегося в 100 мл раствора, e – молярный
коэффициент поглощения, Е, л -1 моль см-1– удельный коэффициент поглощения, А – оптическая плотность, l – толщина кюветы.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поскольку оптическая плотность для случая 1 и случая 2 характеризует один и тот же образец, то левые части представленных выражений
одинаковы, следовательно, одинаковы и правые части:
E l W =e lc,
отсюда
E=
ec
EW
и e=
.
W
c
W=
c×M
10
В задаче 11 показано, что
æ
г
çç
è 100 мл
ö
÷÷
ø.
Следовательно,
e=
E W E cM E M
= ×
=
c
c 10
10
или E =
10 e
,
M
отсюда размерность Е
[
e ] л моль -1 см -1
[ Е ]=
=
= л × см -1 × г -1 .
г
[М ]
моль
15. Удельный коэффициент поглощения стандартного раствора дихромата калия при разных длинах волн l представлен в табл. 8.
Таблица 8
l , нм
Е, л × см - 1 × г -1
e , л моль-1 см -1
235
124,5
3660,3
257
144,5
313
48,6
350
107,3
Определите молярный коэффициент поглощения для этих длин волн.
Решение (для l = 235 нм)
Молярный коэффициент поглощения рассчитаем по формуле
EM
e=
,
10
где М – молярная масса К 2 Cr2 O7 , M = 39 × 2 + 52 × 2 + 16 × 7 = 294
получаем
24
г
,
моль
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
e=
124 ,5 л × см -1 × г -1 × 294
г
моль = 3660,3 л × см -1 × моль -1
10
Данные расчета заносим в табл. 8.
16. Молярный коэффициент поглощения стандартного раствора хромата калия при разных длинах волн l представлен в табл. 9.
Таблица 9
l , нм
л моль-1 см -1
2570
3160
3290
2086
927
498
e,
254
265
280
289
297
303
Е, л × см - 1 × г -1
Определите удельный коэффициент поглощения коэффициент поглощения для этих длин волн. Результаты расчета представьте в табл. 9.
17. Рассчитайте средний молярный коэффициент поглощения e
для кислых водных растворов перманганата калия K Mn O4 при длине волны
l = 528 нм по следующим значениям молярной концентрации с и оптической плотности А растворов, если толщина кюветы равна 1 см (табл. 10):
Таблица 10
Зависимость оптической плотности от концентрации перманганата
калия в растворе
с,
1,0 × 10 - 4 1,5 × 10 - 4 2 ,0 × 10 - 4 2 ,5 × 10 - 4 3 ,0 × 10 - 4 3 ,5 × 10 - 4
моль/л
А
0,24
0,36
0,48
0,60
0,72
0,84
Решение
Средний молярный коэффициент поглощения e определим по формуле
å ei
e =
n
,
(12)
A
ei = i
(13)
l ci
– молярный коэффициент поглощения, измеренный в i-ом эксперименте,
n – число измерений. В нашем случае проведено 6 измерений, следовательно, n = 6 .
где
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подставляя (13) в (12), получаем
e =
å
Ai
æ
ö
1 ç 0, 24 0,36 0, 48 0, 60 0, 72 0,84÷
ç
÷
l ci
Ai
1
=
+
+
+
+
+
=
=
= 6 × 1ç 1, 0
1,5
2, 0 2,5
3, 0
3,5 ÷ 10 -4
å
è
ø
n
nl
ci
= 2400 л × моль-1 × см -1
18. Рассчитайте средний удельный коэффициент поглощения E
сальсолина гидрохлорида при длине волны l = 282 нм по приведенным
значениям концентрации W и оптической плотности А растворов
(табл. 11), если толщина кюветы равна 1 см. Проведите статистическую
обработку результатов при доверительной вероятности Р = 0,95.
Таблица 11
Зависимость оптической плотности от концентрации сальсолина
гидрохлорида в растворе
10
20
30
40
50
60
W,мкг/мл
А
0,135
0,270
0,405
0,539
0,676
0,811
Решение
По приведенным данным рассчитываем удельный коэффициент поглощения для каждого измерения. Выразим концентрацию раствора в
г
: 1 мкг = 10 -6 г , в 100 мл содержится в 100 раз больше вещества,
100 мл
чем в 1 мл, поэтому
мкг
г
1
= 10 -6 × 100 = 10 - 4
,
мл
100 мл
A
0,135
0,135
0, 135
Ei = i =
=
=
л × см -1 × г -1 =
-3
г
Wi l 10 мкг × 1 см 10× 10 -4
10
× 1 см
мл
100 мл
= 135 л × см -1 × г -1 (для первого измерения ).
Аналогично рассчитываем удельные коэффициенты поглощения для
остальных измерений: E 2 , E 3 , E 4 , E 5 , E6 . Средний удельный коэффициент поглощения E рассчитаем по формуле
6
å E
i
E = i =1
= 135 ,03 (вычислить самостоятельно).
6
Для проведения статистической обработки рассчитаем величины
случайных отколонений i-го удельного коэффициента поглощения от
среднего значения, например, для i = 1 получаем
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
d i = E i - E = (для i = 1 ) = 135 - 135, 03 = -0, 03.
Для i = 2, 3, 4, 5, 6 рассчитать самостоятельно.
Рассчитываем дисперсию, показывающую рассеяние результатов отдельных удельных коэффициентов поглощения около среднего значения и
характеризующую воспроизводимость анализа:
n
D=
åd
i =1
2
i
n -1
6
=
åd
i =1
6
2
i
=
6 -1
åd
i =1
2
i
5
(рассчитать самостоятельно).
Стандартное отклонение рассчитываем по формуле
s=
D.
(14)
Рассчитаем доверительный интервал – интервал, в котором с заданной доверительной вероятностью Р находится действительное значение
удельного коэффициента поглощения:
E ±DE ,
(15)
D E – полуширина доверительного интервала, которая определяется по
формуле
s
D E =t P, f
,
(16)
n
где t P , f – коэффициент Стьюдента, который зависит от доверительной
вероятности Р и числа степеней свободы f = n–1.
По данным задачи Р = 0,95; n = 6, f = 5.
Значение t P , f находим по таблице 1.1 [2, стр. 15]:
t P , f = t 0.95,5 = 2,57 .
Формула (15) принимает вид:
D E = 2 ,57
s
.
5
Подставляя в эту формулу вычисленное значение s (формула (14))
определяем полуширину доверительного интервала D E и доверительный
интервал (15) при доверительной вероятности Р = 0,95.
19. Из навески массой 0,2500 г порошка растертых таблеток препарата метандростенолона (декларируемое содержание метандростенолона в
одной таблетке составляет 0,9 – 1,1 мг) приготовили сернокислый раствор
объемом VХ = 25 мл и измерили его оптическую плотность АХ на некоторой длине волны. В той же кювете измерили оптическую плотность АСТ
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сернокислого стандартного раствора чистого метандростенолона с концентрацией 0,0001 г/мл для той же длины волны. Рассчитайте содержание метандростенолона в мг в одной таблетке, если масса таблетки составляет
AX
= 0 ,9980 .
0,1000 г, а найденное отношение оптических плотностей
ACT
Отвечает ли рассчитанное содержание метандростенолона декларируемому?
Решение
Запишем основной закон светопоглощения для анализируемого и
стандарного растворов:
AX = e c X l
и
ACT = e c CT l ,
где e – молярный коэффициент поглощения метандростенолона, l – толщина кюветы, c X , c CT – молярные концентрации метандростенолона в
исследуемом препарате и в стандартном растворе.
Разделим левые и правые части этих выражений друг на друга:
AX
c
= X ,
ACT c CT
отсюда молярная концентрация метандростенолона в исследуемом препарате равна
A
c X = X c CT .
(17)
ACT
По условию концентрация стандарта составляет 0,0001 г/мл, исходя из которой рассчитываем молярную концентрацию сСТ : 0,0001 г составляет
0 ,0001
молей, где М – молярная масса метандростенолона. Такое число
M
молей содержится в 1 мл раствора, в 1 л количество метандростенолона в
1000 раз больше, следовательно, молярная концентрация стандарта равна:
0, 0001× 1000 0,1 æç мольö÷
cCT =
=
, ç
÷
(18)
ç л ÷ .
M
М
è
ø
В анализируемом препарате метандростенолона, растворенном в VX = 25 мл =
= 0, 025 л сернокислого раствора содержится n = c X V X молей метандростенолона, масса которых составляет
m X =n M = c X V X M .
Подставим в (19) выражения (17) и (18):
28
(19)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
mX =
AX
ACT
cCT V X M =
= 0,1× 0,025 ×
AX
AX
ACT
×
A
0,1
× V X M = 0,1× V X × X =
М
ACT
= 0,0025 ×
AX
= 0,0025 × 0,9980 г.
ACT
ACT
Масса одной таблетки по условию составляет 0,1000 г, масса всей навески растертых таблеток равна 0,2500 г, отсюда число растертых таблеток:
n=
0,2500
= 2,5 .
0,1000
Содержание метандростенолона на 1 таблетку:
m=
mX
n
=
0,0025 × 0,9980
= 0,000998 г » 1 мг ,
2,5
что соответствует декларируемому содержанию.
20. Из анализируемого раствора объемом V X = 100 мл , содержащего
окрашенный комплекс никеля с диметилглиоксимом, отобрали пробу и
измерили ее оптическую плотность АХ = 0,655 в кювете с толщиной поглощающего слоя l = 1 см при длине волны l = 470 нм . Приготовили
5 эталонных растворов, содержащих тот же комплекс никеля и измерили
оптическую плотность А этих растворов в той же кювете при той же длине
волны. Полученные экспериментальные данные представлены в табл. 12:
Таблица 12
Зависимость оптической плотности от концентрации
диметилглиоксимата никеля в стандартных растворах
С, мкг/мл 0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
А
0,182
0,364
0,546
0,728
0,910
Требуется построить градуировочный график по полученным результатам для эталонных растворов и с использованием этого графика определить концентрацию сХ и массу mX никеля в анализируемом растворе.
21. Что является аналитическим сигналом в качественном и количественном спектральном анализе?
22. Перечислите волновые и корпускулярные характеристики электромагнитного излучения.
23. По каким признакам классифицируются спектральные методы
анализа?
24. Почему атомные спектры называются линейчатыми?
25. Какие линии называются «последними» спектральными линиями?
26. Назовите основные причины отклонения градуировочных графиков от линейной зависимости в АЭС.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27. В чем сходство и различие АЭС и ААС? Какой из этих методов
целесообразно использовать для качественного анализа и почему? Какую
роль выполняет атомизатор в АЭС и ААС?
28. Почему в ААС к источнику внешнего излучения предъявляется
требование высокой монохроматичности?
29. Какие элементы открывают с помощью ААС, АЭС? Какой из
этих методов обладает большей чувствительностью? Какие пределы обнаружения элементов в ААС, АЭС?
30. Какие основные узлы спектральных приборов Вы знаете?
31. Сформулируйте основной закон светопоглощения.
32. Перечислите причины отклонения от основного закона светопоглощения.
33. Назовите основные причины отклонения градуировочных графиков от линейной зависимости в абсорбционной спектроскопии.
34. Как рассчитать минимально определяемую концентрацию вещества?
35. Что такое аналитическая длина волны? При каких значениях оптической плотности систематическая ошибка измерений будет наименьшей? Кюветы какой толщины применяются в абсорбционном спектральном анализе?
36. В чем сущность дифференциальной спектрофотометрии, когда
она применяется?
37. Назовите характерные значения молярных коэффициентов поглощения.
38. Как экспериментально определить молярный коэффициент поглощения?
39. Назовите основные характеристики полос поглощения молекулярных спектров.
40. На основании какого закона производится анализ смеси веществ?
41. Каково взаимное расположение спектров поглощения в координатах оптическая плотность – длина волны и пропускание – длина волны ?
42. Что такое хромофоры, ауксохромы, батохромное, гипсохромное
смещение?
43. Почему молекулярные электронные спектры поглощения для целей количественного анализа используются реже, чем колебательные?
44. Почему анализ сложных молекул чаще проводят по спектрам поглощения, а не по спектрам испускания?
45. Как по ИК спектрам поглощения молекул проводят структурный,
структурно-групповой анализ?
46. Какие требования предъявляются к растворителям при проведении спектрального анализа? Какие растворители применяют при анализе
по ИК, УФ спектрам?
47. Почему при анализе по УФ спектрам не применяют в качестве
растворителей бензол и ацетон?
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48. Почему при снятии ИК спектров веществ в качестве растворителя
не применяют воду?
49. Какова методика приготовления твердого, жидкого, газообразного образцов для получения их ИК спектров?
50. Перечислите основные приемы анализа в колориметрии.
51. Чем отличаются фотоэлектроколориметрия и спектрофотометрия?
52. В чем состоит основное отличие оптических схем одно- и двулучевых спектральных приборов?
53. Какие спектральные методы используются для обнаружения в
лекарственных препаратах свинца, ртути, натрия, калия, железа, меди,
магния, кальция?
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторные работы
Работа 1
ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ МЕДИ (II)
В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Цель работы: количественное определение меди (II) методом молекулярной абсорбционной спектроскопии (фотоколориметрия).
Этапы работы
1. Приготовление стандартного раствора соли меди.
2. Приготовление эталонных растворов аммиачного комплексного соединения меди.
3. Расчет концентрации приготовленных растворов меди (II).
4. Определение аналитической длины волны ( l max ).
5. Расчет удельного или молярного коэффициентов поглощения при
l = lmax .
6. Построение градуировочного графика при l = lmax .
7. Приготовление и фотометрирование контрольного раствора при
l = lmax .
8. Определение концентрации меди в контрольном растворе по градуировочному графику.
Аппаратура, материалы и реактивы
1. Фотоэлектроколориметр КФК-2, кюветы с толщиной поглощающего
слоя 50 мм.
2. Пипетки, градуированные на 10 мл или бюретки на 25 мл.
3. Мерный цилиндр емкостью 10 мл.
4. Мерные колбы на 50.00 мл – 6 шт.
5. Стандартный раствор соли CuSO 4 × 5H 2O, с концентрацией
с(Сu2+) = 1мг/мл.
6. Аммиак разбавленный (1:1).
Сущность работы
Для определения меди (II) в водном растворе ее соли предварительно
проводят реакцию комплексообразования ионов меди с аммиаком, в результате которой образуются аммиакаты меди, обладающие интенсивной сине-фиолетовой окраской. Процесс взаимодействия ионов меди с
аммиаком носит ступенчатый характер:
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
é
Cu 2+ + NH 3 « êê Cu NH 3
êë
é
Cu 2+ + 2 NH 3 « êê Cu NH 3
êë
ù
ú
ú
úû
)
(
(
é
Cu 2+ + 3NH 3 « êê Cu NH 3
êë
(
)
)
ù
ú
ú
2ú
û
ù
ú
ú
3ú
û
2+
,
2+
,
2+
,
2+
é
ù
Cu 2+ + 4NH 3 « êê Cu NH 3 úú .
4ú
êë
û
Устойчивость данных комплексов отличается характеризуется следующими константами устойчивости:
lg b1 = 3,99; lg b 2 = 7,33; lg b 3 = 10,16; lg b 4 = 12,03.
В растворе может находиться смесь аммиакатов меди, количественное соотношение которых зависит от концентрации аммиака. Для аналитических целей выбираем 0,1M аммиака, при этом в растворе будет преобла-
(
2+
)
é
ù
дать комплекс êê Cu NH3 úú . Молярный коэффициент поглощения ( e )
4ú
êë
û
2+
é
ù
2
тетрааммиаката меди êê Cu NH3 úú при l = 590 - 610 нм равен 1, 0 × 10 .
4ú
êë
û
Низкое значение e определяет малую чувствительность метода и поэтому
на практике он используется главным образом, для определения больших
количеств меди дифференциальным методом (стр. 12), когда раствор сравнения содержит определенное точно известное количество ионов меди в
виде аммиаката. Определению аммиаката мешают ионы металла, образующие окрашенные аммиакаты, например кобальт и никель, или труднорастворимые гидроксиды свинца, алюминия. Для устранения мешающего
действия элементов применяют маскирующие комплексообразователи.
В настоящей работе для определения ионов меди используется метод градуировочного графика. Перед его построением определяют аналитическую
длину волны l max , соответствующую максимальному поглощению раствора аммиаката меди. Затем при этой длине волны строят градуировочный
график и с его помощью определяют содержание меди в растворе с неизвестной концентрацией меди.
(
)
(
)
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выполнение работы
1. Приготовление стандартного раствора соли меди. Навеску
3,9294 г CuSO 4 × 5H 2O растворяют в 600–700 мл дистиллированной воды
в мерной колбе на 1000 мл, добавляют 5 мл концентрированной H 2SO 4 и
тщательно перемешивают. После растворения вещества объем раствора
доводят дистиллированной водой до метки. В 1 мл приготовленного раствора будет содержаться 1 мг ионов меди (II).
2. Приготовление градуировочных растворов аммиачного комплексного соединения меди. Приготавливают пять эталонных растворов, отбирая стандартный раствор при помощи бюретки или градуированной пипетки. Для этого отбирают в каждую колбу на 50.00 мл соответственно 2.00,
4.00, 6.00, 8.00, 10.00 мл стандартного раствора меди с концентрацией меди 1 мг/мл. Прибавляют 10 мл раствора аммиака (1:1), доводят дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают. При этом образуются аммиакаты меди, обладающие интенсивной сине-фиолетовой окраской.
3. Расчет концентрации приготовленных растворов меди (II). Расчет концентрации проводят по закону эквивалентов с использованием следующего выражения:
W 0V 0 = W
р -р а
V р -р а
или
W
i
р -р а
=
W 0V 0
,
V i р -р а
где W0 – концентрация стандартного раствора (1 мг/мл), V0 – объем раствора, взятого для приготовления i-го градуировочного раствора; W
i
р -р а
i
и V р - р а – концентрация (в мг/мл) и объем (в мл) градуировочных растворов соответственно.
Расчет молярной концентрации проводим по формуле (см. задачу 11):
W × 10
c=
( моль / л).
M
Результаты расчетов заносим в таблицу 13.
4. Определение аналитической длины волны ( l max ). Для проведения количественного определения содержания ионов меди в растворе необходимо знание качественных параметров анализируемых растворов. Если концентрация вещества характеризует его количественное содержание,
то положение максимума поглощения при определенной длине волны является качественной характеристикой данного вещества.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для определения положения максимума поглощения ( l max ) один из
приготовленных растворов (по указанию преподавателя) фотометрируют
при длинах волн : 490, 540, 590, 670, 750 нм. Строят график в координатах
оптическая плотность – длина волны ( A - l ) . По графику определяют
l max (соответствует максимальной оптической плотности), при которой
затем строят градуировочный график.
5. Расчет удельного или молярного коэффициентов поглощения при
l = lmax . Качественной величиной, характеризующей оптические свойства
растворов при данной длине волны являются молярный (e, л моль–1 см–1) и
удельный (E, л см–1 г–1) коэффициенты поглощения. Расчет указанных характеристик растворов проводят при l max по формулам (4) и (11):
А=e l c,
А= E lW ,
E=
(4)
(11)
EW
A
и e=
.
W
c
6. Построение градуировочного графика. Через 5–7 минут после
приготовления растворов измеряют их оптическую плотность при длине
волны l max в кювете толщиной слоя l = 50 мм . Полученные данные записывают в таблицу 13.
№ пробы
1
2
3
4
5
Контрольная
проба
Объем стандартного раствора в эталоне, мл
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
W
Cu
,
2+
мг
мл
c
Cu 2+
,
моль
л
Таблица 13
А
при l max
7. Приготовление и фотометрирование контрольного раствора при
l = lmax . Контрольный раствор, полученный у преподавателя, помещают
в мерную колбу емкостью 50.00 мл, прибавляют 10 мл раствора аммиака
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(1:1) и доводят водой до метки, тщательно перемешивают и измеряют оптическую плотность при l max .
8. Определение концентрации меди в контрольном растворе по градуировочному графику. По градуировочному графику определяют концентрацию меди в растворе. Расчет массы меди в контрольной пробе (в мг)
проводят по формуле
m( мг ) = c ( мг / мл) × V ( мл),
где с – концентрация раствора меди (II), определенная по градуировочному
графику, мг/мл; V – объем мерной колбы, мл.
Работа 2
ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЖЕЛЕЗА (III)
В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Цель работы: количественное определение концентрации и массы
железа (III) в водном растворе соли железа методом молекулярной абсорбционной спектроскопии (фотоколориметрии).
Этапы работы
1. Приготовление стандартного раствора соли железа (III) с концентрацией 0.1 мг/мл.
2. Приготовление эталонных растворов комплексных соединений
железа (III) с роданид-ионом.
3. Определение аналитической длины волны ( l max ) .
4. Построение градуировочного графика при l = lmax .
5. Фотометрирование контрольного раствора при l = lmax .
6. Определение концентрации в контрольном растворе по градуировочному графику и расчет массы железа в заданном объеме раствора.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Аппаратура, материалы и реактивы
Фотоэлектроколориметр КФК-2.
Пипетки, градуированные на 10 мл или бюретки на 25 мл.
Мерный цилиндр емкостью 10 мл.
Мерные колбы на 50.00 мл – 6 штук.
Пипетка на 10.00 мл.
Тиоцианат аммония или калия (10% раствор).
Азотная кислота (1:1).
Серная кислота концентрированная.
Железоаммиачные
квасцы
(железо(III)-аммоний
NH4Fe(SO4)2·12H2O (х.ч.) (молярная масса 482.20 г/моль).
36
сульфат)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сущность работы
Для определения железа (III) в водном растворе его соли предварительно проводят реакцию комплексообразования ионов железа с тиоцианат-
ионом (роданид-ионом) SCN - . В зависимости от соотношения концентраций ионов железа и тиоцианат-ионов и кислотности среды в растворе могут
сосуществовать комплексы состава [ Fe ( SCN )n ]3 - n , где n = 1…6, т. е.:
ù é
ù
ù+ é
ù - é
é
ù 2+ é
ê Fe SCN ú , ê Fe SCN ú , ê Fe SCN ú , ê Fe SCN ú , ê Fe SCN ú
ê
ú
ê
ê
ú
ê
ú
êë
úû
2
3
4
5ú
ë
û ë
û ë
û ë
û
3é
ù
ê Fe SCN ú .
ê
6ú
ë
û
(
)
(
)
(
)
)
(
(
)
)
(
2-
,
é
ù 2+
ê
Комплексный ион ê Fe SCN úú в растворе образуется при конценë
û
-5
трации роданид ионов 5 × 10 M . При увеличении концентрации до
é
ù+
-2
1.2 × 10
M в значительном количестве образуется êê Fe SCN úú .
2
ë
û
В водном растворе всегда имеется смесь железнотиоцианатных комплексов, поэтому для получения воспроизводимых результатом важно соблюдать точную концентрацию тиоцианат-ионов в испытуемом и эталонных
растворах. При одинаковом составе комплексных частиц получается одинаковая интенсивность окраски растворов. Рекомендуется всегда добавлять большой избыток тиоцианата. При определении железа (III) в виде
тиоцианата важно создать определенную кислотность раствора, что осуществляется подкислением раствора серной или соляной кислотой. При
увеличении кислотности увеличивается концентрация ионов SO 24- и Cl - , и
é
ù 3ê
возникает опасность образования комплексов ê Fe SO 2 úú
и HFeCl4 .
3
ë
û
Оптимальной кислотностью считается 0.05–0.2 моль/л. Молярный коэф-
)
(
(
)
( )
(
фициент поглощения e Fe SCN
)
= 7. 0 × 103 л × моль-1 см -1 в водном
3
растворе при l max = 490 - 510 нм .
Определению Fe III мешают анионы ( Cl - , PO34- , C 2 O 24- ,SO 42- ), кото-
( )
рые дают более прочные комплексные соединения, чем роданиды железа
(III). Также должны отсутствовать элементы, которые дают комплексные
соединения с роданидом: кобальт, хром, медь и др.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выполнение работы
1. Приготовление стандартного раствора соли железа (III): навеску
0.864 г железоаммиачных квасцов (х.ч) растворяют в 600–700 мл дистиллированной воды в мерной колбе на 1000 мл, добавляют 15 мл концентрированной H 2 SO 4 (пл. 1.84 г/см3) и тщательно перемешивают. После растворения вещества объем раствора доводят дистиллированной водой до
метки. Приготовленный раствор содержит 0.1 г железа в 1 мл.
2. Приготовление эталонных растворов и раствора сравнения: В мерные колбы 50.00 мл при помощи бюретки или градуированной пипетки отбирают соответственно 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 и 4.00 мл первичного стандартного раствора соли железа (III). Прибавляют в каждую колбу по 1 мл
азотной кислоты, 5 мл раствора тиоцианата, доводят дистиллированной
водой до метки и тщательно перемешивают. Рассчитывают концентрацию
железа в мг/мл в каждой пробе (см. работу 1). В качестве раствора сравнения используется раствор, содержащий все те же вещества, что и в эталонных за исключением соли железа (III). В колбу на 50.00 мл вносят 1 мл
азотной кислоты, 5 мл раствора тиоцианата, доводят дистиллированной
водой до метки и тщательно перемешивают.
3. Определение аналитической длины волны ( l max ). Один из растворов
(п. 2) фотометрируют при длинах волн: 364, 400, 440, 490, 540 нм. При переходе от одной длины волны к другой выставляют ноль оптической плотности по раствору сравнения. Строят график в координатах оптическая
плотность – длина волны ( A - l ) . По графику определяют l max (соответствует максимальной оптической плотности), при которой затем строят
градуировочный график.
4. Построение градуировочного графика. Измеряют оптическую плотность эталонных растворов при длине волны l max в кювете с толщиной
слоя l = 10 мм . Полученные данные записывают в таблицу:
мг
А
№ пробы
Объем станWFe ,
мл
дартного распри l max
твора в эталоне,
мл
1
0.50
2
1.00
3
2.00
4
3.00
5
4.00
Контрольная
проба
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Определение концентрации железа (III) в контрольном растворе.
Аликвоту (10.00 мл) контрольного раствора, полученного у преподавателя,
помещают в мерную колбу емкостью 50.00 мл, прибавляют 5 мл раствора роданина и 1 мл азотной кислоты, доводят водой до метки, тщательно перемешивают и измеряют оптическую плотность при lmax . По градуировочному
графику определяют концентрацию и содержание железа в рабочем растворе.
Концентрацию железа (III) в контрольном растворе расчитывают по формуле
W
контр
=
W рV р
V
контр
,
ал
где Wр – концентрация рабочего раствора, приготовленного из контрольконтр
контр
ал –
ного, Vк – объем рабочего раствора (объем колбы); W
иV
концентрация (в мг/мл) и объем аликвоты контрольного раствора (в мл)
соответственно.
Для расчета массы железа в полученной контрольной пробе (в мг) найденное значение концентрации умножают на объем контрольного раствора,
полученного у преподавателя.
6. Пересчитать любую из концентраций в моль/л, измерить внутреннюю толщину кюветы (толщина поглощающего слоя) по направлению
прохождения света и рассчитать по закону Бугера – Ламберта – Бера молярный коэффициент поглощения e . Найти минимальную концентрацию
железа, определяемую данным методом.
Работа 3
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ
НИКОТИНОВОЙ КИСЛОТЫ В ПРЕПАРАТЕ
Цель работы: количественное определение никотиновой кислоты в
препарате для инъекций методом молекулярной абсорбционной спектроскопии (УФ спектрофотометрии).
Этапы работы
1. Приготовление раствора стандартного образца (РСО) на основе стандарта никотиновой кислоты.
2. Приготовление растворов на основе лекарственного препарата (никотиновая кислота, 1 % раствор для инъекций).
3. Фотометрирование растворов РСО.
4. Фотометрирование анализируемых растворов препарата, качественный
анализ содержания никотиновой кислоты в лекарственной форме.
5. Количественное определение никотиновой кислоты.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аппаратура, материалы и реактивы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Спектрофотометр СФ-4А или СФ-26.
Кварцевые кюветы с толщиной слоя 10.00 мм.
Пипетка на 1.00 и на 10.00 см3.
Мерные колбы на 100.0 см3.
Стандарт – никотиновая кислота.
Лекарственная форма – никотиновая кислота, 1 % раствор для инъекций.
7. Кислота хлористоводородная с концентрацией 0.1 моль/дм3 (х.ч.).
Сущность работы
При определении никотиновой кислоты в препарате используется метод
молярного коэффициента поглощения ( ε λ ). Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой системы закону Бугера–
Ламберта – Бера, согласно которому оптическая плотность РСО ( A l ) и
0
оптическая плотность раствора лекарственной формы ( A l x ) для произвольной длины волны l определяется выражением
A l 0 = e l c 0 l – для РСО,
(20)
A l x = e l c x l – для лекарственной формы,
(21)
где c 0 , c x – молярная концентрация никотиновой кислоты в РСО и растворе лекарственной формы, соответственно. c0 рассчитывают по массе
навески стандарта никотиновой кислоты ( m0 ), взятой для анализа, молярной массе никотиновой кислоты ( M ) и объему РСО
m 0 (г )
m0
æ моль ö
(22)
c0 =
=
ç
÷.
M V PCO è л ø
æ г ö
(л)
Mç
÷V
è моль ø PCO
e l – молярный коэффициент поглощения никотиновой кислоты для длины волны l , М = 123.11 г/моль, l – толщина светопоглощающего слоя.
Из (20) и (21) следует
cx =
Al x
c .
Al 0 0
(23)
Число молей никотиновой кислоты в растворе лекарственной формы
n x = c xV x ,
(24)
где V x – объем раствора лекарственной формы.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание никотиновой кислоты в лекарственном препарате в граммах
определяем по формуле
m
x
= n
x
{
из ( 24 )
=
Al x
M =
c
x
123
из ( 23 )
m
Al x
V M =
x
A
l0
c
V M =
x
123
из ( 22 )
Al x m 0 V x
0
0
×
×V M =
Al 0 M V PCO x
Al 0 V PCO .
(25)
Выполнение работы
1. Приготовление раствора стандартного образца (РСО). Около
0,1 г (точная навеска) никотиновой кислоты помещают в мерную колбу
вместимостью 100,0 см3 и растворяют в 80 см3 0,1 М раствора кислоты
хлористоводородной, доводят объем 0,1 М раствором кислоты хлористоводородной до метки и перемешивают. 1,00 см3 полученного раствора переносят в мерную колбу вместимостью 100,0 см3 и доводят объем раствора 0,1 М раствором кислоты хлористоводородной до метки.
2. Приготовление растворов из образца препарата. 1.0 см3 раствора
препарата (Никотиновая кислота, 1% раствор для инъекций) помещают в
мерную колбу вместимостью 100,0 см3, доводят объем раствора 0,1 М раствором кислоты хлористоводородной до метки и перемешивают. 10,00 см3
полученного раствора переносят в мерную колбу вместимостью 100,0 см3,
доводят объем раствора 0,1М раствором кислоты хлористоводородной до
метки и перемешивают.
3. Фотометрирование растворов РСО. Предварительно проводят
подготовку спектрофотометра СФ-4А или СФ-26 к работе в соответствие с
руководством по их эксплуатации. Фотометрирование осуществляют с использованием дейтериевой лампы и с фотоэлементом, соответствующим
рабочему диапазону длин волн. Анализируемым раствором и раствором
сравнения заполняют кварцевые кюветы с толщиной поглощающего слоя
10,00 мм. В качестве растворов сравнения используется вода (бидистиллированная или деионизованная). Проводят грубое фотометрирование раствора РСО в диапазоне длин волн 230–300 нм с шагом 10 нм.
Данные измерений вносят в таблицу 14. При регистрации значений
оптической плотности по аналоговой логарифмической шкале для увеличения точности определений проводят пересчет величин А по выражению
(26, см. ниже).
После выполнения измерений строят зависимость оптической плотности А от l (нм). В области максимума поглощения анализируемый рас41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
твор фотометрируют с шагом 1,0 нм, начиная измерения при длине волны
на 10 нм меньше длины волны, характеризующейся максимумом поглощения и заканчивая измерения при l на 10 нм больше длины волны, соответствующей максимуму поглощения анализируемых растворов. Результаты
измерений вносят в таблицу 1.
4. Фотометрирование рабочих растворов препарата, качественный анализ содержания никотиновой кислоты в препарате. Для проведения идентификации никотиновой кислоты анализируемый раствор фотометрируют при длинах волн 230–300 нм с шагом 10 нм и 1 нм аналогично
тому, как проводили фотометрирование растворов РСО.
Данные измерений вносят в таблицу 14.
Таблица 14
№ l, нм
Оптическая плотность
Оптическая плотность
РСО,
Лек. форма,
РСО,
Лек. форма,
Al x
Al x
Al 0
Al 0
1
2
…
По полученным данным строят графики зависимости A l 0 от l и
A l x от l, нм. По виду спектров (количество максимумов поглощения),
положению максимума поглощения делают заключение о подлинности образца.
5. Количественное определение никотиновой кислоты. Измеряют
оптическую плотность анализируемого раствора на основе препарата на
спектрофотометре при длине волны 261 нм (максимум поглощения) в кювете с толщиной слоя 10.00 мм. Параллельно измеряют оптическую плотность раствора стандартного образца (РСО) кислоты никотиновой. В качестве раствора сравнения используют 0,1 М раствор хлористоводородной кислоты.
Содержание кислоты никотиновой в 1 см3 препарата в граммах (Х)
вычисляют по формуле (25), учитывая объемы РСО и лекарственного препарата:
A × 100 × 100 × m0 × 1 Aх × m0
X= х
=
,
(26)
A0 × 1 × 100 × 100 × 10
A0 × 10
где Aх = A l х – оптическая плотность испытуемого раствора для l = 261 нм ;
А0 = А l 0 – оптическая плотность раствора РСО кислоты никотиновой для
l = 261 нм ; m0 – навеска РСО кислоты никотиновой в граммах.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание C6H5NO2 (кислоты никотиновой) в 1 см3 препарата
должно быть от 0,0097 до 0,0103 г.
По результатам работы делают заключение о качественном составе
препарата и количественном содержании в нем целевого компонента.
Работа 4
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ
ЦИАНОКОБАЛАМИНА ДЛЯ ИНЪЕКЦИЙ (ВИТАМИНА В12)
Цель работы: качественный и количественный анализ цианокобаламина в препарате для инъекций методом молекулярной абсорбционной
спектроскопии (УФ спектрофотометрии); определение наличия примесей в
препарате по спектральным отношениям
Этапы работы:
1. Установить подлинность цианокобаламина спектротометрическим
методом:
– приготовление раствора стандартного образца (РСО);
– приготовление раствора препарата для анализа;
– фотометрирование растворов РСО;
– фотометрирование приготовленного раствора препарата;
– качественный анализ содержания цианокобаламина в препарате.
2. Определение чистоты препарата спектрофотометрическим методом
по спектральным отношениям.
3. Количественное определение цианокобаламина в препарате.
Аппаратура, материалы и реактивы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Спектрофотометр СФ-4А или СФ-26.
Кварцевые кюветы с толщиной слоя 10,00 мм.
Пипетка на 1,00 и на 10,00 см3.
Мерные колбы емкостью 25,00 см3, 100,0 см3.
Цианокобаламин (витамин В12) производства Merck.
Лекарственная форма – ампула для инъекций цианокобаламина (витамина В12).
7. Вода бидистиллированная или вода деионизованная.
Выполнение работы
1. Подлинность цианокобаламина спектрофотометрическим методом.
Одним из методов, позволяющих подтвердить подлинность вещества в
препарате является молекулярная абсорбционная спектроскопия в УФ и
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
видимой области электромагнитных излучений в совокупности с другими
физико-химическими (хроматографическими, электрохимическими, другими оптическими) методами. Для подтверждения подлинности вещества
необходимо качественное (положение спектральных максимумов) и количественное соответствие (постоянство соотношений величин оптической
плотности при длинах волн, соответствующих максимумам поглощения).
Приготовление раствора стандартного образца (РСО). Предварительно приготавливается промежуточный раствор с концентрацией 0,2 %
цианокобаламина в растворе. Для этого 0,1 г (0,05 г) (точная навеска) растворяется в воде бидистиллированной или воде деионизованной в мерной
колбе емкостью 50,00 см3 (25,00 см3). Далее промежуточный раствор используется при приготовлении РСО с концентрацией 0,002 %. После растворения вещества и интенсивного перемешивания 1,00 см3 (0,50 см3) переносят в мерную колбу емкостью 100,0 см3 (50,00 см3) и объем колбы доводится водой (бидистиллированной или деионизованной) до метки.
Приготовление анализируемого раствора препарата
Для приготовления рабочего раствора цианокобаламина (витамина
В12) содержимое ампулы (1 см3) количественно переносят в мерную колбу
объемом 25,00 см3 и доводят до метки водой (бидистиллированной или
деионизованной).
Фотометрирование растворов РСО и раствора препарата, качественный анализ содержания цианокобаламина в препарате. Для проведения
фотометрирования подготовку спектрофотометра СФ-4А или СФ-26 проводят в соответствии с руководством по их эксплуатации. Фотометрирование проводят с использованием дейтериевой лампы и лампы накаливания
и с фотоэлементом, соответствующим рабочему диапазону длин волн. Рабочими и раствором сравнения заполняют кварцевые кюветы с толщиной
поглощающего слоя 10,00 мм. В качестве растворов сравнения используется вода (бидистиллированная или деионизованная). Проводят грубое фотометрирование раствора РСО в диапазоне длин волн 260 до 560 нм с шагом 10
нм.
ВНИМАНИЕ. Все измерения проводят с использованием двух
ламп. Сначала выполняют все измерения с использованием дейтериевой лампы (260–350 нм), а после этого проводят измерения с использованием лампы накаливания (350–560 нм).
Данные измерений представляют в виде таблицы 14 (см. работу 2).
При регистрации значений оптической плотности по аналоговой логарифмической шкале для увеличения точности определений проводят пересчет
величин А по величинам пропускания Т по уравнению
T
.
100
После выполнения измерений строят зависимость оптической плотности А от l (нм). В области максимумов поглощения (278, 361, 548 нм)
А = - lg
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
анализируемый раствор фотометрируют с шагом 1,0 нм. Начиная с длины
волны за 10 нм до максимума поглощения и заканчивая измерения при l
на 10 нм больше длины волны, соответствующей максимуму поглощения
анализируемых растворов.
Фотометрирование рабочих растворов препарата
Для подтверждения подлинности цианокобаламина анализируемый раствор лекарственной формы фотометрируют при длинах волн 260–560 нм с
шагом 10 нм (при удалении от максимума более, чем на 10 нм справа и
слева) и 1 нм (вблизи каждого максимума) так же, как проводили фотометрирование растворов РСО.
Данные измерений представляют в виде таблицы 13 (см. работу 1).
По полученным спектрам делают заключение о подлинности образца.
2. Определение чистоты препарата спектрофотометрическим методом
по спектральным отношениям.
Для определения чистоты препарата спектрофотометрическим методом определяют величину оптической плотности раствора в кювете с толщиной слоя 10,00 мм при 278, 361, 548 нм. Рассчитывают соотношения
оптических плотностей растворов А при указанных длинах волн. Отношение А361/А548 должно быть от 3,0 до 3,4. Отношение А361/А278 должно быть
от 1,7 до 1,88. По величинам соотношений делают заключение о чистоте
препарата.
3. Количественное определение цианокобаламина в препарате.
Определить количественное содержание цианокобаламина в лекарственной форме можно по величине оптической плотности раствора при длине
волны 361 нм в кювете толщиной слоя 10,00 мм, используя в качестве раствора сравнения воду (бидистиллированную или деионизованную).
Содержание цианокобаламина, мг в 1 см3 препарата вычисляют по формуле:
А × 10 × V1
Х =
, мг
207 × V
где А – оптическая плотность испытуемого раствора, 207 – удельный коэффициент поглощения чистого цианокобаламина при длине волны 361
нм, V- объем препарата, взятый для разведения, см3, V1- объем приготовленного раствора препарата для анализа, см3.
По результатам качественного и количественного определения делают
заключение о подлинности препарата и о содержании в нем цианокобаламина. Допускается изменение содержания цианокобаламина в лекарственной форме от 0,45 до 0,55 мг.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Харитонов Ю.А. Аналитическая химия (аналитика) : в 2 т. : учеб. для вузов / Ю.А. Харитонов. – М. : Высш. шк., 2003. – Т. 1. – 615 с.
2. Харитонов Ю.А. Аналитическая химия (аналитика) : в 2 т : учеб. для вузов. / Ю.А. Харитонов. – М. : Высш. шк., 2003. – Т. 2. – 559 с.
3. Основы аналитической химии : учеб. для вузов : в 2 т. / Ю.А. Золотов и
др. ; под ред. Ю.А. Золотова. – М. : Высш. шк., 2000. – Кн. 2 : Методы
химического анализа. – 494 с.
4. Харитонов Ю.А. Руководство к лабораторным занятиям по аналитической химии / Ю.А. Харитонов. – М. : Высш. шк., 2002. – 372 с.
5. Государственная фармакопея СССР. – XI издание. – М. : Медицина, 1987.
– Вып. 1 : Общие основы анализа. – 334 с.
6. Дорохова Е.Н. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа / Е.Н. Дорохова, Г.В. Прохорова. – М. : Высш. шк. 1991. – 256 с.
7. Арзамасуев А.П. Ультрафиолетовые и инфракрасные спектры лекарственных веществ : (атлас) / А.П. Арзамасуев. – М. : Медицина, 1981. – 176 с.
8. Применение спектроскопии в химии / В. Вест и др. ; под ред. В. Веста. –
М. : Иностранная литература, 1959. – 659 с.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Учебно-методическое пособие для вузов
Составители:
Бутырская Елена Васильевна,
Карпов Сергей Иванович,
Шапошник Владимир Алексеевич,
Беланова Наталья Анатольевна,
Стоянова Ольга Федоровна
Редактор И.Г. Валынкина
Подписано в печать
Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 2,7.
Тираж 50 экз. Заказ 2130.
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс)
http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: pp_center@ppc.vsu.ru
Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133.
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
300
Размер файла
522 Кб
Теги
анализа, 662, метод, спектральная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа