Теоретичні основи спектральних методів аналізу (стр. 1 из 4)
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА АНАЛІТИЧНОЇ ХІМІЇ
Курсова робота на тему:
"Теоретичні основи спектральних методів аналізу"
Виконав:
студент 4 курсу
хімічного факультету
Бушкін Ю.В.
Науковий керівник:
Доцент, к.х.н. Оресь Я.П.
Донецьк - 2005
План
Вступ
1 Природа електромагнітного випромінювання
2 Будова атома та походження атомних спектрів
3 Будова молекул та походження молекулярних спектрів
4 Класифікація спектроскопічних методів аналізу
5 Оптичні методи аналізу
6 Спостерігання та реєстрація спектроскопічних сигналів
Література
Вступ
Оптичні та спектрометричні методи аналізу ґрунтуються на взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Ця взаємодія супроводжується явищами, з яких найбільш важливі випускання, поглинання та розсіювання випромінювання. Сигнали, що виникають при цьому, несуть якісну та кількісну інформацію про речовину. Якісну інформацію несе частота (довжина хвилі) сигналу, пов’язана з природою речовини, кількісну – інтенсивність сигналу, яка залежить від кількості речовини.
За допомогою оптичних та спектрометричних методів розв’язуються задачі атомного, ізотопного, молекулярного, функціонального (структурно–групового) та фазового аналізу.
Разом з хроматографічними, оптичні методи аналізу є найбільш важливими та розповсюдженими в практиці хімічного аналізу різноманітних об’єктів, наприклад, металургійних, геологічних, об’єктів фармацевтичної промисловості, тощо.
Загальна мета вивчення оптичних та спектрометричних методів аналізу: вміти інтерпретувати принципи оптичних та спектрометричних методів та застосовувати їх для контролю якості лікарських засобів.
Досягнення загальної мети забезпечується конкретними цілями:
1. Інтерпретувати основні закономірності спектральних методів аналізу.
2. Проводити ідентифікацію речовин за допомогою спектральних методів.
3. Проводити визначення кількісного вмісту речовин.
4. Користуватися приладами для вимірювання оптичної густини розчинів, коефіцієнта пропускання, показника заломлення, кута обертання площини поляризації, інтенсивності флуоресценції та ін.
Щоб зрозуміти, як виникає спектроскопічний сигнал, і як він пов'язаний з природою та кількістю речовини, розглянемо природу електромагнітного випромінювання та структуру речовини.
1. Природа електромагнітного випромінювання
Електромагнітне поле, створене електричними та магнітними силами (так само, як і інші фізичні поля), є одним з видів матерії. Для нього, як і для звичайних матеріальних (хімічних) тіл, справедливі загальні закони збереження матерії та енергії. Але фізичні поля мають і суттєві відмінності від матеріальних тіл. Якщо звичайно матеріальні тіла дискретні (корпускулярні), то матерія фізичного поля неперервна. У той же час, у певних умовах матеріальні тіла можуть проявляти неперервний характер, а фізичні поля – дискретну структуру. Одні види матерії можуть переходити в інші. Так, матерія електрона може переходити в матерію електромагнітного поля і навпаки.
Одна з властивостей матерії – рух, мірою якого є енергія. Так, коливальні рухи електромагнітного поля – один з видів енергії, що має назву електромагнітного випромінювання або світла. Так само, як і матерія, один вид енергії може в певних умовах переходити в інший.
Експериментальні факти привели до уявлень про подвійну природу електромагнітного випромінювання, яке в одних проявах виявляє хвильову природу, тобто має поведінку фізичного поля з неперервними властивостями, а в інших – корпускулярну, тобто представляє собою потік дискретних частинок (фотонів). Якщо на шляху електромагнітного випромінювання зустрічаються матеріальні тіла, то спостерігаються такі явища, як заломлення, інтерференція, дифракція, відбивання, розсіювання, що описуються на основі хвильової природи випромінювання. У той же час, такі явища, як відхилення під дією тяжіння або поглинання та випускання атомами та молекулами, описуються на основі корпускулярної природи випромінювання.
Хвильові властивості. Електромагнітну хвилю можна уявити у вигляді двох перемінних полів, перпендикулярних одне до одного і до напрямку руху хвилі (рис. 1).
Рис. 1. Електромагнітна хвиля: 1- довжина хвилі; 2 – амплітуда; 3 – напрямок розповсюдження; Н – магнітна складова; Е – електрична складова
Електромагнітну хвилю можна охарактеризувати кількома параметрами.
Частота ν – число коливань електричного поля в секунду, см-1.
Довжина хвилі λ – відстань між двома максимумами, нм.
Хвильове число ύ – число хвиль в 1 см.
Швидкість сі – швидкість розповсюдження випромінювання у певному середовищі, у вакуумі вона максимальна (с = 2,99792 × 1010 см·с-1 ≈ 300 000 км·с-1 ). У будь-якому іншому середовищі сі = с / п, де п – показник заломлення.
Інтенсивність І – енергія випромінювання в 1 с, що приходиться на одиницю тілесного кута; вона пропорційна квадрату амплітуди (на практиці часто за інтенсивність приймають значення аналітичного сигналу у вільних одиницях, наприклад, число поділок шкали пристрою).
Площина поляризації – площина ХY, в якій коливається електричне поле. Світловий потік, що складається з багатьох плоскостей поляризації, називають неполяризованим, а світловий потік, в якому всі електричні поля лежать в одній плоскості, – плоскополяризованим.
Довжина хвилі, частота та швидкість випромінювання пов’язані співвідношенням:
ν = сі /λ
Частота залежить від довжини хвилі та не залежить від швидкості сі.
Корпускулярні властивості. Випромінювання складається з потоку дискретних частинок (квантів світла, або фотонів), що рухаються зі швидкістю світла. Фотон – матеріальна частинка з певними масою та імпульсом, що відхиляється від прямолінійного шляху під дією сили тяжіння, але, на відміну від інших матеріальних тіл, рухається тільки зі швидкістю світла. Кожен фотон має енергію, пов’язану з його масою та частотою або довжиною хвилі співвідношеннями:
Е = тс2 = hν або Е = hс / λ,
де h – постійна Планка, що дорівнює 6,62·10-34 Дж·с = 4,1·10-15 еВ·с.
Отже, кожен фотон можна за необхідності охарактеризувати частотою або енергією.
Подвійна (хвильова та корпускулярна) природа властива усім матеріальним тілам та фізичним полям. Між масою, швидкістю та довжиною хвилі будь-якого тіла існують такі ж співвідношення, як і для фотона:
Е = тν2 = hν = hυ / λ,
де υ – швидкість руху тіла. Звідси
λ = h / тυ2
В залежності від маси та швидкості тіла домінує хвильова або корпускулярна властивість. При великих масах та малих швидкостях (набагато менших швидкостях світла) довжини хвиль матеріальних тіл настільки малі, що їх хвильові властивості не можна виявити за допомогою сучасної вимірювальної техніки. При швидкостях, близьких до швидкості світла, та при дуже малих масах матеріальних тіл (електрон, позитрон) проявляється їх хвильова природа. При взаємодії потоку фотонів, тобто електромагнітного випромінювання, зі всією речовиною (заломлення на границі двох середовищ, відбиття від поверхні, дифракція) домінує хвильова природа, при взаємодії з окремими атомами або молекулами – корпускулярна.
Спектр електромагнітного випромінювання. Сукупність всіх частот (довжин хвиль) електромагнітного випромінювання називають електромагнітним спектром. Інтервал довжин хвиль від 10-10 до 10-1 м розбивають на області (схема 1): ультрафіолетова (УФ) область займає діапазон ~10 – 380 нм; інфрачервона (ІЧ) область 750 – 105 нм; видиме світло, що використовується у найбільш розповсюджених методах аналізу, займає вузьку область 380 – 750 нм.
Схема 1
Області електромагнітного спектру
Потік фотонів з однаковою частотою має назву монохроматичного, з різними частотами – поліхроматичного. Звичайний потік випромінювання, що спостерігають від розпалених тіл, зокрема сонячне світло, є поліхроматичним.
2. Будова атома та походження атомних спектрів
Атом – дискретна частинка речовини розміром ~ 10-8 см, що складається з позитивно зарядженого ядра з радіусом ~ 10-12 см та негативно заряджених електронів, що рухаються навколо нього. Швидкість електрона настільки велика, що в атомі домінують його хвильові властивості. Довжину хвилі електрона, що рухається (~10-8 см), можна порівняти з атомними розмірами, тому електрон не представляють у вигляді дискретного об’єкту, як це робиться в класичній фізиці, наприклад при русі електронів в газорозрядній трубці. Електрон начебто розмазаний по атому у вигляді хвилі, і можна говорити лише про можливість його перебування у якійсь точці в середині атому або про розподіл густини негативного заряду навколо ядра, який може бути достатньо складним.
Області з максимальною густиною заряду називають електронними орбіталями або енергетичними рівнями, оскільки кожна орбіталь характеризується певною енергією. Енергетичний стан всього атому визначається в основному енергією електронних орбіталей.
Кожен електрон і атом, а отже, енергетичний рівень описують набором чотирьох квантових чисел: головного, побічного, магнітного та спінового.
Головне квантове число п характеризує віддаленість електрона від ядра та приймає значення 1, 2, 3,… Чим більше п, тим далі від ядра знаходиться електронна орбіталь.