Закон Бугера–Ламберта–Бера (основной закон светопоглощения) применяется для расчета концентрации веществ в растворах на основе измерений их оптической плотности.
Для точного измерения количества вещества с помощью светопоглощения, переводят вещество в форму, способную поглощать свет. Далее измеряют, насколько свет становится слабее, проходя через это вещество на заданное расстояние.Закон Бугера-Ламберта-Бера, который лежит в основе большинства фотометрических методов исследования анализа выражается:
I=I0e−^(εcl), где
I — интенсивность светового потока, прошедшего через раствор;
I0 — интенсивность светового потока, падающего на кювету определенной
толщины;
ε — молярный коэффициент поглощения;
l — толщина поглощающего слоя;
с — концентрация поглощающего слоя;
Молярный коэффициент поглощения (ε) представляет собой фундаментальную константу, которая численно выражает эффективность поглощения светового излучения одним молем анализируемого соединения при строго заданной длине волны.Эта величина ε уникальна для каждого химического вещества и не является постоянной. Её значение существенно варьируется в зависимости от специфической длины волны падающего света, поскольку различные вещества демонстрируют избирательное поглощение излучения в разных участках спектра. Кроме того, на величину молярного коэффициента поглощения оказывают влияние такие факторы, как химический состав растворителя и температурный режим. Важное следствие этого параметра заключается в следующем: чем выше значение ε, тем интенсивнее световой поток будет поглощаться раствором с идентичной концентрацией вещества, при условии сохранения всех прочих экспериментальных параметров (например, одинаковой длины оптического пути).
Чаще всего измеряется в л · моль^(-1)· см^(-1) (литры на моль на сантиметр).
Также этот закон можно представить в виде логарифмической формы:
A=ε⋅c⋅l , где
ε — молярный коэффициент поглощения;
А — оптическая плотность;
с — концентрация поглощающего слоя;
Оптическая плотность, обозначаемая символом А, представляет собой количественную характеристику способности вещества абсорбировать световое излучение, тем самым затрудняя его прохождение. Эта величина является безразмерной. Прямая зависимость такова: чем интенсивнее образец поглощает свет, тем выше численное значение оптической плотности А.
Измерение оптической плотности осуществляется посредством специализированных устройств, известных как спектрофотометры. Сам по себе спектрофотометр — это аналитический инструмент, предназначенный для количественного определения способности исследуемого материала поглощать или пропускать электромагнитное излучение на конкретной длине волны. Конструктивно спектрофотометр объединяет несколько ключевых компонентов, функционирующих вместе для детального анализа светового потока: это источник излучения, монохроматор, камера для кюветы, детектор и блок обработки данных.
● Источник света продуцирует электромагнитное излучение различного спектрального состава (различных длин волн), включая невидимые диапазоны. Его основная функция заключается в освещении исследуемого образца.
● Монохроматор отвечает за то, чтобы к образцу поступал свет строго одной, узкоопределенной длины волны, обеспечивая его спектральную чистоту.
● Кюветное отделение представляет собой специальную камеру, предназначенную для размещения прозрачного контейнера (кюветы) с исследуемой пробой. В этом отсеке световой пучок пронизывает образец, где происходит частичная абсорбция излучения.
● Детектор фиксирует и измеряет интенсивность светового потока, достигшего его после прохождения через образец, тем самым определяя долю излучения, не поглощенного веществом. Большинство спектрофотометров демонстрируют наибольшую точность измерений оптической плотности в диапазоне примерно от 0.2 до 0.8 (или иногда до 1.0). За пределами этого диапазона относительная погрешность измерения оптической плотности значительно возрастает.
Формулировка закона: уменьшение интенсивности света при его
прохождении через раствор прямо пропорционален концентрации
поглощающего вещества и толщине его слоя
Для количественного определения концентрации вещества в растворе
методом светопоглощения, основанном на законе Бугера-Ламберта-Бера,
существуют три основных подхода:
1.Метод градуировочного графика (построение калибровочной кривой)
2.Метод добавок
3.Метод сравнения
Метод градуировочного графика
Для определения концентрации вещества при помощи градуировочной кривой готовят серию стандартных окрашенных растворов, концентрация которых охватывает область возможных изменений концентрации
исследуемого раствора. Затем измеряют величина оптической плотности А и строят график зависимости оптической плотности от концентрации растворенного вещества в координатах А=f(С). Для построения градуировочной кривой берут 5-8 растворов, отличающихся по концентрации не менее, чем на 30%.
Построенную кривую называют градуировочным графиком.
Для построения градуировочной кривой берут 5-8 растворов, отличающихся по концентрации не менее, чем на 30%. Концентрации стандартных растворов выбирают так, чтобы оптическая плотность исследуемого раствора находилась примерно в середине градуировочной кривой. Определив оптическую плотность раствора Ax, находят её значение на оси ординат, а затем соответствующее значение искомой концентрации Cx на оси абсцисс. Этот метод применяют при многократном фотометрировании однотипных по химическому составу растворов при выполнении серийных фотометрических анализов.
Метод дает хорошие результаты при соблюдении закона Бугера-Ламберта-Бера. Важным его отличием от других методов является то, что позволяет определять концентрацию окрашенных веществ даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. В этом случае для построения градуировочной кривой готовят значительно большее количество стандартных растворов, отличающихся друг от друга не более, чем на 10%.
Метод добавок
Определение концентрации раствора этим методом основано на сравнении оптической плотности исследуемого раствора и того же раствора с добавкой известного количества определяемого вещества.
Метод добавок обычно применяют либо для упрощения работы, либо для устранения мешающего влияния посторонних примесей. Этом метод позволяет создать одинаковые условия для анализа
исследуемого и стандартного (с добавкой) окрашенных растворов. Поэтому его целесообразно применять для определения малых количеств определяемого элемента в присутствии больших количеств посторонних
веществ. Этот метод требует обязательного соблюдения основного закона
светопоглощения. Метод добавок, в свою очередь, может быть произведён расчётным путём и
графическим.
Расчетный метод
Для начала измеряют оптическую плотность анализируемого раствора, содержащего определённый компонент с неизвестное концентрацией Cx. Затем в анализируемый раствор добавляют известное количество определяемого компонента Сс.т., и вновь измеряют оптическую плотность Ax+с.т.
Оптическая плотность Ах анализируемого раствора:
(1)Ax=ε⋅l⋅Cx
А оптическая плотность анализируемого раствора с добавкой стандартного раствора:
(2)Ax+с.т.=ε⋅l⋅(Cx+Сс.т.)
Сравним выражения (1) и (2) получим:
(3)Cx = Ax⋅Сс.т. /( Ax+с.т — Ax)
Графический метод
Этот способ определения неизвестной концентрации вещества заключается в построении графика, где по оси абсцисс — содержание определяемого компонента, а по оси ординат — оптическая плотность раствора.
Метод сравнения
Метод сравнения в аналитике отличается тем, что поглощение образца оценивается относительно эталонного раствора того же вещества с известной, близкой к образцу концентрацией, а не чистого растворителя. Измеряемая в этом случае оптическая плотность, обозначаемая A’, является относительной. Она выражает разность между истинными оптическими плотностями исследуемого и эталонного растворов:
Закон Бугера–Ламберта–Бера строго справедлив только для разбавленных растворов и в определенных условиях:
- постоянство состава и неизменность поглощающих частиц в растворе;
Это означает, что вещество, концентрацию которого мы измеряем, должно оставаться в растворе в той же химической форме, что и момент приготовления стандартных растворов
- исследуемые молекулы должны быть диспергированы до молекулярного уровня, они не должны рассеивать свет и взаимодействовать друг с другом;
Для точного измерения оптической плотности критично, чтобы исследуемый компонент был в истинном растворе, то есть равномерно распределен на молекулярном или ионном уровне в растворителе. Если же компонент существует в форме нерастворимых микрочастиц (например, в суспензии или коллоидном состоянии), он будет не только поглощать, но и активно рассеивать световой поток. Такое рассеяние приводит к тому, что часть излучения не достигает детектирующего элемента, что в свою очередь приводит к искажению результатов и завышению показаний оптической плотности
- монохроматичность и параллельность проходящего через раствор лучистого потока небольшой интенсивности; постоянство температуры. Свет должен состоять из излучения одной, очень узкой длины волны. Если свет полихроматический (много длин волн), а молярный коэффициент поглощения (ε) вещества меняется в зависимости от длины волны (что почти всегда так), то среднее поглощение будет зависеть не только от концентрации, но и от спектрального состава света, нарушая закон.
Когда не соблюдаются условия, при которых Закон Бугера–Ламберта–Бера остается действительным, что часто обусловлено погрешностями в аналитическом процессе, фиксируются расхождения с его предсказаниями. Эти расхождения могут проявляться в двух формах: как увеличение, так и уменьшение ожидаемых значений.
В случае отрицательных расхождений наблюдаемая оптическая плотность оказывается ниже теоретически прогнозируемой Законом Бугера–Ламберта–Бера для заданной концентрации. Визуально это выражается в том, что градуировочная кривая отклоняется вниз при возрастающих концентрациях.
Напротив, положительные расхождения характеризуются тем, что полученная оптическая плотность превышает расчетное значение, которое должно соответствовать текущей концентрации согласно Закону Бугера–Ламберта–Бера. На графике это выглядит как изгиб градуировочной кривой вверх по мере
увеличения концентрации
