АТОМНО-АБСОРБЦІЙНИЙ І ЕМІСІЙНИЙ АНАЛІЗ. ЕКСТРАКЦІЯ І ЕКСТРАКЦІЙНО-ФОТОМЕТРИЧНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ.

Класифікація оптичних методів аналізу.

В оптичних методах аналізу використовуються зв’язок між оптичними властивостями системи:

–         світлопоглинанням;

–         світлорозсіюванням;

–         заломленням світла;

–         обертанням площини поляризації плоскополяризованого світла;

–         вторинним свіченням речовини і її складом.

До оптичного діапазону відносять електромагнітні хвилі з довжиною(l) від 100 до 10000нм. Його розділяють на три області:

–         ультрафіолетову(УФ) – (100-380-400);

–         видиму – (380-400-760);

–         інфрачервону(ІЧ) – (760-10000).

В залежності від природи взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням оптичні методи аналізу розділяють на:

–         абсорбційні (засновані на вимірюванні поглинання речовиною                        світлового випромінювання). До них належать наступні методи:

         1)колорометрія;

         2)фотоколорометрія;

         3)спектрофотометрія;

         4)атомно-абсорбційний аналіз;

–         емісійні (засновані на вимірюванні інтенсивності світла, випромінюваною речовиною). До них належать наступні методи:

         1)емісійний спектральний аналіз;

         2)емісійна полуменева фотометрія;

         3)флуориметрія.

Методи, пов’язані із взаємодією світлового випромінювання з суспензіями, поділяються на:

–         турбідометрію(заснована на вимірюванні інтенсивності світла, яке поглинається незабарвленою суспензією);

–         нефелометрія(базується на вимірюванні інтенсивності світла, яке відбивається або розсіюється забарвленою або незабарвленою суспензією).

Методи, які базуються на явищі поляризації молекул під дією світлового випромінювання, поділяють на:

–         рефрактометрію(базується на вимірюванні показника заломлення);

–         поляриметрію(базується на вимірюванні кута обертання площини поляризації поляризованого променя світла, що пройшов через оптично активне середовище);

–         інтерферометрію (базується на вимірюванні зсуву інтерференції світлових променів при проходженні їх крізь кювети з розчином речовини, розчинником та крізь коліматор).

Головні характеристики електромагнітного випромінювання

Оскільки світло має двоїсту природу – хвильову і корпускулярну, то для його опису використовують два види характеристик – хвильові і квантові. До хвильових характеристик належать частота коливань, довжина хвилі і хвильове число, до квантових – енергія квантів.

Частота коливань(n) показує число коливань в 1с, вимірюється в Герцах(Гц).

Довжина хвилі(l) показує найменшу відстань між точками, які коливаються в однаковій фазі. Це лінійна одиниця, вимірюється в СІ в метрах(м) і його частинних одиницях см, мм, нм.

Наприклад, зелене світло представляє собою електромагнітні коливання з n=6*10¹⁴Гц і l=500-550нм.

В залежності від довжини хвилі в електромагнітному спектрі за звичай виділяють наступні ділянки:

Інтервал довжин хвиль(нм)	Ділянка спектра
10-4-10-1	J – випромінювання
10-2-10	Рентгенівське випромінювання
10-400	УФ – випромінювання
400-760	Видима ділянка
760-106	ІЧ – випромінювання
106-109	Мікрохвилі або надвисокі частоти
l>109	Радіохвилі

 

Довжина хвилі і частота зв’язані між собою співвідношенням

n=с/l,

де с – швидкість світла с=3*10⁸м/с=3*10¹⁰см/с.

Величину, обернену довжині хвилі, називають хвильовим числом n і виражають за звичай в обернених сантиметрах(см^-1).

Енергія електромагнітного випромінювання визначається співвідношенням:

E=hn,

де h – постійна Планка, h=6,62*10^-34Дж*с.

При нагріванні речовини, яка знаходиться в газоподібному або пароподібному стані, від 800-1000⁰С і вище можуть бути отримані спектри трьох видів:

1)                            Лінійчаті – це результат електронних переходів в середині атомів і іонів;

2)                            Смугасті – характерні для молекул або вільних радикалів і є наслідком зміни їх електронної, коливальної(вібраційної) і обертальної(ротаційної) енергії;

3)                            Суцільні спектри – мають складне походження.

 

Атомний емісійний аналіз

Практичною метою методів атомної спектроскопії при аналізі речовин є якісне, напівкількісне, і кількісне визначення елементного складу аналізованої проби. Раніше ці завдання вирішувалися лише одним з методів – атомно-емісійним методом спектрального аналізу в оптичному діапазоні спектра. На сьогодні широкого поширення набули також методи аналізу за атомними спектрами поглинання і флуоресценції в оптичному діапазоні, а також за емісійними і флуоресцентними спектрами в рентгенівському діапазоні. В усіх випадках в основі цих методів лежать квантові переходи валентних або внутрішніх електронів атома з одного енергетичного стану в інший.

Атом в нормальному стані володіє мінімальним запасом енергії Е_о і не випромінює її. Але під впливом зовнішніх збудників(наприклад, зіткнення зі швидкими частинками) електрони атома переходять на більш високі рівні енергії Е₁, Е₂, Е₃, …. При цьому один або декілька валентних електронів атома переходять в більш віддалену від ядра оболонку. По проходженні цього часу збуджений атом повертається в нормальний або в який-небудь проміжний стан. Такий самовільний(спонтанний) перехід супроводжується вивільненням відповідного надлишку енергії у вигляді випромінювання кванта світлової енергії(фотона).

Випромінювання енергії атомом визначається правилом частот Бора:

hn=h*c/l=E₁-E₂=DE=e

де h – постійна Планка;

n – частота випромінювання;

с – швидкість світла;

l – довжина хвилі спектральної лінії;

E₁ і E₂ – рівні енергії атома;

e – енергія фотона.

Таким чином атом може випромінювати фотони з енергією Е₁, Е₂, Е₃, …. Наборові фотонів з однаковою енергією відповідає спектральна лінія. Сукупність спектральних ліній утворює спектр атома.

Однією з властивостей атомних спектрів є їх дискретність(лінійчата структура) і строго індивідуальний характер, що робить такі спектри індивідуальними ознаками атомів конкретного елемента.

На цьому базується якісний аналіз. Визначення концентрації того чи іншого елемента проводять шляхом вимірювання інтенсивності окремих спектральних ліній, які називаються аналітичними.

Інтенсивність спектральної лінії, яка відповідає переходу електрона з більш високого рівня і на рівень n, визначається формулою:

I_in=N_i*A_in*h*n_in,

де A_in – імовірність спонтанного переходу з стану і в стан n;

N_i – число атомів(в 1см³) в і-стані збудження;

h – постійна Планка;

n_in – частота випромінювання, с^-1.

Для того, щоб атоми випромінювання енергію, необхідно перевести їх з нормального стану в збудження. В спектральному аналізі для цього використовують полум’я, дугу або іскру(або інше джерело), тобто застосовуються термічні джерела збудження. При цьому розподіл атомів по ступенях збудження визначається законом Больцмана:

N_i=N_o*g_i/g_o*e^-Ei/kT,

де N_o і N_i – концентрації нормальних і збуджених(до рівня і) атомів;

E_i – енергія збудження і-го рівня;

g_i і g_o – статистичні ваги збудженого і нормального станів;

k – стала Больцмана(k=1,38*10^-23Дж/К);

Т – температура, К.

Підставляючи значення N_i у формулу для інтенсивності спектральної лінії, отримуємо:

І_in=N_o*A_in*g_i/g_o*h*n*e^-Ei/kT.

Таким чином, інтенсивність спектральної лінії буде залежати  не тільки від електронної будови атома, але і від температури джерела випромінювання. Тому в атомно-емісійному спектральному аналізі прийнято вимірювати інтенсивність аналітичної лінії відносно інтенсивності деякої лінії порівняння(внутрішній стандарт). Частіше всього – це лінія, яка належить основному компоненту проби. Інколи компонент, який відіграє роль внутрішнього стандарту, спеціально вводять в аналізовану пробу.

В такому випадку, якщо вибрані лінії мають близькі потенціали збудження, а відповідні їм елементи володіють близькими потенціалами іонізації та іншими фізико-хімічними характеристиками, відносна інтенсивність ліній стає мало чутливою до змін(флуктуацій) умов збудження.

Якщо режим роботи джерела збудження достатньо стабільний і швидкість подачі речовини в плазму постійна, то наступає деякий стаціонарний стан, при якому число атомів елемента в плазмі виявляється пропорційним концентрації цього елемента в пробі:

N=__*c,

де с – концентрація речовини в пробі;

__ – коефіцієнт пропорційності.

Оскільки інтенсивність спектральної лінії пропорційна числу збуджених атомів в плазмі, а їх число в свою чергу пропорційно числу атомів елемента в плазмі, то в кінцевому варіанті інтенсивність аналітичної спектральної лінії пропорційна концентрації речовини в пробі:

І_іn=а*с.

Якщо умови розряду не змінюються при зміні концентрації, то коефіцієнт а залишається постійним і це рівняння виконується достатньо добре. Коефіцієнт а залежить від параметрів розряду, умов поступлення речовини в плазму і констант, які характеризують збудження та наступні переходи.

Однак не всі кванти, які вилучаються збудженими частинками, досягають приймача світла. Квант світла може бути поглинутий не збудженим атомом і, таким чином, не буде зафіксований приймачем випромінювання. Це так зване самопоглинання. Із збільшенням концентрації речовини самопоглинання зростає.

Самопоглинання враховується в рівнянні Ломакіна, яке добре описує концентраційну залежність інтенсивності спектральної лінії:

І=а*с^b,

де коефіцієнт а залежить від режиму роботи джерела збудження, його стабільності, температури і т.д.;

b – коефіцієнт самопоглинання, який враховує поглинання квантів світла не збудженими атомами.

При логарифмуванні рівняння Ломакіна отримуємо:

lgI=lga+b*lgc.

Лінійна залежність lgI від lgc дуже зручна для побудови градуювального графіка. Це рівняння є основою кількісного спектрального аналізу.

Спрощення в теоретичних уявленнях про процеси поступлення атомів з твердої проби в плазму приводить до того, що ні одна з формул не може відображати добре відомого в атомно-емісійному аналізі впливу матричних ефектів. Цей вплив заключається в тому, що в багатьох випадках значення аналітичного сигналу і відповідно результат аналізу виявляються залежними не тільки від відносної концентрації визначуваного елемента, але і від вмісту супутніх компонентів, а також від мікроструктури і фазового складу аналізованих матеріалів.

Фізичний зміст впливу матричних ефектів дуже різноманітний і до сьогодні немає яких-небудь спільних аналітичних співвідношень на цей рахунок. У виробничих умовах, щоб усунути вплив матричних ефектів на результати намагаються максимально наблизити склад і властивості аналізованих проб і використовуваних зразків порівняння, вклячаючи і такі фактори, як структура матеріалу, форма і розміри зразків та ін.

Умовно всі матричні ефекти можна поділити на два типи: адитивні, які зміщують вхідний градуювальний графік паралельно самому собі в залежності від концентрації заважаючого елемента, і мультиплікативні, які приводять до зміни кута нахилу вихідної градуювальної характеристики.

Приклад для проведення спектрального аналізу має наступні головні вузли:

–         джерело збудження;

–         диспергуючий елемент;

–         приймач світла.

Крім цих головних вузлів в любому спектральному приладі є оптична система, призначена для отримання паралельного потоку світла, його фокусування, зміни ходу променів і т.д.

В джерелі збудження речовина атомізується і збудженні атоми й іони вилучають світло, яке диспергуючим елементом розділяється в просторі на окремі складові, а приймач світла їх фіксує. Джерела збудження переводять пробу з конденсованої фази в пароподібну і збуджують речовину в цій фазі. У більшості джерел збудження ці функції суміщаються, однак в окремих випадках застосовують два пристрої:

–         один для отримання газової фази;

–         другий для збудження.

При аналізі, наприклад, біологічних об’єктів або деяких виробів металургійної промисловості, коли особливу цікавість викликає локальний аналіз, для переводу вибраної частини проби в пароподібний стан з успіхом застосовується лазерна техніка.

Джерело збудження повинно забезпечувати необхідну яскравість спектра порівняно з фоном і бути достатньо стабільним, тобто інтинсивності спектральних ліній повинні застосовуватися в якості джерел збудження отримали полум’я, дуга й іскра.

Полум’я. Збудження атомів в полум’ї має термічну природу. Температура полум’я залежить від складу горючої суміші. Полум’я звичайного газового пальника має t » 900 °C, суміш Н₂ + повітря t » 2100 °C, Н₂ + О₂ t » 2800 °C, С₂Н₂ + О₂ t » 3000 °C. Аналізована речовина вводиться за допомогою спеціального розпилювача у полум’я в вигляді розчину.

Дуга. Електрична дуга – це електричний розряд при порівнянно великій силі струму (5…7 А) і невеликій напрузі (50…80 В). розряд підтримується за рахунок термоелектронної емісії з розжареної поверхні катода. Розряд пропускають між електродами з аналізованого зразка або між зразком і електродом, який не містить визначуваних елементів. Температура дуги досягає 5000-6000 °C. Введення в електроди домішок, які володіють більш низьким, ніж основний елемент проби, потенціалом збудження понижує температуру дуги. Так, в присутності солей калію температура дуги між вугільними електродами падає з 7000 °C до 400 °C. Це відкриває можливість регулювати температуру дуги і підтримувати її постійною шляхом введення в зону розряду елемента з низьким потенціалом збудження – так званого спектроскопічного буфера. За звичай, це солі калію або натрію в достатній кількості. В присутності спектроскопічного буферу встановлюється певна температура плазми, яка практично не залежить від складу аналізованої проби. В дузі отримують спектр майже всіх елементів.

Іскра. Для отримання іскри використовують спеціальні іскрові генератори. При горінні іскри розвивається температура 7000-10000 °C і відбувається збудження всіх елементів.

Велика перевага:

1. можливість проведення локального мікроспектрального аналізу за допомогою мікроіскрового методу, в якому застосовують голчасті мікроелектроди (наприклад, мідні).

2. стабільність умов розряду

3. не викликає руйнування зразка на відміну від дуги.

Диспергуючий елемент. Розкладає випромінювання в спектр:

–         призми,

–         дифракційні решітки,

–         інтерференційні пристрої.

 

Приймачі світла.

1. фотопластинка.

При освітленні фотопластинки в світлочутливому шарі утворюється приховане зображення:

АgBr + hn = Аg + Br

а освітлених місцях пластинки з’являються кристали металічного срібла. Проявник завершує процес відновлення срібла на освітлених ділянках і дозволяє отримати видиме зображення. Отримане зображення закріпляють (фіксують) за допомогою Na₂S₂O₃, який розчиняє кристали галогеніду срібла, який не піддався впливу світла:

АgBr + 2Na₂S₂O₃ = [Ag(S₂O₃)₂]^3- + Br^– + 4Na⁺.

Після такої обробки на пластинці залишається зображення спектра у вигляді спектральних ліній.

До переваг фотопластинок належить:

–         здатність їх інтегрувати інтенсивність світла;

–         висока чутливість;

–         достатньо широкий спектральний інтервал;

–         документальність аналізу;

–         довготривалість збереження отриманої інформації.

2. Фотоелементи – це пристрої, які перетворюють світлову енергію в електричну. Дія фотоелементів базується на явищі фотоефекту.

Переваги:

1.                висока чутливість;

2.                широкий спектральний інтервал;

3.                простота конструкції.

Недоліки:

1. нелінійність світлової характеристики;

2. інерційність;

3. помітна температурна залежність фотоструму.

Прилади для атомного спектрального аналізу називаються стилоскопи (390-700 нм), спектрографи (200-600 нм), стилометри, квантоміри.

 

Якісний спектральний аналіз.

Основою якісного спектрального аналізу є властивість кожного хімічного елемента випромінювати характерний лінійчатий спектр. Отже, якісний аналіз полягає у відшукуванні ліній визначуваного елемента в спектрі проби. Належність ліній даному елементу встановлюється по довжині хвилі та інтенсивності лінії. Однак, загальне число ліній в спектрі багатьох елементів дуже велике: наприклад, спектр торію нараховує більше 2500 ліній, а спектр урану – більше 5000. Немає необхідності, звичайно, визначати довжини хвиль всіх спектральних ліній в спектрі проби. Для цього достатньо лише встановити наявність або відсутність в спектрі так званих аналітичних або останніх ліній.

При зменшенні вмісту елемента в пробі інтенсивність ліній цього елемента в спектрі буде зменшуватися, деякі лінії зникнуть і число ліній зменшиться. При деякій дуже малій концентрації залишиться всього декілька ліній. Це і є ті останні лінії, за якими звичайно проводиться якісний аналіз. Останні лінії добре вивчені, їх довжини хвиль і характеристику інтенсивності можна знайти в спеціальних таблицях і атласах спектральних ліній.

Для розшифровки спектру і визначення довжини хвилі аналізованої лінії користуються спектрами порівняння, в яких довжини хвиль окремих ліній добре відомі. Частіше всього для цього використовують спектр заліза, який має характерні групи ліній в різних областях довжин хвиль.

Спектральним аналізом можна виявити близько 80 елементів. Межа виявлення методами якісного спектрального аналізу коливається для різних елементів в дуже широких межах: від 10^-2 (Hg, Os, U…) до 10^-5 % (Na, Bi, B…).

 

Кількісний спектральний аналіз.

В практиці кількісного спектрального аналізу звичайно використовують інтенсивність не окремої лінії, а відношення інтенсивності двох спектральних ліній, які належать різним елементам. Таким чином, в якості властивості, зв’язаної з концентрацією елемента, використовується відношення інтенсивності лінії визначуваного елемента до інтенсивності лінії іншого елемента в тому ж спектрі.

Рівняння Ломакіна для аналітичної лінії для аналітичної лінії і лінії основи має вигляд:

; , а їх відношення:

.

Отже, відношення інтенсивностей також є пропорційне концентрації елемента в пробі. Це головне рівняння методів кількісного спектрального аналізу. Методи відрізняються тільки способом оцінки відносної інтенсивності.

При виборі пари ліній витримують наступні вимоги:

D Е £ 1 еВ;

l_а – l_осн £ 10 нм;

0,1 £ І_а / І_осн £ 10.

Пара ліній, яка задовольняє цим вимогам, називається гомологічною парою.

В залежності від способу оцінки інтенсивностей розрізняють наступні методи кількісного спектрального аналізу:

1.                візуальні;

2.                фотографічні;

3.                фотоелектричні.

Загальна характеристика методу.

–         низька межа виявлення 10^-3-10^-5 %, а із збагаченням 10^-5-10^-7 %;

–         точність (відносна похибка 1-2 %);

–         експресність;

–         універсальність.

 

 Полуменевий емісійний аналіз.

Полуменевий емісійний аналіз – частина емісійного спектрального аналізу, в якому в якості джерела збудження використовується полум’я різних типів:

Світильний газ – повітря            1700 – 1840 °С

Пропан – повітря                         1925 °С

Ацетилен – повітря                      2125 – 2397 °С

Водень – повітря                          2000 – 2045 °С

Світильний газ – кисень              2370 °С

Ацетилен – кисень                       3100 – 3137 °С

Диціан – кисень                            4380 °С

        

В полум’ї збуджується достатньо багато елементів, причому число їх росте із збільшенням температури полум’я. Атомні спектральні лінії в полум’ї вилучають лужні і лужноземельні метали, Ga, In, Cr, Mn, Ni, Co, Cu, Ag та ін.

Переваги:

–         можливість визначення близько 40 елементів,

–         висока чутливість;

–         висока точність.

Чутливість визначення лужних і лужноземельних металів n*10^-6 % 0,001 мкг/мл – лужних металів 0,1 мкг/мл – інші метали. Похибка 1….3 %. Висока відтворюваність методу.

Кількісний аналіз в полуменевій фотометрії базується на вимірюванні залежності інтенсивності випромінювання від концентрації.

Схема процесів у полум’ї

Розчин солі         ®      аерозоль рідина-газ      ®

 аерозоль тверде тіло-газ          ® пари солі          ®

дисоціація солі              ®             Me

!!! Полум’я – джерело атомізації.

Me + hn  =  Me^*

!!! Полум’я – джерело збудження атомів.

 Me^*  =  Me + hn

Характеристика деяких типів полум’я

Схема перетворень за участю атомів металів у полум’ї

!!! Інтенсивність випромінювання спектральної лінії прямо пропорційна числу введених в полум’я атомів (або концентрації солі металу в розчині) при постійних умовах збудження

 

І

 

 

 

 

 

                                      С

Аналізований розчин вводиться в полум’я пальника у вигляді аерозолю. При цьому розчинник випаровується. А солі металів дисоціюють на атоми, які при певній температурі збуджуються. Збуджені атоми, переходячи в нормальний стан, випромінюють світло характеристичної частоти, яке виділяється світлофільтром, а інтенсивність його вимірюється фотоелементом.

В полум’ї збуджуються достатньо багато елементів, причому їх число зростає із збільшенням температури полум’я. Атомні спектральні лінії в полум’ї вилучають лужні і лужноземельні метали, галій, індій, хром, манган, нікель, кобальт, купрум, аргентум та ін.

Інтенсивність випромінювання спектральної лінії прямо пропорційна числу введених в полум’я атомів (N) або концентрації солі металу в розчині при постійних умовах збудження:

Кількісний аналіз в полуменевій фотометрії базується на цій залежності. При стабільній роботі приладу залежність між концентрацією речовини в пробі і величиною відліку (сила струму) на приладі має лінійну природу.

Однак ця відповідність може бути порушена рядом процесів:

–                     в’язкість і поверхневий натяг розчину, який розпилюють;

–                     самопоглинання (реабсорбція) при високих концентраціях визначуваного елемента у полум’ї;

–                     іонізація атомів металу при високих температурах;

–                     утворення малолетких і малодисоційованих сполук;

–                     аніонний ефект;

–                     катіонний ефект.

Для усунення впливу даних факторів до досліджуваного розчину можна додавати спирти, кетони, ацетатну кислоту (все приводить до зниження поверхневого натягу і покращення розпилення); введення вивільнюючих добавок (ЕДТА, 8-оксихінолін) і відповідно проведена пробопідготовка допоможуть позбутися аніонного і катіонного ефектів, його можна врахувати також шляхом підготовки стандартних розчинів в умовах аналогічних до досліджуваного або шляхом застосування побудови градуювального графіка по методу добавок.

В полуменевій фотометрії застосовують два типи приладів:

–                     полуменеві фотометри;

–                     полуменеві спектрофотометри.

В перших спектральна лінія виділяється за допомогою світлофіольтра. На фотометрах визначають невелику кількість елементів: калій, натрій, літій, кальцій та інші лужні і лужноземельні метали. Фотометри мають малу роздільну здатність і дозволяють аналізувати прості за складом розчини.

В полуменевих спектрофотометрах вилучене світло розкладається за допомогою призми або дифракційної решітки (гратки). В спектрі виділяють необхідну спектральну лінію (за допомогою щілини). Спектрофотометри дають змогу аналізувати велике число елементів, мають високу чутливість і селективність.

Методика аналізу полягає в наступному:

– підготовка зразка до аналізу;

– введення розчину у полум’я;

– виділення аналітичної спектральної лінії атомів аналізованого елемента;

– вимірювання інтенсивності спектральної лінії;

– розрахунок концентрації речовини в пробі.

 

Основні прийоми кількісного аналізу в полуменевій фотометрії.

1.     Метод градуювального графіка.

2.     Метод добавок

3.     Метод порівняння

1.     Градуювальний графік будують по серії стандартних розчинів в координатах: величина струму (I, мкА) – концентрація (С, мкг/мл).

2.     Метод добавок застосовують для визначення “слідів” елементів і розчинів з високою концентрацією. Обов’язковою умовою при цьому є визначення області концентрацій з прямолінійною ділянкою калібрувального графіка.

1.     Концентрацію методом обмежуючих розчинів вимірюють по інтенсивності випромінювання аналізованого розчину і двох стандартних розчинів з меншою і більшою концентрацією (порівняно з аналізованим розчином) С₁<С_Х<С₂.

Тому кожному вимірюваному розчину відповідно до його концентрації відповідає його інтенсивність випромінювання: С_Х ® І_Х; С₁ ® І₁; С₂ ® І₂. Маючи цю відповідність, складемо відповдність різниць інтенсивностей різницям концентрацій:

.

Концентрацію досліджуваного розчину розраховуємо за формулою:

.

Чутливість полуменевої фотометрії залежить від: інтенсивності аналітичної лінії, хімічного складу аналізованого розчину, стабільності роботи апаратури. Наприклад, натрій можна визначати при концентрації 0,001 мкг/мл, а калій – 0,01 мкг/мл.

Метод полуменевої фотометрії з успіхом застосовується для визначення калію, натрію, кальцію, магнію в біологічних рідинах і субстратах; в фармацевтичних препаратах, зокрема “Аспаркам” (“Панангін”) містить калій аспарагінат. Вміст калій аспарагінату знаходять методом порівняння із стандартним розчином калію, а перерахунок проводять на аспарагінат калію.

Порівнюючи методи емісійної фотометрії та абсорбційної спектрофотометрії слід зазначити, що емісійна фотометрія має наступні переваги:

–                     вища чутливість, бо вимірюється значення вилученої енергії, а не зміна інтенсивності характеристичного випромінювання;

–                     простота апаратурного оформлення порівняно з атомно-абсорбційним аналізом.

 

Метод атомно-абсорбційного аналізу (запропонував у 1955 році Уолш) базується на поглинанні вільними атомами  резонансного випромінювання при пропусканні променя світла через шар атомної пари:

         Селективно поглинається світло на частоті резонансного переходу атома. Атоми переходять з основного стану у збуджений, а інтенсивність променя світла, що пройшов зменшується

,

де: І₀ – інтенсивність резонансного монохроматичного падаючого випромінювання;

І – інтенсивність резонансного монохроматичного випромінювання, яке пройшло через шар атомної пари;

k_n – коефіцієнт поглинання випромінювання;

l – товщина шару.

         При поглинанні кванта світла hn вільний атом А переходить в збуджений стан А^*:

А + hn = А^*,

h  – постійна Планка;

n – частота, що визначається умовою частот Бора:

,

де Е_А* і Е_А – енергія атома в збудженому і основному станах відповідно.

         Найбільш імовірною зміною енергетичного стану атома при збудженні є перехід на рівень, найближчий до основного енергетичного стану, тобто резонансний перехід. Якщо на незбуджений атом направити випромінювання з частотою, рівною частоті резонансного переходу, кванти світла будуть поглинатися атомами й інтенсивність випромінювання буде зменшуватися. Використання цього явища і лягло в основу атомно-абсорбційної спектроскопії.

         Таким чином, якщо в емісійній спектроскопії концентрація речовини пов’язана з інтенсивністю випромінювання, яке було прямо пропорційне  числу збуджених атомів, то в атомно-абсорбційній спектроскопії аналітичний сигнал (зменшення інтенсивності випромінювання або оптична густина) пов’язаний із числом незбуджених атомів.

         Джерело випромінювання – лампа з порожнистим катодом, що містить визначуваний елемент. Ця лампа є скляним балоном з катодом у вигляді стаканчика чи циліндра, виготовленого з необхідного металу чи сплаву, анодом і віконцем для виходу виходу променя. Лампа заповнена інертним газом (аргон, неон при тиску 100 Па). При подачі на електроди напруги ~ 300 В в лампі виникає тліючий розряд, причому він локалізується в порожнині катоду. Іони інертного газу бомбардують катод, вибиваючи атоми металу і розпилюючи їх. Атоми металу збуджуються в газовому розряді через зіткнення з іонами і електронами інертного газу. В результаті лампа вилучає емісійний спектр необхідного елемента.

Me + Ar⁺(e^–) ® Me^* ® Me + hn_резон.

         Пальники. Оскільки зменшення інтенсивності випромінювання пропорційне товщині поглинаючого шару, то пальники мають спеціальну конструкцію, яка забезпечує постійну і достатньо велику довжину поглинаючого шару полум’я (5-10-15 см). Поряд з полуменевими атомізаторами використовуються  електротермічні атомізатори (графітова кювета Львова).

         Монохроматизатори – призми, дифракційні решітки, щоб виділити аналітичну лінію визначуваного елемента з усього потоку випромінювання, яке йде від полум’я.

         Приймачі світла – фотопомножувачі для підсилення фотоструму, який виникатиме при прийманні світла фотоелементом.

         Кількісне визначення. Зменшення інтенсивності резонансного випромінювання в умовах атомно-абсорбційної спектроскопії підчиняється закону Бугера-Ламберта-Бера. Якщо І₀ – інтенсивність падаючого монохроматичного світла, І – інтенсивність світла, яке пройшло через полум’я, то величину  можна назвати оптичною густиною.Концентраційна залежність оптичної густини виражається рівнянням:

,

де  k – коефіцієнт поглинання;

l – товщина шару полум’я;

C – молярна концентрація.

         Оптична густина згідно даного рівняння прямо пропорційна концентрації речовини. Досвід показує, що залежність оптичної густини від концентрації часто виявляється не строго лінійною. Відхилення від лінійності викликаються декількома причинами, серед яких найбільш суттєвими є нижче приведені.

Фізичні причини відхилення від основного закону в атомно-абсорбційній спектрометрії:

–                     нестабільність роботи різних вузлів приладу;

–                     немонохроматичність ліній випромінювання;

–                     іонізація атомів металу (щоб зменшити вводять іонізаційні буфери – солі літію).

Хімічні причини відхилення від основного закону в атомно-абсорбційній  спектрометрії:

–                                      аніонний ефект (при наявності деяких аніонів утворюються важколеткі сполуки, які тяжко випаровуються, тяжко дисоціюють, важко атомізуються, а тому відбувається недовизначення елемента порівняно з істинним його вмістом). Найбільший вплив має фосфат, менший – хлорид, а найменший – сульфат. Щоб уникнути цього впливу, треба створити аналогічне середовище в стандартному розчині. Як у досліджуваному розчині. Аніони органічних кислот можуть впливати по-різному: 1)поліпшувати розпилення; 2)утворювати важколеткі карбіди.

–                                      катіонний ефект. Найпоширеніший вплив  кремнію, алюмінію. Кремній відокремлюють у вигляді осаду кремнієвої кислоти на стадії пробопідготовки; а алюміній враховують або введенням невеликих кількостей алюмінію в стандартні розчини або введенням вивільнюючих добавок: солей лантану, стронцію, кальцію, трилону Б, амонію, 8-оксихіноліну.

 

Основні прийоми кількісного аналізу.

2.     Метод градуювального графіка. Застосовується у випадку аналізу простих об’єктів. При аналізі складних об’єктів, де неможлива підготовка стандартних розчинів із складом, аналогічним до досліджуваного, готується градуювальний графік по методу добавок.

3.     Метод добавки. Застосовується у випадку виконання основного закону і при необхідності врахування заважаючого впливу сторонніх компонентів досліджуваного об’єкта.

Застосування. Метод застосовується для визначення більше, ніж 70 елементів. Межа виявлення – 10^-5 – 10^-6% (часто вона визначається температурою полум’я (для атомізації важких металів необхідне високотемпературне полум’я).

Переваги атомно-абсорбційної спектрометрії над полуменевою емісійною спектрометрією:

–                     висока селективність;

–                     велика кількість визначуваних елементів.

Недоліки: несективне поглинання (при аналізі складних об’єктів у полум’ї буде знаходитись велика кількість сторонніх іонів, які зможуть поглинати монохроматичне випромінювання).

 

Люмінесцентний метод аналізу: теоретичні основи, принципова схема, якісний і кількісний аналіз; застосування.

Люмінесценцією називають надлишок над температурним випромінюванням  тіла в тому випадку, якщо це надлишкове випромінювання володіє кінцевою тривалістю приблизно від 10^-10 с і більше.

Схильність атомів і молекул поглинати енергію, яка поступає до них ззовні, викликає новий енергетичний стан речовини, який називається збудженим. Надлишкова енергія атомів або молекул, отримана при збудженні, може бути використана на відрив електроннів – іонізацію речовин ; на нагрів речовини  тобто, перехід надлишкової енергії в теплову крім того, збуджені атоми або молекули здатні віддавати всю надлишкову енергію в теплову. Крім того, збудженні атоми або молекули здатні віддавати всю надлишкову енергію або частину її у вигляді світла. Як правило, більшість твердих речовин при сильному нагріванні світяться. Таке свічення розжарених тіл називають температурним або тепловим випромінюванням. Чим більше енергії при даній температурі поглинає тіло, тим воно більш її випромінює.

У деяких речовин спостерігається свічення і без нагрівання при кімнатній температурі, яке називають холодним  січенням або люмінесценцією. На відміну від температурного люмінесцентне випромінювання є нерівноважним і продовжується відносно довго після припинення дії зовнішнього збуджуючого фактора. Повне визначення поняття люмінесценції дано С.М. Вавіловим: ‘Люмінесценцією називають надлишок над температурним випромінюванням  тіла в тому випадку, якщо це надлишкове випромінювання володіє кінцевою тривалістю приблизно від 10^-10 с і більше”.

Тривалість після свічення для різних люмінесціюючих речовин різна: від міліардних частин  секунди  (для кремих атомів і молекул )до годин і навіть декількох діб ( для кристалофорів).

Явище люмінесценції різноманітні за властивостями і походженням. Різні види люмінесценції визначаються природою енергії збудження, тривалістю свічення і хімічними властивостями люмінесціюючих речовин. В залежності від виду люмінесценції розглядають наступні розділи люмінесцентного аналізу:

фотомомінесценція або флюоресценція ( базується на свіченні речовини після поглинання світлової енергії УФ чи видимої ділянки спектра):

–         катодолюмінесценція ( базується на свіченні речовини, викликаному бомбордуванням швидкими електронами);

–         хемімомінесценція ( базеється на свіченні речовин, яке виникає за рахунок енергії хімічних реакцій );

–         термамомінесценція ( базується на свіченні речовин, яке викликається нагріванням );

–         триболюмінесценція ( базується на вимірюванні свічення речовин, яке викликається механічним впливом  на них: теорія і т.д.);

Люмінесценцію також класифікують за наявністю після свічення.  Вона може припинятися одразу при знятті збудження – фрю–ресценція або може може продовжуватися і тривати деякий час після припинення збуджуючої дії фосфоресценція.

В хімічному аналізі головним чином використовують явище флюорисценції, тому метод назвали флюориметрією. В розробку теорії люмінесценції великий внесок вніс великий вчений С.У.Вавілов.

Всі люмінесціюючі речовини мають спільну назву люмінофори. Неорганічні люмінофори найчастіше називають просто люмінофорами, а органічні – органолюмінофори. Органічні і неорганічні люмінофори суттєво відрізняються за природою свічення. У перших процеси поглинання збуджуючого світла і випромінювання проходять в межах кожної, здатної люмінесціювати молекули. У других, частіше всього активованих і маючих кристалічну структуру, в акті люмінесценції беруть участь не окремі атоми і молекули, а кристали. Ці люмінофори називають кристалофосфорами.

Відомо два механізми виникнення свічення:

свічення окремих центрів, коли процес виникнення люмінесценції проходить лише в одній частинці ( центр свічення)яка є поглиначем енергшії і випромінгювачем світлових квантів;

рекомбінаційні процеси свічення , при яких, як правило, поглинання енергії здійснюється не тими самими частинками, які випромінюють світлові кванти.

По першому механізму здійснюється свічення більшості органічних речовин в розчині, в тому числі і внутрішньокомплексних сполук органічних люмінесцентних реагентів з катіонами. Свічення кристалів з решітками молекулярного типу, наприклад нафталіна, антрацена і їх похідних визначаються рекомбінаційними процесами. Таке свчення спостерігається і у сульфіду цинку, сульфіду кадміюЮ оксиду кальцію і т .п., кристалічні решітки яких володіють деяким дефектами,  викликаними включенням домішок – іонів важких металів. В цьому випадку у виникненні флюорисценції приймає участь весь кристал в цілому, такий вигляд свічення називають свіченням кристалофосфорів.

         Здатність речовин люмінесціювати визначається хімічною структурою люмінофорів. У всіх видах люмінесценції проявляються характерні властивості речовини і це може бути основою для розпізнавання і вивчення цих речовин.

В аналітичній практиці найбільш широкого застосування набула фотолюмінесценція, а саме флуоресценція, тобто характерне свічення аналізованих розчинів і кристалофосфорів в ультрафіолетовому світлі.

Отже, люмінесценція відрізняється від випромінювання нагрітих тіл своєю нерівноважністю: мюмінесценція практично не використовує теплову енергію випромінюючої системи, тому називається холодним свіченням. Це визначення відрізняє люмінісценцію від інших видів нерівноважного свічення – розсіювання, відбиття світла, комбінаційне розсіювання, втпромінювання Вавілова- Черенкова і т.д.

Люмінесценція виникає в результаті електронного переходу при поверненні частинок із збудженого стану в нормальний. Таким чином, молекула перетворює поглитуту енергію у власне випромінювання. Цим люмінесценція відрізняється від процесів невласного випромінювання – розсіювання і відбиття світла. Люмінесціюючі речовини можуть знаходитись в будь-якому агрегатному стані.

Види люмінесценції за природою енергії збудження:

–         фотолюмінесценція або флуоресценція;

–         катодолюмінесценція;

–         хемілюмінесценція;

–         термолюмінесценція;

–         триболюмінесценція.

Види люмінесценції за наявністю післясвічення

–         флюоресценція;

–         фосфоресценція.

Схема виникнення люмінесценції

   Коливальна релаксація

V₃

                                        V₂

V₁

V₀

Збуджений стан

                                                 Флуоресценція

 

V₀

Основний стан  

         

При поглинанні кванта світла електрон переходить з основного рівня  на більш високий, який відповідає збудженому стану. При кімнатній температурі молекули найчастіше знаходяться в основному стані і майже всі електронні переходи при поглинанні світла відбуваються з нижнього (основного) коливального підрівня на різні коливальні підрівні збудженого стану.

          Збуджена молекула за рахунок так званої коливальної релаксації при зіткненні з оточуючими молекулами дуже швидко порівняно з часом електронного переходу втрачає надлишкову коливальну енергію і переходить на основний коливальний рівень збудженного коливального стану (хвиляста стрілка).

          При переході з основного коливального підрівня збудженного стану на який-небуть коливальний підрівень основного електронного стану відбувається вилучення кванта світла. Цей процес називається флуоресценцією. Час затухання флуоресценції становить 10 –9… 10 – 7 с.

         Дезаективація збудженої молекули може відбуватися також за рахунок безвипромінювальних переходів внутрішньої конверсії.

          Так як в залежності від частоти світла, яким опромінюють,  частинка переходить в енергетично різні збуджені стани, можна було б очікувати зв`язку спектра флуоресцкції із спектром збудження джерела. Однак в дійсності цей зв`язок не спостерігається. Незалежність спектра флуоресценції від довжини хвилі падаючого світла, головним  чином , пов`язана з тим, що збуджені молекули в результаті коливальної релаксації встигають витратити коливальну енергію за час, значно менший, ніж час життя збудженого стану, і перейти на основний коливальний рівень збудженого електронного стану. Перехід такої системи у незбуджений стан характеризується випромінюванням одних і тих же квантів світла, тобто спостерігається один і той же спект флуоресценції. У той же час в деяких випадках це розширює можливості люмінесцентного аналізу, даючи можливість селективного збудження певних сполук. Як бачимо, між спектром поглинання речовини й спектром випромінювання можна чекати певної подібності, так як вони обидва визначаються одними і тими же електронними переходами. Подібність дійсно є, причому, як встановлено законом Стокса – Ломмеля, спектр випромінювання і його макисмум завжди зсунуті в сторону більших довжин звиль порівняно зі спектром поглинання і його максимумом.

 

Це перша закономірність.                                                                      

2) правило дзеркальної симетрії, у відповідності з яким спектри поглинання і флюоресценції, побудовані  в шкалі частот, приблизно симетричні відносно прямої, яка проходить через точку їх перетину. 

 

Закон Стокса – Ломеля: спектр випромінювання і його максимум завжди зсунуті в сторону більших довжин хвиль порівняно зі спектром поглинання і його максимумом.

 

 

 

 

 

 

 

   Вк

     Ев

 

                                                                                      

 

                   1                           2

 

 

             поглинання    люмінесценція

 

                                                                                     l, нм

 

Правило дзеркальної симетрії: спектри поглинання і флюоресценції, побудовані  в шкалі частот, приблизно симетричні відносно прямої, яка проходить через точку їх перетину. 

Відстань між максимумами спектру поглинання і максимумом спектру люмінесценції називають стоксовим зміщенням.

Люмінесціюючі речовини характеризуються величиною стоксового зміщення: чим більше його значення, тим більш надійно визначають речовини люмінесцентним методом.

Принципова схема люмінесцентного вимірювання

 

 

                                                         ФЕ

                                              2

			Сх

 

                                                                                                

 

                 

 

                   1                                                          

                                                     2                

                                                        ФЕ

                           

 

Флуоресцентні методи аналізу поділяють на:    

–       прямі ( безпосередньо вимірюють );

–       непрямі ( флуоресценція є індикатором та вказує на закінчення процесу визначення речовин, особливо широкого застосування набули при кислотно-основному титруванні – акридин, люмінол, саліцилова кислота, антранілова кислота).

! Методи прямого флуоресцентного аналізу базуються на законі С.І.Вавілова:

Ф= К × С

Закон правдивий в області малих концентрацій 10^–7 – 10 ^–4 моль /дм³

! Кількісний аналіз:

1.  Метод градуювального графіка

2.  Метод порівняння

3.  Метод добавок

Застосування для визначення:

–       речовин з власною флуоресценцією (D, P₁, В₁, В₂);

–       речовин, що утворюють з різними регентами флуоресціюючі речовини ( визначення Al³⁺, по його комплексу з саліцилаль-о- амінофенолом або 8-оксихіноліном);

–       речовини, які гасять люмінесценцію різних речовин (визначення Zn²⁺ по гасінню флуоресценції  родаміну(С)-тіоціанату, який зв’язується з Zn²⁺ – іонами);

–       визначення “слідів” металів;

–       визначення ароматичних органічних сполук;

–       титриметричних визначень в каламутних або темнозабарвлених розчинах.

 

! Перевага методу – висока чутливість (~10^-5 %).

Похибка прямого флуоресцентного визначення 5-7 %.

 

Нефелометричний і турбідиметричний методи: суть та застосування.

    При проходженні світла через дисперсні системи спостерігається розсіювання або поглинання світла твердими частинками.

Інтенсивність світлового потоку, який розсіюється невеликими частинками зависі, описується рівнянням Релея:

При постійних значеннях F, V, r, b можна записати:

Відношення інтенсивності розсіяного світла до інтенсивності падаючого світла пропорційне концентрації частинок зависі.

! Кількісний нефелометричний аналіз

1.  Метод градуювального графіка .

2.  Метод порівняння:

    У турбідиметричному методі аналізу інтенсивність світлового потоку зменшується внаслідок поглинання і розсіювання світлового потоку частинками зависі.

Зменшення інтенсивності світлового потоку внаслідок розсіювання і поглинання описується рівнянням:

За інших однакових умов отримуємо, що

! Кількісний турбідиметричний аналіз:

1.  Метод градуювального графіка .

! Приведені залежності справедливі тільки для дуже розбавлених розчинів суспензій (не більше 100 мг/дм³)

! Перевага: висока чутливість (порівняно з класичними якісними реакціями)

! Недоліки:

–       невисока відтворюваність

–       достатньо висока похибка (більше 10 %).

 

Екстракція, як метод вилучення, розділення та концентрування.

 

Екстракція. Розподіл речовини між двома рідинами

Екстракція – процес переведення речовини з водної фази  в органічну.Екстракція – складний фізико-хімічній процес. При зіткненні водного розчину речовини А з яким-небудь розчинником, який не змішується або обмежено змішується з водою розчинена речовина А буде розподілятися між двома розчинниками і через деякий час в такій системі встановиться рівновага

А_в «А_о

де:А_в і А_о – речовина А у воді і в органічному розчиннику відповідно.

Процес переносу розчиненої речовини з одної рідкої фази в іншу, яка з нею не змішується або обмежено змішується називають рідина – рідинним розподілом або розподілом між двома рідинами.

Кількісно цей процес характеризується законом розподілу Нернста-Шилова, у відповідності з яким відношення концентрацій розчиненої речовини в обох фазах при постійній температурі є постійним і не залежить від концентрації розчиненої речовини:

                                               D = C_Ao / C_Aв ,

де : D – коефіцієнт розподілу;

C_Ao – аналітична (тобто сумарна ) концентрація всіх форм речовини А в органічній фазі ;

С_Ав  – аналітична концентрація всіх форм речовини А у водній фазі.

Величина D зберігає постійне значення лише у відсутності процесів дисоціації, асоціації, полімеризації та інших перетворень розчиненої речовини.

При підстановці у вираз коефіцієнту розподілу активностей речовини А в органічній фазі і у водному розчині замість їх концентрацій коефіцієнт розподілу буде залишатися постійним в широкій області концентрацій, оскільки процеси асоціації та інші будуть формально враховані коефіцієнтами активності. Однак при невисоких концентраціях речовини А коефіцієнт розподілу D і так зберігає задовільну постійність і часто застосовується як головна характеристика розподілу речовини.

Інколи виразу закону розподілу надають вигляду:

D = С_Ао/Сⁿ_Ав  ,

в якому n – підбирають емпірично. В найпростішому випадку n характеризує ступінь полімеризації розчиненої речовини в органічному розчиннику.

Відношення активності речовини в одній певній формі (н-д, МL_n) в фазі органічного розчинника до її  активності у водній фазі називають константою розподілу К_D^T:

К_D^T= а_(MLn)o/ a_(MLn)в = [MLn]_{o *}  f_(MLn)o/[MLn]_{в  *}  f_(MLn)в  = К_D^Р _* f_(MLn)o/f_(MLn)в .

Коефіцієнт і константа розподілу зв’язані з розчинністю речовини. В найпростішому випадку, коли речовина в обох фазах існує в одній і тій же формі  (н-д, у вигляді недисоційованих молекул), константа і коефіцієнт розподілу рівні відношенню розчинностей речовини в органічному розчиннику і у воді. Дійсно, якщо в систему з води і органічного розчинника, який не змішується з нею, ввести тверду речовину до насичення, то концентрація речовини в кожній фазі буде рівна розчинності цієї речовини у відповідному розчиннику і коефіцієнт розподілу:

D = (S_A)_o / (S_A)_в  ,

де  (S_A)_o  – розчинність речовини в органічному розчиннику , (S_A)_в  – розчинність у воді.

Основні кількісні характеристики екстракції

Екстракція – це один з випадків рідина-рідинного розподілу, коли з водного розчину речовина вилучається в органічний розчинник.

Реагент, який утворює сполуку, яка потім екстрагується, називається екстракційним реагентом, а органічний розчинник , який використовується для екстракції або розчин екстракційного реагента в органічному розчиннику, називають екстрагентом.

Для покращення фізичних (густина, в’язкість) або екстракційних властивостей екстрагента у нього нерідко додають розбавник – інертний органічний розчинник або використовують суміш розчинників.

          

Важливою кількісною характеристикою екстракції є фактор (або ступінь) вилучення:

R = n (A) / n (A)_поч ,

де: n (A) – кількість речовини в органічній фазі; n (A)_поч  – початкова кількість речовини у водному розчині.

Очевидно, що n (A) = [A]_{o *} V_o ,  n(A)_поч = С_А^о _* V_в  = [А]_{о *}V_o + [A]_{в  *} V_в  ,

де:  С_А^о – концентрація речовини А у початковому водному розчині.

Тоді, фактор вилучення матиме вигляд:

Поділимо чисельник і знаменник отриманого виразу на [А]_в*V_o і знайдемо: 

Якщо V_o/V_в= r, тоді

Це рівняння відноситься до однократної екстракції і залишається справедливим при багатократному повторенні цієї операції.

Ступінь вилучення при m – кратній екстракції:

.

Фізичний зміст даного рівняння полягає в тому, що доцільніше екстрагувати малими порціями розчинника декілька разів, ніж 1-2 рази великими порціями екстрагента.  Ступінь вилучення зростає по мірі збільшення числа операцій  m  при даному об’ємі екстрагента.

Можливість розділення трьох катіонів А і В до недавнього часу пов’язувалося з коефіцієнтом розділення æ (або фактор розділення), який рівний відношенню коефіцієнтів розподілу цих іонів

æ =D_А /D_в

При æ =1 розділення неможливе. Чим більше æ відрізняється від 1, тим ближче до оптимальних будуть умови розділення. Більш загальною характеристикою можливості розділення є фактор збагачення S, який показує у скільки разів відношення кількостей розділюваних речовин у фазі екстрагента перевищує це відношення у вихідному розчині до розділення:

n(B)/n(A) – співвідношення кількостей розділюваних іонів у початковому водному розчині;

n(B)_o/n(A)_o – співвідношення кількостей розділюваних іонів після їх розділення, тобто в органічній фазі;

S_B/A – фактор збагачення:

.

Розглянемо екстракцію деякого катіона Mⁿ⁺ :

Mⁿ⁺+n(HL)_O=(MLn)o+nH⁺ ,

де HL – екстракційний реагент; (HL)o – екстракційний реагент в органічній фазі.

Константа цього процесу – константа екстракції К_ех:

.

При постійній іонній силі розчину (μ=const):

.

Якщо рівновага екстракції помітно не ускладнена кислотно-основною взаємодією, ступінчастим комплексоутворенням, асоціацією та іншими процесами, то

D_М=.

;

З рівняння для К_ex:

Тоді

Якщо К_D >>D_M, то  має мале значення і тоді:

Про логарифмуємо це рівняння:

.

Отже, коефіцієнт розподілу є тим вищим, чим вище значення pH розчину і концентрація реагент HL. Однак, це не означає, що екстракцію в усіх випадках слід проводити з лужного розчину. Для кожної системи існують оптимальні значення pH і концентрації реагента. Константа екстракції є функцією константи стійкості комплексу, який утворюється, констант розподілу реагента, комплексу, константи кислотності реагента:

К_ех=f(β_MLn, K_HL, K_D(HL), K_D(MLn)).

Чим більше значення β_MLn, K_HL, K_D(MLn)  і менше K_D(HL), тим більша К_ех.

 

Класифікція і типи екстракційних систем

Способи проведення екстракції:

– періодична екстракція, в процесі якої речовина, яка екстрагується, вилучається шляхом струшування в ділильній лійці з екстрагентом;

– неперервна екстракція, яка здійснюється в спеціальних приладах;

– противоточна екстракція.

Типи сполук, які екстрагуються

Сполуки, які екстрагуються органічними розчинниками і переходять в органічну фазу, поділяють на декілька груп.

1. Галогеніди, які характеризуються наявністю ковалентного зв’язку: HgCl₂, HgI₂, SbI₃, AsBr₃, GeCl₄, елементний йод і т. д.

2. Внутрішньокомплексні солі: дитизонати, диетилдитіокарбамати, 8-оксихінолінати, оксини, β-дикетонати, а також ди-(2-етилгексил)-фосфати актиноїдів, рідкісноземельних та деяких інших елементів, та ін.

3. Комплексні металокислоти: HFeCl₄, HІnBr₄, HSbCl₆ та ін.

4. Координаційно-несольотовані (а) і координаційно-сольватовані (б) солі:

а) солі тетрафеніларсонію, тетрафенілфосфонію і т. д.

б) сполуки, які утворилися при екстракції уранілнітрату і нітрату торію трибутилфосфатом з азотнокислих розчинів.

5. Гетерополісполуки: фосфору, миш’яку, кремнію, ванадію, молібдену, вольфраму.

Найбільш широко в процесах екстракційного концентрування застосовують внутрішньокомплексні солі, комплексні металогалогенідні кислоти і координаційно-сольватовані солі.

Тип екстрагента	Групи сполук
Кислотні (катіонообмінні)	Хелатоутворюючі: b-дикетони, купферони, гідроксамові кислоти, 8-оксихінолін, диметилгліоксим, дифенілтіокарбазон, дифенілтіокарбамати. Карбонові і нафтенові кислоти. Фосфорорганічні кислоти. Сульфокислоти.
Основні (аніонообмінні)	Солі третинних амінів, солі четвертинних амонієвих основ , солі
Нейтральні (координаційні)	Ефіри: диетиловий, 2,2-дихлордиетиловий (хлорекс). Кетони: метилізобутилкетон (гексон), окис мезитила, циклогексанон. Фосфати – (RO)3PO; фосфонати (RO)2RPO; фосфінати (RO)R2PO; фосфіноксиди R3PO; фосфіни (C6H5)3P. Диантипірилметан: Сульфіди RR¢S; сульфооксиди RR¢SO; похідні тіомочевини (RNH)(R¢NH)CS .

Основні органічні реагенти

Широке застосування в практиці екстракції знайшли 8-оксихінолін і його похідні, дитизон і його аналоги, β-дикетони, оксими, дитіокарбамінати, алкілфосфорні кислоти ті інші сполуки.

8-оксихінолін – малорозчинний у воді (3,6·10^-3 моль/л при кімнатній температурі) та ефірі, але добре розчинний в спирті, бензолі, хлороформі та інших органічних розчинниках. Для екстракції застосовуються хлороформні розчини , які містять 1-5% оксихіноліну. К_D 8-оксихіноліну між Н₂О і СНСl₃ при 25^оС становить » 500. Оксихінолін  є одним з універсальних реагентів: він взаємодіє більше, ніж з 50 елементами: Pd, Mo, W, V, Tl, Fe, Zr, Ga, Cu, Ti, In, Bi, Ni та інші. Для підвищення селективності розділень за допомогою 8-оксихіноліну поруч з регулюванням рН широко використовуються різні маскуючі реагенти (ціанід-іон, 1,10-фенантролін, ЕДТА та ін.). Наприклад, іони Fe, Cu, Ni, Mo маскуються ціанідом. Al, Co, Fe та інші елементи в присутності ЕДТА при рН< 8 не екстрагуються, хоча на екстракції U, W, Mo присутність ЕДТА не позначається.

Широко застосовуються як екстрагенти β-дикетони, особливо ацетилацетон і тіонілтрифторацетон.

Ацетилацетон СН₃-С(О)-СН₂-С(О)-СН₃ змішується з СНСl₃, С₆Н₆, (С₂Н₅)₂О та іншими органічними розчинниками, а у воді його розчинність становить 172 г/л при 20^оС. Константа розподілу ацетилацетону між водою і хлороформом 25, а між водою і бензолом 5,8. Для екстракції можна використати безпосередньо сам ацетилацетон, який є одночасно і реагентом і розчинником, а також розчини ацетилацетону в С₆Н₆, СНСl₃, ССl₄ та інших органічних розчинниках. Ацетилацетон утворює сполуки з більше, ніж 60 елементами (Pb, Tl, Fe, Pu, U, Ga, Cu, Se, Al, In, Th, Ni, La та інші). Ацетилацетонати добре розчинні в органічних розчинниках, мають високу термічну стійкість , окремі сублімуються без розкладу.

Тіонілтрифторацетон

C(О)-СН₂-С(О)-СF₃ у воді незначно розчиняється , а в органічних розчинниках краще. Константа розподілу між водою (підкисленою) і бензолом рівна 40 . За допомогою тіонілтрифторацетону можлива екстракція металів з кислих розчинів, що є особливо важливим . Дуже широко тіонілтрифторацетон застосовується для виділення і розділення актиноїдів . Сполуки багатьох металів (U, Cu, Fe) з тіонілтрифторацетоном є забарвлені , тому органічна фаза, яка містить тіонілтрифторацетонати цих металів, може фотометруватися. До числа реагентів часто використовуваних в екстракції, належать дитизон і його аналоги.

Дитизон (або дифенілтіокарбазон)

Або скорочено Н₂Дz у воді практично є нерозчинним, добре розчиняється в хлороформі і тетрахлориді вуглецю. К_Д дитизону між водою і хлороформом рівна 2×10⁵, між водою і тетрахлоридом вуглецю 1×10⁴. По реакції з дитизоном визначають: Pd, Au, Hg, Ag, Cu, Bi, Pt, Zn, In, Cd, Co та інші елементи. Для підвищення селективності екстракцію проводять в різних областях рН в присутності комплексуючих добавок. Наприклад, екстракцію Ві в слабкокислому середовищі можна його відокремити від Zn, Cd, Pb та інших елементів. В присутності ціанід іона дитизон екстрагує тільки цинк і олово. Ефективним є застосування в якості комплексуючих добавок тіоціанату, тіосульфату, ЕДТА та ін. Сам дитизон і дитизонати металів є інтенсивно забарвлені, що дозволяє чутливе фотометричне визначення безпосередньо у органічній фазі після екстракції. Знаходять застосування також різні аналоги дитизону (метил-, феніл-, хлор-, бром- та інші похідні), які є більш селективні, ніж дитизон.

Важливим представником реагентів групи дитіокарбамінатів є диетилдитіокарбамінат натрію

Він добре розчинний у воді, трохи важче розчиняється в спирті; як диетилдитіокарбамінова кислота розчинний в хлороформі, бензолі, ССl₄ і подібних розчинниках. Константа розподілу Кд між органічною і водною фазами рівна 340 для тетрахлориду вуглецю і 2360 для хлороформу. Водні розчини диетилдитіокарбамінової кислоти нестійкі. Диетилдитіокарбамінат реагує з декількома десятками елементів (Hg, Ag, Cu, Tl, Ni, Bi, Pb, Cd, Sb та інші). В присутності ЕДТА селективність екстракції збільшуються. Декотрі диетилдитіокарбамінати мають забарвлення: комплекс Ві – жовте, Со – зелене, Cu – коричневе і т.д., що дозволяє безпосередньо проводити фотометричне визначення.

За допомогою екстракційних методик проводять:

–                          розділення елементів;

–                          концентрування домішок;

–                          очистку основного компонента від домішок;

–                          визначення основних компонентів і домішок;

–                          для підвищення чутливості і селективності реакцій;

–                          для вивчення Кнест комплексних сполук;

–                          для вивчення стану речовини в розчині (заряд, ступінь полімеризації).

Абсолютне концентрування досягається за рахунок меншого об’єму органічної фази порівняно з початковим об’ємом водного розчину. Відносне концентрування – збільшення концентрації домішок по відношенню до вмісту основного компонента. Воно зводиться до селективної екстракції домішок (або рідше) екстракції макрокомпонента.

Для екстракції катіонів металів у вигляді комплексних сполук за звичай застосовують хелатоутворюючі реагенти типу 8 – оксихіноліну, диацетилдіоксима, дитизона, диетилдитіокарбаміната та ін. Регулюючи рН можна одним і тим самим реагентом вибірково проекстрагувати різні катіони. В якості ілюстрації приведемо вплив рН на екстркцію металів деякими реагентами.

Межі рН екстракції комплексів металів (Дz – дитизон, Ох – 8 – оксихінолін, ДЕДТК – диетилдитіокарбамат амонію).

 Для проведення рідинної екстракції застосовують широкий набір розчинників. Розчинник:

–                                 не повинен змішуватися з водою;

–                                 бути селективним;

–                                 володіти великою ємкістю по відношенню до екстрагованої речовини;

–                                 максимально відрізнятися за густиною від густини води;

–                                 мати мінімальну в’язкість;

–                                 низьку вартість;

–                                 не бути вибухонебезпечним.

З різних розчинників найбільш часто застосовують хлороформ, чортирьоххлористий вуглець, бензол та інші.

Рідинна екстракція застосовується в якісному аналізі металів, органічних сполук, так як численні комплекси металів при екстракції дають забарвлення органічній фазі. На теорії рідинної екстракції базується метод розподільчої хроматографії, в якому розділення речовин відбувається внаслідок їх перерозподілу між двома рідкими фазами при їх русі одна відносно другої. На рідинній екстракції базується група методів екстракційно – фотометричного аналізу, при проведенні якого вимірюють інтенсивність забарвлення органічного екстракту на фотометричних приладах, і на основі величини інтенсивностіф роблять висновок про кількість визначуваної речовини. Особливого значення метод рідинної екстркції набув для аналітичного і технологічного розділення сумішей речовин. 

Застосування екстракції в фармацевтичному аналізі.

Часто визначувані речовини знаходяться в різних твердих природніх матеріалах (руди, грунти, рослинна і тваринна сировина). При аналізі таких матеріалів доводиться попередньо проводити вибіркове екстрагування речовин з твердої фази і потім проводити аналіз екстракту. При екстрагуванні в системі тверде тіло-рідина перш за все враховують природу і стан твердої фази, проводячи в разі необхідності підготовку матеріалу для екстрагування.

Тверді матеріали можуть бути суцільними (руди, сплави) або пористими (висушена рослинна і тваринна сировина); монолітними (шматки сплавів) або сипучими (подрібнені матеріали); вологими або висушеними і т.д. В усіх випадках проводять попередньо підготовку твердого матеріалу для екстракції:

1.                             Висушують його (якщо не ставиться мета екстракції з водного матеріалу, наприклад тканин рослин або тварин);

2.                             Подрібнюють до мінімально можливого ступеня подрібнення;

3.                             Відбирають середню пробує.

Підготовлений екстракт приводять в контакт з екстрагентом і проводять екстрагування. При цьому найбільш важливою стороною є підбір оптимального екстрагента. При екстракції мінеральних речовин застосовують воду, розчини кислот або лугів, здійснюючи цим одночасно переведення мінеральної сполуки в розчинену форму. Органічні речовини за звичай екстрагують органічними розчинниками, інколи використовують і водні екстрагенти з певним значенням рН середовища. Тип екстрагента залежить від ступеня полярності і гідрофільності екстрагованих речовин і їх здатності до іонізації. Електроліти і речовини полярного і гідрофільного типів добре розчинні у воді і водно-органічних сумішах; неелектроліти, неполярні і гідрофобні речовини – в органічних розчинниках.

Істотним моментом проведення екстрагування є вибір відповідної методики, яка забезпечує повне екстагування речовин. Методика залежить від типуматеріалу. Якщо екстрагованню піддається суцільний, непористий матеріал, подрібнений до необхідного ступеня подрібнення, то екстагування представляє собою вибіркове розчинення окремих речовин, яке відбувається на поверхні частинок матеріалу. При цьому чим дрібніший матеріал, тим повніше і швидше йде екстракція. В таких випадках навжку матеріалу подріюнюють до максимального подрібнення, заливають порцією екстрагента і при інтенсивному перемішуванні ведуть процес екстракції. Відділивши екстракт, процес повторюють із свіжою порцією екстрагента декілька разів до практично повного розчинення і вилучення необхідної речовини з матеріалу, що перевіреною якісним реакціями. Цей метод отримав назву прямоточного багатоступінчастого екстрагування. Він широко застосовується  при аналізі руд, грунтів та ін.  непористих матеріалів. При його використанні об’єднують отримані екстракти і проводять їх аналіз.

Проте у фармації набагато частіше використовують завдання екстракції і аналізу пористих матеріалів, яким є, наприклад, висушена лікарська рослинна сировина. Висока пористість сировини пояснюється наявністю в ній клітин з клітинним соком, з яких при висушуванні видаляється вода. Тому у висушеній рослинній сировині визначувані речовини знаходяться в середині клітин у вигляді своєрідних грудочок або тонкого шару на стінках. При екстракції висушеної сировини спочатку відбувається проникнення екстрагента через пори в клітинних оболонках всередину частинок сировини, потім проходить розчинення речовин в екстрагенті, дифузія молекул речовин до поверхні шматочків сировини і масоперенос від поверхні сировини в екстрагент.

– розчинення речовин 2.      – дифузія розчинника в середину клітини сировини – дифузія речовини з сировини – клітини

                               

 

 

 

 

 

 

Тому швидкість екстракції зростає при зменшенні розміру (діаметру) шматочків сировини, або перемішуванні  суміші і при збільшенні коефіцієнта молекулярної дифузії (він зростає, наприклад, при нагріванні).

При екстракції рослинної сировини застосовують ряд аналітичних способів отримання екстракту. Перший з них – екстрагування до повного вилучення речовин з сировини – виконують, поміщаючи наважку (близько 1 г) подрібненої сировини в бюретку і пропускаючи через неї з невеликою швидкістю (3-5 крапель в хв) екстрагент. В приймач збирають 200-250см³ екстракту і потім проводять його аналіз. Спосіб називають перколяцією  і застосовують хоча він і довготривалий, для виконання точних аналізів. Державна Фармакопея СРСР Х видання рекомендує при виробництві серійних аналізів застосовувати одноразове екстрагування наважки сировини (» 1г) 50 см³ екстрагента протягом 2 год при кип’ятінні із зворотнім холодильником. Отриманий екстракт потім доводять розчинником до першопочаткового об’єму і аналізують.  

Більш точні результати порівняно з фармакопейним методом дає методика рівноважного екстрагування. За цією методикою наважку сировини (» 2г) заливають точним об’ємом екстрагента (100 см³) і настоюють при перемішуванні 4-5 год (до настання рівноваги в системі) . При рівновазі  концентрації речовин у внутрішньому екстракті  (частині екстракта , що міститься всередині частинок сировини) і зовнішньому екстракті вирівнюються, так як за час екстрагування відбувається вирівнювання швидкостей масопереносу речовин з шматків сировини у зовнішній екстракт та з зовнішнього екстракту всередину шматків сировини. Відібравши після настання рівноваги частину екстракту, проводять аналіз і перераховують результати аналізу на весь об’єм екстракту , який складається із внутрішньої і зовнішньої його частин. При більш точних розрахунках враховують вологість сировини, масу якої вираховують.

Аналітична екстракція з твердих пористих матеріалів широко використовується у фармації при аналізі численних видів лікарської сировини . Наприклад :

–                                             аналіз рослинної сировини – вилучення активно-діючих речовин (плоди глоду, трави алтею, квітів нагідок, кореня алтею, листя евкаліпта і т. д.).

–                                             аналіз сухих екстрактів з рослинної сировини (сухий екстракт солодки – екстракція гліцеризинової к-ти ацетоновим розчином  трихлороцтової кислоти; сухий екстракт беладонни – хлороформна екстракція  гіосциаміну і атропіну хлороформом і т. д.).

–                     аналіз таблетних мас, які містять багато компонентів, що заважають один одному при кількісному визначенні (таблетки тіотриазоліну – спиртове вилучення; таблетки Бісептол – сульфометоксазол і триметопрім заважають один одному при кількісному визначенні, тому триметопрім відокремлюють попередньо зекстрагувавши з водного лужного розчину у хлороформ і провівши потім реекстракцію та декілька екстракцій);

–                                             аналіз лікарських засобів на вміст сторонніх домішок (препарати, які містять ацетилсаліцилову кислоту завжди містять домішку саліцилової кислоти. ДФУ нормує її вміст не більше 3%. Визначення вмісту саліцилової к-ти проводиться після попередньої екстракції її з таблетної маси хлороформом і наступної реекстракції в  кислий водний розчин феруму (ІІІ), з яким проходить утворення комплексної сполуки, фіолетового забарвлення; інтенсивність забарвлення вимірюють на спектрофотометрі);

–                                             ідентифікація і підтвердження ідентичності препаратів рослинного походження здійснюється методом тонкошарової хроматографії. Але проведенню тонкошарової хроматографії випробувань передує часто концентрування активно-діючих речовин та одночасне їх відокремлення від баластних речовин (в настоянці глоду вміст флавоноїдів є незначним і, щоб досягти межі виявлення для тонкошарової хроматографії та підтвердження тотожності проводиться попередня екстракція суми флавоноїдів бутанолом-1, випаровування екстрагента та розчинення сухого залишку у малій кількості спирту; настоянка беладонни – екстракція алкалоїдів – гіосциаміну атропіну хлороформом (в промисловості бензол, керосин, дихлоретан для екстракції з скополії); сума валепотріатів настоянки валеріани екстрагується хлористим метиленом – одночасне відокремлення від деяких гідрофільних речовин, в першу чергу дубильних і концентрування ізобутиламідів кислот; аналогічно як з валеріаною є з настоянкою ехінацеї пурпурної; сума серцевих глікозидів настоянки конвалії екстрагується для наступного тонкошарової хроматографії виявлення сумішшю хлороформ-етанол 4:1 (кількісне визначення суми серцевих глікозидів проводиться спектрофотометричним методом за забарвленням комплексної сполуки з натрію пікратом в перерахунку на конвалятоксин, але лише після екстракції цієї суми сумішшю хлороформ-етанол).

–                                             Отримання вітаміну В₁₂ (очистка за рахунок важких, токсичних екстракцій крезолами, толуолом, бензолом).

–                                             Отримання новогаленових препаратів: (корглікон, флавін, силібор (силімарин з розторопши п’ятнистої).

В біохімічному і токсикологічному аналізі екстракцією виділяють речовини з тваринних і рослинних тканин, як свіжих так і висушених. При екстракції свіжих тканин одночасно з екстракцією проводять їх гомогенізацію розмелювання тканин разом з екстрагентом до повного руйнування клітин.

Екстракційно-фотометричне визначення суми алкалоїдів в препаратах, які містять беладонну.

 

В ділильну лійку місткістю 100 мл вносять 1,0 мл настоянки беладонни або 5,0 мл крапель Зеленіна, додають 10 мл фосфатного буферного розчину (рН 7,5), 0,5 мл 0,15% розчину бромтимолового синього, 10 мл хлороформу і струшують протягом 3 хв. Хлороформний екстракт фільтрують в мірну колбу місткістю 50,0 мл через паперовий фільтр з 1 г натрій сульфату безводного, попередньо змоченого хлороформом.

Екстракцію хлороформом повторюють ще 2 рази, почергово струшуючи кожного разу з 10 мл хлороформу. Хлороформні вилучення долучають до попереднього в ту саму колбу. Паперовий фільтр з натрій сульфатом промивають додатково 5 мл хлороформу.

В мірну колбу до хлороформних вилучень додають 10 мл 0,02% спиртового розчину ортоборатної кислоти і доводять об’єм розчину 96% етиловим спиртом до мітки, перемішують.

Вимірюють оптичну густину отриманого розчину ексракту на спектрофотометрі при довжині хвилі 420 нм в кюветі з товщиною шару 10 мм, використовуючи в якості розчину порівняння хлороформ.

За виміряним значенням оптичної густини А_х розчину та питомим коефіцієнтом світлопоглинання комплексу гіосциаміну з бромтимоловим синім Е^1%_1см = 138 розраховують масово-об’ємну частку суми алкалоїдів в препараті в перерахунку на гіосциамін.

В настоянці беладонни вміст суми алкалоїдів повинен бути в межах 0,27-0,33%, а в краплях Зеленіна 0,054-0,066%.

 

Екстракційно-фотометричне визначення домішки саліцилової кислоти в таблеткових препаратах, які містять ацетилсаліцилову кислоту.

 

Близько 0,34 г (точна наважка) порошку розтертих таблеток поміщають у мірну колбу місткістю 25,0 мл, додають 15 мл хлороформу, ретельно перемішують протягом 5 хв, доводять об’єм розчину хлороформом до позначки, перемішують і фільтрують через паперовий фільтр, відкидаючи перші порції фільтрату.

2,0 мл фільтрату поміщають у ділильну лійку місткістю 50,0 мл, додають 8,0 мл води, 2,0 мл 1 % розчину ферум (ІІІ) хлориду і енергійно струшують протягом  2 хв, дають шарам розділитися і нижній шар (хлороформний) відкидають.

Вимірюють оптичну густину отриманого розчину на спектрофотометрі при довжині хвилі 525 нм, в кюветі з товщиною шару 10 мм, використовуючи як розчин порівняння розчин, що містить 8,0 мл води і 2,0 мл 1 % розчину ферум (ІІІ) хлориду.

Паралельно  вимірюють оптичну густину розчину, отриманого при обробці 2,0 мл розчину стандартного зразка кислоти саліцилової, як описано вище, починаючи зі слів: „ … поміщають в ділильну лійку місткістю 50 мл …”.

Вміст кислоти саліцилової в одній таблетці, у відсотках (Х), розраховують за формулою:

,

де

А₁ – оптична густина випробуваного розчину;

А₀ – оптична густина розчину стандартного зразка кислоти саліцилової;

m₁ – маса наважки препарату, в грамах;

m₀ – маса наважки стандартного зразка кислоти саліцилової, в грамах;

b – середня маса таблетки, в грамах;

Х_а – вміст кислоти ацетилсаліцилової в одній таблетці, в грамах.

         Вміст С₇H₆О₃ (кислоти саліцилової) має бути не більше 3 %, рахуючи на середню масу однієї таблетки.

 

Приготування розчину стандартного зразка кислоти саліцилової.

Близько 0,05 г (точна наважка) кислоти саліцилової поміщають у мірну колбу місткістю 50,0 мл, розчиняють в 25 мл хлороформу, доводять об’єм розчину хлороформом до позначки і перемішують.

5,0 мл отриманого розчину поміщають у мірну колбу місткістю 25,0 мл і доводять об’єм розчину до позначки хлороформом та перемішують.

Термін придатності розчину 5 діб.

 

Приготування 1 % розчину ферум (ІІІ) хлориду.

         1,0 г ферум (ІІІ) хлориду поміщають у мірну колбу місткістю 100,0 мл, додають 50 мл 0,1 моль/л розчину хлоридної кислоти і розчиняють, потім доводять об’єм розчину 0,1 моль/л розчином хлоридної кислоти до позначки і перемішують.

         Термін придатності розчину 1 місяць при зберіганні в захищеному від світла місці.

 

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

 

а) Основні: 1. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. ч. 1. – М.: Высшая школа, 1982. – С. 298-316.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. т. 2. – М.: Высшая школа, 1989. – С.104-113, 298-315.

3. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия. – М: Высшая школа, 1989. – С.351-354, 356-369.

б) Додаткові: 1. Крешков А.П. Основы аналитической химии. т.2. – М.: Химия, 1977. – С. 459-473.