Молекулярно-абсорбционный метод анализа органических веществ

Москва

Издательство «ФЛИНТА»

Издательство Уральского университета

2017

Министерство образования и науки российской Федерации

уральский Федеральный университет  

иМени первого президента россии б. н. ельцина

Молекулярно-абсорбционный 

Метод анализа 
органических веществ

рекомендовано методическим советом урФу

в качестве учебно-методического пособия  
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата 
по направлениям подготовки 
18.03.01 «химическая технология»,
19.03.01 «биотехнология»

2-е издание, стереотипное

© уральский федеральный 
    университет, 2015

а в т о р ы:

е. в. черданцева, и. в. гейде, в. г. китаева, в. М. зыскин, 

н. в. Марина, а. и. Матерн
под общей редакцией и. в. гейде

р е ц е н з е н т ы:
кафедра физико-химической технологии защиты биосферы 

уральского государственного лесотехнического университета  
(заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор и. г. п е р в о в а);

е. М. го р б у н о в а, кандидат химических наук, старший научный 
сотрудник лаборатории метрологического обеспечения наноиндустрии, 
спектральных методов анализа и стандартных образцов уральского научноисследовательского института метрологии

н ау ч н ы й  р е д а к т о р

н. п. б е л ь с к а я, доктор химических наук,
профессор кафедры технологии органического синтеза урФу

удк 543.2(076.5)
ббк 24.4я73-5
      М75

Молекулярно-абсорбционный метод анализа органических 
веществ 
[Электронный 
ресурс]: 
[учеб.-метод. 
пособие] 
/ 
е. в. черданцева, и. в. гейде, в. г. китаева, в. М. зыскин, 
н. в. Марина, а. и. Матерн ; под общ. ред. и. в. гейде ; М-во 
образования и науки рос. Федерации, урал. федер. ун-т. — 2-е изд., 
стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 98 с.

ISBN 978-5-9765-3269-4 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1567-3 (Изд-во Урал. ун-та)

в теоретической части учебно-методического пособия кратко излагаются основные положения молекулярно-абсорбционного метода анализа, даны 
термины и определения, приведены расчеты результатов и математическая обработка данных. предложены вопросы и типовые задачи для самостоятельной 
подготовки студентов. представлены лабораторные работы по спектрофотометрическому методу анализа. 

для студентов дневной, заочной и дистанционной форм обучения, осваивающих дисциплины «Физико-химические методы анализа органических веществ» 
и «аналитическая химия и ФхМа. часть 2», обучающихся по направлениям 
бакалавриата «биотехнология» и «химическая технология».

М75

удк 543.2(076.5)
ббк 24.4я73-5

ISBN 978-5-9765-3269-4 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1567-3 (Изд-во Урал. ун-та)

Предисловие

Метод молекулярно-абсорбционной спектроскопии в уФ- и видимой областях спектра обычно называют спектрофотометрией. 
он основан на избирательном поглощении электромагнитного 
излучения видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн 
нерассеивающими системами — растворами, газами и тонкими 
пленками твердых веществ.
абсорбционный спектральный анализ в настоящее время является одним из самых распространенных методов аналитического 
контроля в химической промышленности, металлургии, медицине, 
биологии, сельском хозяйстве, мониторинге окружающей среды 
и других областях науки и народного хозяйства. такое распространение данного метода связано с доступностью средств измерения, 
возможностью полной автоматизации анализа, широкими пределами 
определяемых концентраций и малой погрешностью метода.
Молекулярно-абсорбционный метод анализа студенты изучают после освоения теоретического курса «аналитическая химия 
и ФхМа», а также после выполнения лабораторного практикума 
по химическим методам анализа. учебно-методическое пособие поможет закрепить и углубить полученные знания по данному разделу.
по результатам проделанной лабораторной работы студенты составляют отчет (Приложение 1).
в пособии рассматривается молекулярно-абсорбционная спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, а также 
ее практическое применение. более подробно с теоретическими 
основами метода можно ознакомиться в приведенных литературных 
источниках [1–9]. 
Коллектив авторов выражает благодарность Холевинской 
Лилии Викторовне и Кочерову Вениамину Ивановичу за предоставленные материалы и за помощь в подготовке учебного пособия.

Теоретические основы абсорбционного  
спектрального анализа

в основе любого метода анализа лежит изучение «отклика» 
вещества на внешнее воздействие, которое может быть осуществлено в виде тепла, химической реакции, электричества, электромагнитного излучения, потока элементарных частиц и других видов 
воздействия. в группу наиболее распространенных методов анализа входят методы, основанные на исследовании взаимодействия 
вещества с электромагнитным излучением от радиоволнового до 
γ-диапазонов. если вещество поглощает электромагнитное излучение, метод относят к абсорбционной спектроскопии; если 
в определенных условиях анализируемое вещество само становится 
источником излучения — к эмиссионной спектроскопии.
при воздействии на вещество электромагнитное излучение 
может проходить через него, рассеиваться или поглощаться. для 
целей анализа представляет интерес поглощение веществом излучения ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей 
спектра. использование этих диапазонов длин волн определяется 
характером таких процессов, которые происходят в веществе при 
взаимодействии с излучением. классификацию спектральных методов анализа — в Приложении 2.
параметрами электромагнитного излучения являются длина 
волны (λ), частота (ν) и соответствующая им энергия (E), которая 
связана с частотой и длиной волны соотношением, h — постоянная 
планка 

 
c
E
h
h
=
⋅ν =
⋅ λ

.

МолекулЯрно-абсорбционнаЯ 
сПектроскоПиЯ в ультрафиолетовой  
и видиМой областЯх сПектра 
(сПектрофотоМетриЯ)

все существующие виды излучения отличаются интенсивностью и длиной волны λ и образуют полную шкалу электромагнитных 
колебаний (ил. 1 на цветной вклейке и в Приложении 3).
границы диапазонов условны, деление спектра на отдельные 
участки связано с методическими особенностями исследования взаимодействия излучения с веществом. обычно в ультрафиолетовой 
и видимой областях спектра длину волны измеряют в нанометрах1, 
а в инфракрасной — в микрометрах.
термин «абсорбционный» происходят от лат. absortio — поглощение; распространен также термин «фотометрия» (φωτός — свет, 
μετρέω — измеряю), который относится к исследованиям поглощения в видимой области электромагнитных колебаний.
в зависимости от поглощающих частиц определяют вид анализа:
1. Молекулярно-абсорбционный анализ (Маа), основанный на 
поглощении излучения молекулами или сложными ионами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной 
областях спектра.
2. атомно-абсорбционный анализ (ааа), основанный на поглощении излучения изолированными атомами анализируемого 
вещества.
при поглощении излучения (в литературе принят термин «свет») 
атомы и молекулы светопоглощающего вещества переходят в новое 
энергетически возбужденное состояние [10, 11]. приобретенная 
энергия атомов и молекул в одних случаях расходуется на повышение их колебательной, вращательной или поступательной энергии, 
в других — выделяется в виде тепла или вторичного излучения, 
а также расходуется на фотохимические реакции. 
исходное энергетическое состояние поглощающей частицы 
(атома, иона, молекулы) принято обозначать Е0, более высокое энергетическое состояние, в которое частица переходит в результате взаимодействия с излучением, — Е1. поглощение излучения происходит 
только в том случае, если энергия поглощенного кванта совпадает 
с разностью энергий ΔЕ между квантованными энергетическими 

1 1 нм = 1 · 10–9 м = 10 Å; 1 мкм = 1 · 10–6 м = 1000 нм; 1 Å = 1 · 10–10 м.

уровнями в конечном Е1 и исходном Е0 энергетических состояниях 
поглощающей частицы:

 
ΔЕ = Е1 – Е0.

Энергия квантов видимого и уФ-излучения соответствует разностям молекулярных электронных уровней. поэтому поглощение 
таких квантов связано с переходом электрона с основного уровня Е0 
на уровень Е1. при этом частица переходит в возбужденное состояние, так как она обладает излишком энергии. возбуждение существует очень короткое время (10–8–10–9с). в одних случаях излишек 
энергии приводит к расщеплению молекулы и образованию новых 
веществ (фотохимическая реакция), в других — излишек энергии 
превращается в теплоту, в третьих — наблюдается люминесценция. 
число возбужденных молекул мало по сравнению с общим числом 
молекул светопоглощающего вещества, поэтому теплота, выделяющаяся при их превращениях, неощутима.
переход молекулы в возбужденное состояние сопровождается 
повышением ее внутренней энергии (Емол), которая состоит из энергии вращения молекулы как целого (Евр), энергии колебания атомных 
ядер относительно друг друга (Екол) и энергии движения электронов, 
находящихся в электростатическом поле атомных ядер (Еэл):

 
Емол = Еэл + Екол + Евр.

в зависимости от энергии поглощаемых квантов, в молекуле может происходить возбуждение либо вращательных и колебательных 
уровней при поглощении инфракрасного спектра, либо возбуждение 
вращательных, колебательных и электронных уровней молекулы 
при поглощении в видимой и ультрафиолетовой области спектра, то 
есть существует много вариантов перехода электрона [10, 11]. часть 
этих вариантов маловероятна, частота осуществления остальных 
переходов зависит от многих случайных факторов и описывается 
функцией гаусса f (x) [12]:

 

2

2

(
)

2
1
( )
2

x
f x
e

−µ
−
⋅σ
=
⋅
σ⋅
π

.

говорят, что результаты измерений имеют нормальное распределение, если они описываются функцией гаусса. распределение 
гаусса, в отличие от распределения пуассона, характеризуется двумя 
независимыми параметрами х и σ, где х — среднее число отсчетов, 
которое мы ожидаем получить в случае многократного повторения 
измерений, σ — среднее стандартное отклонение.
оказывается, что если на результаты измерений влияет большое 
число источников небольших случайных ошибок, то вся совокупность измерений имеет в качестве предельного распределения 
симметричную колоколообразную функцию гаусса (рис. 1). центр 
распределения х, совпадающий с его максимумом, будет истинным 
значением измеряемой величины.
распределение гаусса нормировано на единицу.

рис. 1. распределение гаусса для σ = 0,5, х = 50 и σ = 1, х = 50

основной электронный уровень Е0 может соответствовать связывающей σ или π-, а также несвязывающей n-орбитали. в последнем 
случае речь идет об орбитали неподеленной электронной пары, 
не участвующей в образовании химической связи. Электронный 
уровень Е1, на который электрон переходит при поглощении кванта 

электромагнитного излучения, соответствует разрыхляющим π*- или 
σ*-орбиталям (Приложение 4) [13].

на рис. 2 видно, что n → π*-переходы связаны с поглощением квантов, обладающих малой энергией. длина волны такого 
излучения соответствует видимой области. поглощения же, вызываемые π → π*- и n → σ*-переходами, обычно обнаруживаются 
в уФ-области. наконец, энергия σ → σ*-переходов очень высока, 
поэтому соответствующие поглощения имеют λ < 200 нм и связаны 
с фотохимическим разрушением молекул.

рис. 2. Электронные переходы в молекуле с участием 
n-, σ-, π-электронов

из сказанного следует, что способность молекул к поглощению 
электромагнитного излучения зависит от характера химических 
связей между атомами, входящих в их состав. если имеются только 
σ-связи (например, в случае насыщенных углеводородов), в уФ- и 
видимой областях спектра поглощения нет. при наличии π-связей 
соединение может поглощать в данной области – возможны π → π* 
и n → π*-переходы.

во многих случаях в молекулах удается выделить группы атомов, 
присутствие которых обусловливает поглощение. органические 
функциональные группы с ненасыщенными связями, поглощающие 
в видимой и уФ-областях, называют хромофорами. Это группы

и др.

к хромофорам относятся также сопряженные двойные связи, 
в случае которых с удлинением цепи сопряжения длина волны поглощаемого света увеличивается. дополнительный сдвиг максимума 
поглощения в длинноволновую область (батохромный сдвиг) возникает при сопряжении хромофорных групп с электронодонорными (ауксохромы) или электроноакцепторными (антиауксохромы) 
группировками (рис. 3). 
ауксохромные
–CH3
–OCH3
–NHCH3
–N(CH3)2
–NHC6H5
антиауксохромные

рис. 3. ауксохромные и антиауксохромные группы  
в уФ- и видимой спектроскопии

влияние этих группировок очень хорошо прослеживается на 
примере ароматических соединений (табл. 1).
Таблица 1
Смещение максимума поглощения в замещенных 
производных бензола (в водных растворах)

заместитель
λmax, нм 
εmax, л · моль–1 · см–1

отсутствует
254
204

CH3
261
225

Cl
263
190

OH
270
1450

CN
271
1000

COOH
273
970

NH2
280
1430

для аналитической химии особенно важны соединения, имеющие в своем спектре полосы переноса заряда. они возникают при 
взаимодействии атомов — донора и акцептора электронов. типичными примерами могут служить многие комплексы ионов металлов 
с органическими реагентами.

Величины, характеризующие прохождение излучения  
через вещество

для проведения Маа анализируемый материал переводят 
в раствор и помещают в кювету — прозрачный сосуд с плоскопараллельными стенками, в которой раствор вводится в поток 
излучения. на кювету с раствором (рис. 4) подают световой поток 
с интенсивностью I0 от какого-то источника излучения. через раствор пройдет световой поток интенсивности It (transition — пропускание); отраженную от кюветы часть светового потока обозначают 
Ir (reflection — отражение), рассеянную — Id (diffision — рассеяние) 
и поглощенную раствором — Ia (absorbtion — поглощение). уравнение баланса светового потока можно представить в следующем виде:

 
I0 = It + Ia + Ir + Id.

рис. 4. явления, возникающие при прохождении света через раствор:

Ir
ст — отражение от стенки кюветы; Ir
p — отражение от раствора