Физико-химические методы анализа органических веществ. Часть I. Оптические методы анализа

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 

Часть 1 
Оптические методы анализа 

Учебно-методическое пособие 

Москва 
Берлин 
2019 

УДК 372.854(072)+54(075) 
ББК 74.262.4я7+24р20я9
     Ф50 

Составители: 
Ю. Н. Власова, Е. В. Иванова, О. И. Бойкова,  
М. Б. Никишина, Ю. М. Атрощенко, И. В. Шахкельдян 

Рецензент: 
Доктор химических наук, профессор Субботин В. А. 
(ТГПУ им. Л. Н. Толстого) 

   Физико-химические методы анализа органических веществ. Часть I. Оптические 
Ф50      методы анализа : учебно-методическое пособие / Ю. Н. Власова и др. — Москва ; 
  Берлин : Директ-Медиа, 2019. — 87 с. 

ISBN 978-5-4499-0517-8 

В данном учебно-методическом пособии рассмотрены основные теоретические 
положения физико-химических (инструментальных): оптических, электрохимических и 
хроматографических методов анализа, а также содержатся методические рекомендации к 
выполнению лабораторных работ, вопросы, задачи и тестовые задания для обеспечения 
самостоятельной работы студентов по курсу «Физико-химические методы анализа». Пособие 
разработано в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом 
высшего образования по направлению подготовки 04.03.01 Химия (уровень бакалавриата). 

Текст приводится в авторской редакции. 

УДК 372.854(072)+54(075) 
ББК 74.262.4я7+24р20я9 

ISBN 978-5-4499-0517-8
© Коллектив авторов, текст, 2019
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2019 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................................... 5 

ЧАСТЬ 1. ОПТИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫ ........................................................................................... 6 

Глава 1. Спектрометрические методы ........................................................................................ 8 

Молекулярно-абсорбционный спектральный анализ ........................................................... 11 

Фотоколориметрия .................................................................................................................. 11 

УФ-спектроскопия ................................................................................................................... 12 

Лабораторная работа № 1. Знакомство с устройством и работой приборов для 

фотоколометрического анализа на примере КФК-2 .......................................................... 16 

Лабораторная работа № 2. Фотоколориметрическое определение содержания хрома 

методом сравнения. ............................................................................................................... 17 

ИК-спектроскопия .................................................................................................................... 19 

Лабораторная работа № 3. Идентификация органических веществ методом УФ- и ИК-

спектроскопии. ....................................................................................................................... 22 

ЯМР-спектроскопия ................................................................................................................. 30 

Масс-спектрометрия ............................................................................................................... 38 

Лабораторная работа № 4. Использование программы ChemBioDraw для 

интерпретации спектров ЯМР 1Н и ЯМР 13С. Изучение масс-спектров. ......................... 44 

Молекулярно-эмиссионная спектроскопия (Люминесцентный анализ) .......................... 47 

Лабораторная работа №5. Флуориметрическое определение алюминия с морином ..... 50 

Атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный спектральный анализ ......................... 52 

Атомно-абсорбционная спектроскопия ................................................................................. 53 

Атомная эмиссионная спектроскопия ................................................................................... 56 

Лабораторная работа №6. Общие принципы и методы атомно-абсорбционного и 

атомно-эмиссионного анализа. Определение железа в шампунях методом атомно-

абсорбционной спектроскопии ............................................................................................ 60 

Глава 2. Неспектральные оптические методы ........................................................................ 63 

Нефелометрия и турбидиметрия ........................................................................................... 63 

Лабораторная работа № 7. Турбидиметрическое определение кальция .......................... 65 

Поляриметрия............................................................................................................................. 66 

Лабораторная работа № 8. Исследование оптической активности сахарных растворов 

различной концентрации с помощью полутеневого поляриметра ................................... 68 

3 

Рефрактометрия ........................................................................................................................ 70 

Лабораторная работа № 9. Рефрактометрическое определение состава смеси ацетон-

бензол ...................................................................................................................................... 73 

Лабораторная работа № 10. Рефрактометрическое определение содержания сахара в 

водном растворе ..................................................................................................................... 74 

Глава 3. Тестовые задания по темам ......................................................................................... 75 

Тест 1. Спектроскопия УФ, ИК и видимой области. Турбидиметрия. .............................. 75 

Тест 2. ЯМР и Масс-спектроскопия. ..................................................................................... 78 

Тест 3. Методы ААС АЭС и люминесцентный анализ. ........................................................ 81 

Тест 4. Рефрактометрия и поляриметрия ........................................................................... 84 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................................................................... 86 

ВВЕДЕНИЕ 
 

В арсенале современной аналитической химии наряду с классическими химическими 

методами все чаще используются физические и физико-химические методы. Это связано с 

интенсивным развитием техники в настоящее время. Постоянно совершенствующиеся 

технологии 
микроэлектроники, 
оптики, 
полупроводниковой 
техники 
обуславливают 

ежегодное, а порой, и более частое обновление парка аналитического оборудования. Однако, в 

основе работы даже самого технически сложного прибора, по большей части, лежат принципы 

и законы, сформулированные еще более ста лет назад. Без их знания и понимания попытки в 

совершенстве овладеть современным оборудованием будут лишены всякого смысла. 

Выбор метода при решении конкретных задач зависит от многих факторов. Прежде 

всего, используемые методы должны быть направлены на решение задач имеющих большое 

экономическое или социальное значение. Например, разработка надежных способов 

аналитического контроля для ядерной энергетики и производства полупроводниковых 

приборов (эти задачи были успешно решены в 1950-1970-е гг.), а также способов оценки 

техногенного загрязнения окружающей среды (эта задача решается в настоящее время). 

Методы аналитической химии принципиально различны и заимствуются из разных 

областей наук. Однако целью большинства из них является определение, какого-либо 

вещества (его структуры) и его количества. Использование физико-химических методов  

позволяет 
снизить 
предел 
обнаружения, 
повысить 
точность 
и 
избирательность 

(селективность), увеличить скорость (экспрессность) анализа, а также дает возможность 

проводить анализ дистанционно. 

Сегодня, 
посредством 
физических 
и 
физико-химических 
методов 
выполняется 

большинство рутинных анализов в промышленности, разведке полезных ископаемых, 

медицине, сельском хозяйстве, а также в службе контроля загрязнения окружающей среды. 

5 

ЧАСТЬ 1. ОПТИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫ 
 
Все методы в данном разделе основаны на изучении взаимодействия электромагнитного 

излучения с атомами (молекулами, ионами) исследуемого вещества. Это взаимодействие 

приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально 

в виде спектра. Спектр – зависимость интенсивности поглощения (излучения или рассеяния) 

электромагнитного излучения атома (молекулы) от частоты или длины волны излучения. 

 
Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано следующими параметрами: 

длина волны (λ) – расстояние между двумя максимумами волны, м, нм, мкм. 

волновое число ( ) – число длин волн, приходящихся на 1 см пути излучения в вакууме, см‾1. 

 

частота (ν) – число колебаний в 1 секунду, с‾1 (Гц).  

, 

где с – скорость света в вакууме (2,9979∙108 м/с). 

энергия излучения (Е), Дж (эВ).  

Е = hν,, 

где h – постоянная Планка (6,626∙10‾34 Дж∙с). 

Частота сигнала зависит от специфических свойств анализируемого вещества, то есть 

является основой для проведения качественного анализа, а интенсивность сигнала 

пропорциональна количеству вещества.  

6 

Для аналитических целей используют область электромагнитного излучения, в которую 

входят радиоволны, микроволны, оптическая область, рентгеновское излучение. Оптическая 

область включает: невакуумную ультрафиолетовую (УФ) с λ = 200-400 нм, видимую (В) с λ = 

400-760 нм и инфракрасной (ИК) области с λ = 760-25000 нм. 

Электромагнитное взаимодействие проявляется в поглощении или испускании фотонов 

(квантов). В зависимости от характера взаимодействия пробы с электромагнитным излучением 

выделяют две группы методов – эмиссионные и абсорбционные. В эмиссионных методах 

анализируемая проба в результате ее возбуждения излучает фотоны (кванты). В 

абсорбционных методах излучение постороннего источника пропускают через пробу, при 

этом часть квантов избирательно поглощается атомами или молекулами. 

В зависимости от того, какие частицы формируют аналитический сигнал, различают 

методы атомной спектрометрии  и методы молекулярной спектрометрии. 

Кроме спектрометрических, известны и другие методы анализа, основанные на оптических 

явлениях. В частности, в нефелометрии используют эффект рассеяния света, в 

рефрактометрии — преломление светового потока, в поляриметрии — вращение плоскости 

поляризации. Эти оптические методы к числу спектрометрических не относят. 

 
 

7 

Глава 1. Спектрометрические методы 
 
Механизм взаимодействия электромагнитного излучения с веществом в разных областях 

электромагнитного спектра (табл.1) различен, но в любом случае происходит поглощение 

молекулой определенного количества энергии (абсорбционная спектроскопия).  

Таблица 1 

Спектральная 

область 

 

Мягкое

рентгеновское 
излучение 

Ультра-

фиолетовая 

(УФ) 

Видимая

 

Инфра-

красная (ИК) 
 

Микро-
волновая 
 

Короткие

радиоволны 
 

Причина

поглощения, 
излучения 
 

Переходы
внутренних 
электронов в 
атомах 

Переходы валентных

электронов 
 

Колебательные 

переходы 
молекул 

 

Вращательные

переходы 
молекул 
 

Спиновые
переходы 
ядер и 
электронов 

Наблюдаемый 

спектр 

поглощения

УФ - спектр
ИК спектр
ЯМР

 
Электронные спектры

 

Для атома возможны только совершенно определенные энергетические уровни, каждый из 

которых соответствует характеристической конфигурации электронов. Все изменения энергии 

в пределах одного атома осуществляются через электронные переходы  между орбиталями 

разных энергий. Из-за их ограниченного числа обмен энергией с окружающей средой не 

может осуществляться непрерывно, но происходит в совершенно определенных границах 

(ΔЕ= разности энергий электронных уровней), которым соответствуют строго установленные 

частоты поглощенного (излученного) света, так называемые «собственные частоты» атомной 

системы. Взаимодействуя с электромагнитным излучением, атом поглощает лишь те частоты, 

которые соответствуют его собственной частоте, при этом электроны переходят на орбитали с 

большей энергией. Также частоты могут излучатся возбужденным атомом при обратных 

электронных переходах на орбитали с меньшей энергией. Таким образом, атомные спектры 

имеют линейчатую структуру (рис.1). 

 
Рис.1. Виды атомных и молекулярных спектров. 

В силу более сложной структуры у молекул возможны более разнообразные 

энергетические переходы, чем у атомов. Электронная система молекулы тоже строится из 

8 

дискретных электронных уровней с разной энергией. Поэтому и у молекул наблюдаются 

поглощения,  основанные на электронных переходах в видимой области спектра. Однако 

молекулярный спектр представляет собой полосы поглощений, состоящие из отдельных линий 

соответствующих атомов, входящих в ее структуру (рис. 1). У молекул в отличие от атомов 

электронный переход является не единственно возможным способом изменения количества 

энергии, а именно имеет место колебательная энергия связи. Но кванты энергии ΔЕ, 

определяемые собственными частотами колебаний и необходимые для их возбуждения 

гораздо слабее  количества энергии, требуемое для возбуждения электронов, поэтому 

поглощение колебаний происходит в обладающей меньшей энергией инфракрасной области 

спектра электромагнитного излучения. Также в отличие от атома, молекула способна 

поглощать вращательную энергию связи, которая характеризуется меньшим значением чем 

колебательная энергия и следовательно находятся в длинноволновой  дальней ИК- 

микроволновой области. 

Объединенный Закон Бугера-Ламберта-Бера 

Зависимость интенсивности поглощения монохроматического излучения от концентрации 

вещества и толщины поглощающего слоя выражается законом Бугера-Ламберта-Бера: 

lc
I
I
A
ε
=
−
=

0
lg
, 

где А – абсорбция или оптическая плотность (старое обозначение D), 

I0 – интенсивность падающего потока излучения, 

I – интенсивность потока после прохождения поглощающего слоя, 

с – молярная концентрация исследуемого вещества, 

l – толщина поглощающего слоя, 

ε 
– 
молярный 
коэффициент 
поглощения 
(коэффициент 
экстинкции). 
Является 

качественной характеристикой исследуемого вещества, и зависит только от его природы и 

длинны волны (λ) излучения. Эта величина отображает оптическую плотность одномолярного 

раствора толщиной 1 см. 

 
В ИК-области обычно измеряют пропускание (Т), равное отношению I к I0 и связанное с 

оптической плотностью, следующим соотношением:  

T
A
lg
−
=
, 

9 

если Т приведено в долях от единицы 

T
T
T
A
lg
2
100
lg
lg
−
=
−
−
=
,  

если Т приведено в процентах. 

Оптическая плотность является аддитивной величиной. Поэтому для смесей нескольких 

поглощающих свет соединений, не взаимодействующих между собой, необходимо учитывать, 

что:  

n
общ
A
A
A
A
+
+
+
=
...
2
1
 

Причины отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера 

Поведение поглощающих свет систем подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера лишь при 

монохроматичности светового потока, отсутствии химических изменений в поглощающей 

системе и постоянстве коэффициента преломления. При нарушении этих условий молярный 

коэффициент поглощения изменяется, и график зависимости оптической плотности (А) от 

концентрации 
(с) 
искривляется. 
Если 
концентрация 
уменьшается, 
наблюдаются 

отрицательные отклонения, если возрастает – положительные. 

Причины отклонения от основного закона светопоглощения могут быть кажущимися и 

истинными. Кажущиеся причины, обусловленные немонохроматичностью светового потока, 

рассеянием света и случайными излучениями, называют инструментальными, а вызванные 

химическими воздействиями – химическими. Истинные причины связаны с изменением 

коэффициента преломления. 

 Немонохроматичность светового потока обусловлена несовершенством оптических 

приборов: каждый монохроматор имеет определенную разрешающую силу, и выходная щель 

пропускает излучение в каком-то интервале длин волн. На практике при проведении 

количественных определений, отклонения данного типа не существенны, т.к. измеряются 

вещества с широкой полосой поглощения. Также нужно избегать смеси веществ с 

перекрывающимися полосами поглощения. 

Исследуемое 
вещество 
может 
взаимодействовать 
(протонирование 
или 

депротонирование, ассоциация или диссоциация и др.) с растворителем или другими 

компонентами раствора. В результате появляются поглощающие частицы с другими 

оптическими свойствами. Отсюда возможны положительные и отрицательные отклонения от 

основного закона поглощения. Чтобы предотвратить возможное протекание подобных 

процессов, необходимо строго соблюдать все оговоренные в используемой методике условия 

проведения анализа: порядок прибавления реактивов, время проведения реакции, величину рН 

раствора. 

 

10 

Молекулярно-абсорбционный спектральный анализ 
Для измерения поглощения излучения в видимой области спектра используют 
фотоэлектроколориметры и спектрофотометры в УФ- и ИК-областях. 
Вся аппаратура старится по общей схеме: 

 
Для каждого прибора элементы схемы различны (табл.2). 
Таблица 2 

Узел аппаратуры
Область спектра

УФ
Видимая
ИК

Источник 
излучения 

Водородная лампа
Лампа накаливания 
с вольфрамовой 
нитью 

Глобар-стержень из карбида кремния, 
нагретый до 1500 °С, 
Лампа Нернста стержень из оксидов Zr и It, 
нагретый до 1500 °С

Монохроматор
Кварцевая лампа
Светофильтр, 
стеклянная призма

Призмы из NaCl, LiF, KBr

Приемники 
излучения

Фотоэлементы, фотоумножители
Термоэлементы, болометр

Материал кюветы
Кварц
Стекло
Материал из которого выполнен 
монохроматор 

 

Фотоколориметрия 
Метод, основанный на измерении степени поглощения немонохроматического света 
испытуемым веществом с помощью фотоэлектроколориметров (ФЭК). Данный метод 
применим для окрашенных прозрачных растворов.  
Фотоколориметр – оптический прибор, использующийся для измерения оптической 
плотности растворов в узком диапазоне спектра. Действие фотоколориметра основано на 
свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше 
в них концентрация светопоглощающего вещества  
Применение 
различных 
светофильтров 
с 
узкими 
спектральными 
диапазонами 
пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов 
одного и того же раствора, так как они поглощают при разных длинах.  
Обычно фотоколориметры используются для измерения оптической плотности 
растворов в диапазоне 315 – 630 нм и последующего определения концентрации этих 
растворов. 
Перед началом проведения измерений необходимо выбрать светофильтр. Светофильтры 
нужно выбирать так, чтобы максимум и минимум поглощения определяемого вещества 
попадал в диапазон между максимумом пропускания и минимумом поглощения светофильтра 
(таблица 3).  
Светофильтры необходимо выбирать по окраске анализируемого раствора. В 
зависимости от цвета раствора, а значит области поглощения, необходимо выбрать 
светофильтр, вырезающий соответствующий диапазон длин волн. 
Фотоколориметрический метод достаточно точен, погрешность составляет 3-5 %. 
Наименьшая ошибка достигается при величине оптической плотности 0,434.  

Монох
ромат
ор 

Кюветное отделение 

с анализируемым 
веществом 

Приемник 
излучения 

Измерительное 
устройство 

Источник 
сплошного 
излучения 

11 

Измерения, выполненные с помощью фотоколориметра, отличаются простотой и 
быстротой проведения. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от рода 
вещества составляют от 10−3 до 10−8 моль/л.  
Таблица 3. Характеристики светофильтров 

Цвет раствора
Область 
максимального 

светопоглощения (нм)

Цвет светофильтра

Желто-зеленый
400-450
Фиолетовый

Желтый
450-480
Синий

Оранжевый
480-490
Зелено-синий

Красный
490-500
Сине-зеленый

Пурпурный (фиолетовый)
500-560
Зеленый

Синий
575-590
Желтый

Сине-зеленый
590-625
Оранжевый

 

УФ-спектроскопия 
Неокрашенные вещества поглощают излучение в УФ области спектра, а окрашенные 
соединения в видимой части спектра. УФ спектр представляет собой график и записывается в 
виде зависимости интенсивности поглощения (ε) (или ее логарифма lgε) от длины волны (λ). 
Полосы УФ поглощения обычно очень широкие, т.к. каждому энергетическому уровню 
отвечают многочисленные подуровни, связанные с колебанием молекулы. Электронные 
спектры, обычно состоят из нескольких широких полос (и не имеют узких пиков) в виде 
непрерывной кривой. 

 
Рис 2. Разные виды смещения полосы поглощения и изменения её интенсивности в электронном спектре. 
 
Электронные спектры снимают в любых растворителях. Чаще всего используют 95% 
этиловый спирт, прозрачный до 205 нм. 
Длина волны, на которой происходит поглощение света веществом, зависит от наличия в 
нем определенных двойных связей и от их числа. Группы атомов, вызывающие поглощение в 
УФ и видимой областях спектра получили название хромофорных; они содержат кратные 
связи или атом со свободной парой электронов (С=О, N=O, N=N, C=C, C≡C, NO2, 
ароматические системы и т.д). 

12