METODY SPEKTROSKOPOWE

Spektroskopią nazywa się zespół metod badawczych i analitycznych, które zajmują się

badaniem oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego lub cząsteczkowego

z materią.

W zależności od właściwości materii i energii promieniowania oddziaływania między nimi mogą mieć różny

charakter i mogą im towarzyszyć różne procesy.

Spektroskopia zajmuje się teorią i interpretacją widm powstających w wyniku oddziaływań między

promieniowaniem a materią.

W wyniku takiego oddziaływania energia może ulegać różnym procesom np. absorpcji, emisji,

załamaniu.

zakresu promieniowania elektromagnetycznego (długość fali (częstotliwość promieniowania)),

rodzaju układu materialnego,

formy wymiany energii między promieniowaniem a materią (zjawiska zachodzące w układzie).

Podziału metod spektroskopowych można dokonać według:

Z. Witkiewicz „Podstawy chromatografii” – WNT

Podział metod spektroskopowych w zależności od długości fali (częstotliwości promieniowania) elektromagnetycznego

Z. W

itkie

wic

z „P

odsta

wy c

hro

mato

gra

fii” – W

NT

Podział metod spektroskopowych w zależności od rodzaju układu materialnego

Z. W

itkie

wic

z „P

odsta

wy c

hro

mato

gra

fii” – W

NT

Podział metod spektroskopowych w zależności od zachodzącego zjawiska

SPEKTROFOTOMETRIA UV/VIS

SPEKTROFOTOMETRIA

ABSORPCYJNA

Spektrofotometrię dzieli się pod względem na długość zastosowanego promieniowania na trzy podstawowe

działy:

spektrofotometria w nadfiolecie – UV 200-380nm,

spektrofotometria w świetle widzialnym – VIS 380-780 nm,

spektrofotometria w podczerwieni – IR 1-16 m.

Spektrofotometria absorpcyjna UV/VIS jest metodą wykorzystującą do celów analitycznych zjawisko

absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie UV/VIS przez cząsteczki substancji

absorbującej co prowadzi do przejść elektronów walencyjnych między poziomami energetycznymi.

W zakresie UV/VIS efekty absorpcji zachodzą w związkach organicznych, w których występują ugrupowania

atomów z wiązaniami wielokrotnymi zawierającymi wolne elektrony .

zielony czerwony 680-780

zielononiebieski czerwony 620-680

niebieski pomarańczowy 580-620

fioletowoniebieski żółty 550-580

fioletowy żółto-zielony 520-550

purpurowy zielony 500-520

czerwony niebieskozielony 470-500

pomarańczowy niebieski 440-470

żółty fioletowoniebieski 420-440

żółtozielony fioletowy 380-420

kolor obserwowany kolor zaabsorbowany max [nm]

Kolor widziany, a długość fali pochłanianego promieniowania

Wzrost liczby grup chromoforowych w cząsteczce pogłębia barwę, przesuwając maksimum absorpcji w

kierunku fal dłuższych – przesunięcie (efekt) batochromowe.

Przesunięcie w kierunku odwrotnym to efekt hipsochromowy.

NO

O

grupa nitrowa

grupa azowa

grupa nitrozowa N O

N N pierścień benzenowy

pierścień naftalenowy

alkeny CH CH

alkiny C Cgrupa karbonylowa C O

GRUPY CHROMOFOROWE - ugrupowania odpowiedzialne za barwę w zakresie promieniowania UV/VIS

GRUPY AUKSOCHROMOWE – powodują głównie wzrost intensywności zabarwienia, możliwy jest też efekt

batochromowy.

grupa metylowa CH3

OHgrupa hydroksylowa grupa aminowa NH2

APARATURA POMIAROWA - SPEKTROFOTOMETR

Schemat spektrofotometru dwuwiązkowego

Schemat spektrofotometru jednowiązkowego

Schemat spektrofotometru z matrycą diodową

Z padającej na warstwę roztworu równoległej wiązki promieniowania monochromatycznego część ulega:

absorpcji,

odbiciu,

rozproszeniu.

Io It

Ir

b

Io – natężenie promieniowania padającego,

It – natężenie promieniowania po przejściu przez warstwę absorbującą,

Ir – natężenie promieniowania odbitego,

b – grubość warstwy pochłaniającej,

Jeżeli warstwa absorbująca składa się z małych warstewek o grubości b (stężeniu c), z których każda

zmniejsza natężenie padającego promieniowania monochromatycznego o taką samą część promieniowania.

It Io

b

c

b

c

b

c

b

c

b (c)

It

kb

ot eII

kc

ot eII

prawo Bougera-Lamberta (I prawo absorpcji)

prawo Beera (II prawo absorpcji)

k – współczynnik proporcjonalności

k’ – współczynnik proporcjonalności wyrażający absorbancję, jaką wykazuje roztwór przy jednostkowej grubości

warstwy pochłaniającej i jednostkowym stężeniu.

Prawo Bougera-Lamberta-Beera

kbc

ot eII

Natężenie promieniowania monochromatycznego przechodzącego przez ośrodek absorbujący jest

wprost proporcjonalne do natężenia promieniowania padającego i maleje wykładniczo wraz z liniowym

wzrostem grubości warstwy absorbującej i stężenia.

kbc=I

Iln

o

tkbc

o

t eI

Ikbc=

I

Iln

t

o

t

o

t

o

I

I ln0.4343 =

I

Ilog kbc0.4343 =

I

Ilog

t

o bck=I

Ilog '

t

o

To

t

I

Itransmitancja 100T0T

absorbancja A=I

Ilog

t

o A0A

c b=T

1logA

k’ =

dla stężenia c wyrażonego w mol·l-1

molowy współczynnik absorpcji

Molowy współczynnik absorpcji zależy od:

rodzaju substancji,

długości fali przy której wykonuje się pomiary,

Absorbancja zależy od:

stężenia substancji,

grubości warstwy pochłaniającej,

Prawo addytywności absorbancji

It Io

b1, c1, 1 b2, c2, 2 b3, c3, 3

32 AAAA 1

WIDMA ABSORPCJI

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

200 300 400 500 600 700 800

l [nm]

A

nadmanganian potasu

KMnO4

0

0.5

1

1.5

2

300 400 500 600 700 800

[nm]

Abłękit metylenowy

N

S NNCH

3

CH3CH

3

CH3

+

Analityczna długość fali

Aby uzyskać jak największą czułość pomiaru należy tak dobrać długość fali aby molowy współczynnik

absorpcji osiągnął maksymalna wartość.

[nm]

A

analityczna

[nm]

A

1 2=analityczna

BŁĄD POMIARU ABSORBANCJI

ODCHYLENIA OD PRAWA BEERA

c [mol l-1]

A

Odchylenia pozorne (przypadkowe)

wywołane czynnikami fizycznymi związanymi ze stosowaną aparaturą np.

• niestabilność źródła światła,

• niemonochromatyczność wiązki promieniowania,

• szumy detektora.

Odchylenia rzeczywiste

wywołane przyczynami chemicznymi takimi jak reakcje polimeryzacji, dysocjacji, hydrolizy, solwatacji czy

tworzenia kompleksów.

odchylenia dodatnie

odchylenia ujemne

Cr2O72- + H2O 2CrO4

2- + 2H+

O][H ]O[Cr

][H ][CrOK

2

2

72

222

4

punkt izozbestyczny

ANALIZA ILOŚCIOWA

axy lcA xx ε

y = 1491.4x + 0.0038

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 c [mol l-1]

A

Ax

cx

l

Ac

x

xx ε

Oznaczenia jednoskładnikowe

[nm]

A

1 2

Oznaczenia dwuskładnikowe

[nm]

A

2 1

lε

A

2

2

Yλ

λ

Yc

lcε lcεAAA YYλXXλYλXλλ 11111

lcεA XXλλ 11

lcεA YYλλ 22

lcεA YYλλ 22

lε

A

2

2

Yλ

λ

Yc

lε

A=c

λ

X

1Xλ

1

2

2

111

Yλ

λ

YλXXλλ ε

Aε lcεA

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

[nm]

A

2 1

lcε lcεAAA YYλXXλYλXλλ 11111

lcε lcεAAA YYλXXλYλXλλ 22222

Warunek rozbieżności

maksimum2

1

Yλ

Xλ

ε

minimum2

2

Yλ

Xλ

ε

VT [ml]

A

K + T KT

T titrant co stopniu samym takim w absorbujeK substancjaTK21 εε

aniepromieniow absorbujeK substancja 0)(ε 0AKo

PK

K

1 2

aniapromieniow absorbuje nie KT reakcji produkt0)(ε0AKTPK

rzeczywisty przebieg krzywej

MIARECZKOWANIE SPEKTROFOTOMETRYCZNE

Po PK A≠0 (ε≠0) → titrant pochłania promieniowanie

MIARECZKOWANIE MIESZANINY DWUSKŁADNIKOWEJ

K + M + T KT + MT

anal = 745nm pKBiEDTA = 22.8, pKCuEDTA = 18.8

CuEDTACuBiEDTAEDTABi 23 0=0 0 ε<ε ε ε ε

V [ml]

A

Bi3+ + EDTA

PK1 PK2

Bi3+ + Cu2+ + EDTA

Spektrofotometryczne wyznaczanie stałej dysocjacji

Związek barwny o charakterze słabego kwasu dysocjuje na jony zgodnie z równaniem:

[HIn]

][In ][H

[HIn]

]][In[HK

[HIn]

][In log pHpK

[InH] = [In-] 0[HIn]

][In log pHpK

HIn H+ + In-

Stan równowagi reakcji można opisać stałą równowagi zgodnie z równaniem:

Przy odpowiednio niskim pH w roztworze istnieje tylko forma HIn, a przy odpowiedni wysokim forma In-. Dla

odpowiedniego pH:

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

4 5 6 7 8 9 10 11 pH

A

pH = pK = 7.9

2

1

2

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 [nm]

A

1

punkt izozbestyczny

2

punkt izozbestyczny

zmiana barwy

pH 6.8-8.4

wskaźnik jednobarwny – czerwień fenolowa

Wskaźnik dwubarwny

zmiana barwy pH 1.2-2.8

pK1 = 1.7

błękit tymolowy

zmiana barwy pH 8.0-9.6

pK2 = 8.9