Temat:

Spektrofotometria

promieni UV/VIS

Gębka Marcin

Andrzejewski Jan

Majchrzycki

Adam

Wprowadzenie

Spektroskopia optyczna

obejmuje metody badania materii

przy użyciu promieniowania elektromagnetycznego, które

może być w danym układzie wytwarzane lub może z

układem oddziaływać.

Spektrometria zajmuje się rejestracją i pomiarami efektów tych

fizycznych zjawisk dostarczając szeregu informacji o układzie

i jego składnikach.

Szczególne znaczenie w analizie chemicznej mają

metody

absorbcyjne

. Do nich należy spektrofotometria absorpcyjna

w nadfiolecie (UV) i obszarze widzialnym (VIS), która opiera

się na selektywnej absorpcji promieniowania

elektromagnetycznego przez substancję w stanie gazowym,

stałym lub w fazie ciekłej. Dla zrozumienia tych zjawisk

niezbędne jest wgłębienie się w naturę promieniowania

elektromagnetycznego i materii.

Promienie UV/VIS

Promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu ultrafioletu (~100-
350 nm) i światła widzialnego (~350-900 nm) niesie kwanty
energii zgodne, co do wielkości,  z różnicami poziomów
energetycznych elektronów walencyjnych cząsteczki.

W wyniku adsorpcji promieniowania elektromagnetycznego
przez cząsteczki następuje wzbudzenie odpowiednich
poziomów energii a efektem mierzonym jest

widmo

.

Widmo spektroskopowe

to zarejestrowany obraz

promieniowania rozłożony na częstotliwości, długości fali lub

energie, które zostało wyemitowane albo weszło w kontakt z

analizowaną substancją przeszło przez nią lub zostało przez nią

odbite. Widma są w stanie dostarczyć szeregu cennych

informacji o analizowanej substancji. Analizą i tłumaczeniem

mechanizmów powstawania widm zajmuje się spektroskopia,

metoda badawcza wykorzystywana w wielu dziedzinach nauk

doświadczalnych, głównie fizyce i chemii i w zastosowaniach

praktycznych (np. w medycynie).

Najprostsze widma jednowymiarowe mają zwykle postać wykresu,

na którym na osi pionowej zaznacza się zwykle intensywność

promieniowania (lub stopień jego absorpcji - dla widm

absorpcyjnych), a na osi poziomej liczbową charakterystykę

używanego w danej spektroskopii promieniowania , np. długość

fali, częstotliwość lub energię. Widma przedstawia się czasem

również w postaci paska świetlnego uzyskiwanego na ekranie

lub na filmie fotograficznym.

Widmo emisyjne azotu.

Przykład widma H

W związkach organicznych:
Absorbcja promieniowania w zakresie UV- VIS

jest związana z przejściami elektronów

walencyjnych (elektrony δ i π) oraz

elektronów wolnych par elektronowych

(elektrony n). W cząsteczkach związków

organicznych występują następujące orbitale

molekularne:

- orbitale wiążące σ,
- orbitale niewiążące n,
- orbitale antywiążące σ*, π*.
Kolejność poziomów energetycznych

poszczególnych orbitali i możliwości przejść

przedstawiono na rys.7.2.

Gdy w wyniku oddziaływania kationu metalu d-
elektronowego z ligandem (cząsteczka H

2

0 lub inny

ligand) powstanie związek kompleksowy, wówczas
zdegenerowane orbitale d rozszcze-piają się na grupy o
różnych wartościach energii, a przejścia elektronowe
pomiędzy poszczególnymi grupami orbitali od-bywają
się w wyniku absorpcji lub emisji promieniowania.
Rozszczepienie orbitali jest uzależnione od typu symetrii
powstającego kompleksu.

Rozkłady gęstości ładunku elektronowego
odpowiadające różnym orbitalom w
cząsteczce O

2

.

I prawo absorbcji

(

Lamberta

)

Wiązka promieniowania monochromatycznego po

przejściu przez jednorodny ośrodek absorbujący o

grubości b ulega osłabieniu wg równania:

I – natężenie promieniowania po przejściu ośrodek

absorbujący

I

0

– natężenie wiązki promieniowania

monochormatycznego padającego na jednorodny

ośrodek absorbujący

b - grubość warstwy absorbującej
k – współczynnik absorbcji

kb

e

I

I







0

kb

I

I

kb

I

I









0

0

log

log

Stosunek I/I

0

nazwano

transmitancją

T.

Charakteryzuje ona przepuszczalność
ośrodka. Logarytm dziesiętny
odwrotności, a więc log(I/I

0

) określono

mianem,

absorbancji

A:

Stosunek natężeń promieniowania

padającego i przechodzącego przez
ośrodek absorbujący ilościowo można
określić na podstawie
doświadczalnego pomiaru absorbancji
lub transmitacji.

Drugie prawo absorbcji (

Lamberta-Beera

):

Jeśli współczynnik absorbcji rozpuszczalnika

jest równy zero, to wiązka promieniowania
monochromatycznego, po przejściu przez
jednorodny roztwór substancji absorbującej
o stężeniu c ulega osłabieniu wg równania:

kbc

e

I

I







0

bc

A

abc

I

I

A







0

log

ε – molowy współczynnik absorbcji

Prawo addytywności absorbancji

dotyczy

roztworów i mieszanin wieloskładnikowych.

Wyraża ono absorbancję całkowitą środowiska, A,

jako sumę niezależnych absorbancji

poszczególnych składników (A

1

, A

2

, A

3

, ..., A

n

), co

można przedstawić matematycznie w następujący

sposób:

czyli

lub















n

i

i

n

A

A

A

A

A

1

2

1

...















n

i

i

i

n

n

bc

a

bc

a

bc

a

bc

a

A

1

2

2

1

1

...















n

i

mi

i

mn

n

m

m

bc

bc

bc

bc

A

1

2

2

1

1

...









Chromofory

W początkowym okresie rozwoju spektroskopii, kiedy

relacje między właściwościami specyficznej absorbcji

cząsteczek i ich strukturą chemiczną ustalano

doświadczalnie, dla substancji barwnych stwierdzono,

że barwne związki odznaczają się charakterem

nienasyconym. Wprowadzono pojęcie

chromoforu

jako

grupy atomów połączonych wiązaniem wielokrotnym,

której obecność decyduje o barwie związku, np.

=c=cc=; =c=o; -N=N-; -C≡C-; -C≡N

We współczesnym rozumieniu chromofor stanowi

izolowaną grupę funkcyjną, nienasyconą, łatwo

polaryzowalną, zdolną do selektywnej absorpcji

promieniowania elektromagnetycznego w zakresie

180-800 nm. Innymi słowy jest to grupa zawierająca

zespół elektronów n wykazujących specyficzny układ

chmury elektronowej, zarówno w stanie podstawowym

jak i w stanie wzbudzonym.

Przejście ze stanu

podstawowego do stanu
wzbudzonego związane jest
z wystąpieniem
charakterystycznego pasma
w widmie absorbcyjnym.

Tablica.

Typowe proste chromofory nieorganiczne

e

max>

Rozpuszcza

l-

Chromofor

Związek

A

max

,

n

m

1-moH-cnr-

1

nik*

(przybliżony)

-Cl

CH

3

C1

173

200

V

-Br

CH

3

Br

204

230

V

-I

CH3I

258

365

p

-S

C2H31SH

225

875

-

|

(CH

3

)

2

S

229

875

-

-N-

CH

3

NHj

215

600

-

|

(CH

3

)

3

N

227

900

-

-O-

H

2

0

167

1480

V

(CH3)

2

0

184

1000

-

Kolorymetria

Podstawą do powstania kolorymetru stało się drugie

prawo Lamberta-Beer’a.

Istotną cechą absorpcji promieniowania zakresu

widzialnego jest możliwość wizualnej obserwacji

zjawiska. Barwa obserwowana stanowi przy tym barwę

dopełniającą do zakresu zaabsorbowanego. Oko ludzkie

jest w stanie ocenić nie tylko rodzaj zabarwienia, ale i

jego natężenie, dlatego w najprostszych metodach

kolorymetrycznych zwanych wizualnymi wykorzystuje

się oko jako przyrząd pomiarowy natężenia

promieniowania przepuszczanego. Aby uniezależnić się

od indywidualnych cech oka zastosowano do pomiaru

na tężenia promieniowania komórki fotoelektryczne i

ogniwa fotoelektryczne, za pomocą których

dokonujemy pomiaru obiektywnego. W związku z tym

stosuje się czasem nazwę

kolorymetrii obiektywnej

.

Kolorymetry fotoelektryczne dzieli się na dwie

grupy:

jedno- i dwuwiązkowe

. W kolorymetrach

jednowiązkowych w bieg tej samej wiązki

promieniowania wstawia się kolejno odnośnik i

roztwór badany mierząc ich absorpcję, w

aparatach dwuwiązkowych wiązka promieniowania

zostaje rozdzielona na dwie równoległe wiązki, z

których jedna przechodzi przez odnośnik, druga

przez roztwór badany. Każda pada na osobny

detektor, zaś przyrząd pomiarowy mierzy różnicę

prądów wytwarzanych w obu detektorach.

Schemat kolorymetru fotoelektrycznego

jednowiązkowego.

Na rysunku powyżej pokazano schemat kolorymetru jedno

wiązkowego. Promieniowanie żarówki wolframowej 1 odbite od

reflektora 2 pada na diafragmę (przesłonę) 3 z ciągłą regulacją

wielkości otworu (np. tzw. diafragma irysowa). Wyodrębniona w ten

sposób wiązka promieniowania przechodzi przez filtr 4, kuwetę z

roztworem 5 i pada na powierzchnię fotoogniwa 7. Galwanometr 8,

który mierzy prąd wytwarzany przez fotoogniwo, jest zwykle

wyskalowany w jednostkach przepuszczalności (T) lub i

przepuszczalności (T) i absorpcji (A).

Schemat kolorymetru fotoelektrycznego dwuwiązkowego.

Zasada działania kolorymetru fotoelektrycznego

dwuwiązkowego pokazanego powyżej polega na wydzieleniu ze

wspólnego źródła światła 1 dwu jednakowych wiązek promieniowania,

z których każda przechodzi kolejno przez kondensory 2, 2',

regulowane przesłony 3, 3', identyczne filtry 4, 4' i kuwety 5, 5'. Po

przejściu przez kuwety wiązki promieniowania padają na fotoogniwa

6, które wytwarzają fotoprąd. Różnica fotoprądów wskazywana jest

przez galwanometr 7. Zaletą, przyrządów dwuwiązkowych jest

możliwość wyeliminowania zmian napięcia zasilającego źródło

światła. Zmiany te w znacznie mniejszym stopniu wpły wają na

różnicę fotoprądów obu fotoogniw niż na wskazania każdego z nich z

osobna.

Spektrofotometr UV/VIS

Promieniowanie lampy wodorowej 1 po przejściu przez kondensor 2 i
od biciu od zwierciadła 3 trafia na szczelinę 5 chronioną płytką
kwarcową 4. Następnie zwierciadło 6 kieruje je na pryzmat kwarcowy
7, w którym następuje rozszczepienie i odbicie. Wiązka
rozszczepionego promieniowania wraca przez odbicie w zwierciadle 6
do szczeliny 5, a przez soczewkę 8 i ew. dodatkowy filtr 9 trafia na
kuwetę 10. Po przejściu następnie przez okienko kwarcowe 11 wiązka
trafia na katodę fotokomórki 12. Obrót pryzmatu 7 pozwala kierować
na szczelinę promieniowanie o coraz to innej długości fali.

Zastosowanie

spektrofotometrii.

Spektrofotometria UV — Vis należy do najczęściej wykorzystywanych metod instrumentalnych w

analizie ilościowej. Główne zalety tej metody, to:

a)

Dobra czułość

Obiektywnym liczbowym wykładnikiem czułości metod spektrofoto-metrycznych jest molowy

współczynnik absorpcji ε.

b)

Dobra precyzja oznaczeń

Precyzja oznaczeń zależy od zakresu oznaczanych stężeń i od klasy stosowanych, aparatów. W

metodach spektrofotometrycznych można uzyskać wyniki, których błąd nie przekracza ± 0,2%.

c)

Selektywność oznaczeń

Jest uwarunkowana selektywnością absorpcji z jednej strony i selektywnością odczynników

wywołujących barwną reakcję z substancją oznaczaną z drugiej strony. Te dwa czynniki pozwalają

na osiągnięcie dobrej selektywności w szczególności w oznaczeniach kationów metali.

Możliwości praktycznych zastosowań metod spektrofotometrycznych UV—Vis są różnorakie. A oto

kilka przykładów takich zastosowań:

1)

W analizie ilościowej kationów metali

Opracowano procedury oznaczeń dla wszystkich kationów metali i to na wiele sposobów. Kationy

metali oznacza się najczęściej w postaci barwnych kompleksów chelatowych z odczynnikami

organicznymi, barwnych kompleksów par jonowych, a także barwnych kompleksów z prostymi

ligandami nieorganicznymi, np. z tiocyjanianami (Fe3 + , Co3 + , Nb5 + , Mob + , Re7 + , W6+),

jodkami (Pd2 + , Bi3 + , Sb3\ Pt4+) lub nadtlenkami (Ti4+).

2)

W analizie ilościowej anionów nieorganicznych

Metody spektrofotometrii UV — Vis należą do głównych metod w analizie anionów nieorganicznych.

Procedury oznaczeń obejmują wszystkie aniony, aie najczęściej oznacza się azotany(V) i

azotany(III) (azotyny) (również obok siebie), fosforany, fluorki i krzemiany.

3)

W analizie ilościowej związków organicznych

Spektrofotometria, w szczególności w zakresie nadfioletu, jest stosowana w analizie ilościowej

związków organicznych.

4)

Do badania równowag reakcji chemicznych

Spektrofotometrię UV —Vis wykorzystuje się w szczególności do:
a) wyznaczania stałych dysocjacji kwasów i zasad,
b) ustalania składu i stałych trwałości związków kompleksowych.

Dziękujemy za uwagę.