background image

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego 

Wydział Nauk o Żywności 

Dr Ewa  Więckowska-Bryłka 

Katedra Chemii WNoŻ 

p. 2036 

METODY ANALIZY INSTRUMENTALNEJ 

 

SPEKTROFOTOMETRIA 

 

Analiza 
instrumentalna
 

Metody 

elektrochemiczne  

Metody 

spektrofotometryczne 

(spektroskopowe) 

Metody 

radiometryczne 

Metody 

chromatograficzne 

Metody  spektroskopowe  –  zespół  metod  w  chemii  fizycznej  i 
fizyce  zajmujących  się  badaniem  przejawów  oddziaływania 

między  promieniowaniem  elektromagnetycznym  a  materią  (czyli 
zbiorem atomów, cząsteczek, itd.) oraz badaniem na tej podstawie 
budowy i właściwości atomów, cząsteczek i jąder atomowych.  

spektroskopię absorpcyjną  

emisyjną  

rozpraszania 

Klasyfikacja  metod  spektroskopowych  ze  względu  na  charakter 

oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią: 

Klasyfikacja  metod  spektroskopowych  ze  względu  na  rodzaj 
badanego układu
 (cząstek materii): 

spektroskopia atomowa  

spektroskopia molekularna lub cząsteczkowa 

spektroskopia jądrowa  

spektroskopia kryształów 

Klasyfikacja  metod  spektroskopowych  ze  względu  na  rodzaj 
wzbudzeń
 

(przejścia 

między 

poziomami 

elektronowymi, 

oscylacyjnymi, rotacyjnymi, jądrowymi) i formę energii molekuł:  

spektroskopia elektronowa  

spektroskopia oscylacyjna  

 

spektroskopia rotacyjna  

spektroskopia 

elektronowego 

rezonansu 

paramagnetycznego (EPR) 

spektroskopia 

jądrowego  rezonansu  magnetycznego 

(NMR) 

background image

   Promieniowanie elektromagnetyczne: 

drganie  pola  elektrycznego,  któremu  towarzyszy  drganie  pola 
magnetycznego 

długość  fali 

  (odcinek  drogi  promieniowania,  na  którym 

mieści się jeden okres drgania pola czyli jedno drganie), [cm], 

częstotliwość  drgań pola na sekundę 

, [s

–1

], 

c

– prędkość promieniowania w próżni, 
 

.

 10

m/s 

1

liczba falowa 

czyli częstość drgań pola na centymetr, [cm

–1

], 

Natura promieniowania elektromagnetycznego: 

wiązka  promieniowania  jest  zbiorem  porcji  energii  (natura 
korpuskularna
),  czyli  kwantów  energii,  biegnących  w 
kierunku rozchodzenia się promieniowania 

wielkość 

  pojedynczego  kwantu,  zwanego  fotonem,  określa 

zależność Plancka: 

c

1

h

h

  lub 

  

c

h

gdzie: – stała Plancka, 6,63 · 10

–34

  J·s. 

kwanty  energii (czyli  fotony) są tym większe, im  większa jest 

częstość drgań fali elektromagnetycznej, czyli im mniejsza jest 
jej długość 

zależność  Plancka  wiąże  charakter  falowy  i  korpuskularny 
promieniowania. 

Widmo promieniowania elektromagnetycznego: 

zbiór fal elektromagnetycznych o różnej długości 

promieniowanie  widzialne  przez  oko  ludzkie  (światło)  obejmuje 
niewielki  zakres  promieniowania  elektromagnetycznego,  którego 

długość  fal  wynosi  od  około  400  nm  (fiolet)  do  760  nm 

(czerwień). 

     

 

10

3 .10

1 1

3 .10

1 2

3 .10

3 .10

13

3 .10

14

3 .10

15

3 .1016

3 .10

17

18

3 .1 0

1

cm

[

]

10

fale
radiow e

m ikrofale

p rom .

w idz.

nadfiolet

p ro m .
rentgeno w sk ie

10

8

7

10

10

6

1 0

5

10

4

1 0

3

2

10

1

10

-1

10

-2

10

-3

1 0

-4

1 0

-5

1 0

-6

10

-7

-8

1 0

prom . 

2 3

2 . 10

-

22

2 . 10

-

2 0

2 . 10

-

19

2 . 10

-

21

2 . 10

-

1 5

2 . 1 0

-

1 8

2 . 10

-

17

2 . 10

-

16

2 . 1 0

-

1 .2 . 10

-2

1.2 . 1 0-1

1.2

1.2 . 1 0

1

1.2 . 10

2

1.2 . 10

3

4

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

1.2 . 1 0

5

1.2 . 10

6

podczerw ień



.

J

]

foton

-1

ajn sztajn

[kJ . m o l -1]

[H z]

_

-1]

[cm

Absorpcja promieniowania przechodzącego przez roztwór: 

I

0

 – natężenie promieniowania przed przejściem przez roztwór,  

I – natężenie promieniowania po przejściu przez roztwór.  

T

I

I

0

T  –  transmitancja  (przepuszczalność),  np.  70  % 
promieniowania przechodzi przez próbkę   T = 0,70. 

A

T

1

log

I

I

log

I

I

log

T

log

0

0

A – absorbancja, wartość mierzona absorbcji 

d e t e k t o r 

r e j e s t r a t o r 

ź r ó d ł o 

p r o m i e n i o w a n i a 

 

background image

Widmo  absorpcyjne:    krzywa  absorpcji,  poszczególne  składowe 

noszą nazwę pasm 

Interpretacja widma: 

pozwala  na  identyfikację  jakościową 

(występowanie 

charakterystycznych 

maksimów 

odpowiadających 

poszczególnym atomom, cząsteczkom lub 
ugrupowaniom atomów w cząsteczkach) 

pozwala na analizę ilościową próbki 

ustalenie struktury związków 

badanie mechanizmów i kinetyki reakcji 

 

Do zastosowań analitycznych 

należy wybrać tzw. analityczną 

długość fali 

max.

  

Wyznaczamy ją na podstawie 

zależności  

A = f (

)  

max 

odpowiada największa 

absorbancja (a jednocześnie 
najmniejsza T)  

A

   [nm]

c

1

c

2

c

3

<

<

c

2

c

3

c

1

max

10 

Absorbancja A (wielkość 
bezwymiarowa) jest 

proporcjonalna do stężenia 
molowego roztworu c i 

grubości warstwy absorbującej 
l (w cm). 

A

b

s

o

rb

a

n

c

ja

Stężenie wzorca [mg/L]

0.1

0

0.5

0.1

1.0

1.5

2.0

0.5

1.0

1.5

Liniowa zależność absorbancji

od stężenia wzorca

Warunki oznaczenia:

    technika płomieniowa

    długość fali - 285.2 nm
    szczelina - 0.7 mm

c

l

ε

I

I

log

A

0

rozpuszczalnik 

nie 

absorbuje 

promieniowania, 

brak 

jakichkolwiek 

oddziaływań 

między 

cząsteczkami 

substancji 

absorbującej 

czy 

też 

między 

cząsteczkami 

tej 

substancji 

rozpuszczalnika 

 – współczynnik proporcjonalności, 

tzw. molowy współczynnik 
absorbancji
 (molowy współczynnik 

pochłaniania), [dm

3

 

.

 mol

–1. 

cm

–1

].  

Prawo Lamberta-Beera jest 

spełnione gdy: 

Prawo Lamberta-Beera: 

Wykres 

wzorcowy 

po 

zmierzeniu  wartości  A  dla 
roztworu  o  nieznanym  c

x

wyznacza  się  jego  stężenie  z 

wykresu 

11 

Oznaczanie stężenia jonów żelaza (III) metodą kolorymetryczną 

przeprowadzenie jonów żelaza (III) w związek barwny za 

pomocą kwasu salicylowego 

kationy Fe

3+

 tworzą z kwasem salicylowym (w zależności od 

pH roztworu) trzy rodzaje jonów: 

 

 

F e 

t r i s a l i c y l a n   
ż e l a z a ( I I I ) 

m o n o s a l i c y l a n 
ż e l a z a   ( I I I ) 

F e 

d i s a l i c y l a n   
ż e l a z a   ( I I I ) 

F e 

F e 

t r i s a l i c y l a n   
ż e l a z a ( I I I ) 

m o n o s a l i c y l a n 
ż e l a z a   ( I I I ) 

F e 

d i s a l i c y l a n   
ż e l a z a   ( I I I ) 

F e 

12 

w  środowisku  kwaśnym  przy  pH  <  2  w  roztworze 
badanym  występuje  jedynie  monosalicylan  żelaza  (III)  o 
barwie fioletowej 

dodając  roztworu  kwasu  salicylowego  do  roztworów  o 

różnej  zawartości  jonów  Fe  (III)  otrzymuje  się  roztwory 
wzorcowe  o  różnym  stężeniu  związku  kompleksowego  (o 

różnej  intensywności  zabarwienia),  a  więc  o  różnej 

wartości A 

po  określeniu 

max

  i  ustawieniu  jej  na  przyrządzie, 

wykonuje się pomiary A dla serii roztworów wzorcowych  

sporządza się wykres zależności A = f(c) 

umożliwia  on  określenie  ilości  kationów  Fe

3+

  w 

analizowanym roztworze po zmierzeniu jego absorbancji. 

 

background image

13 

Spektroskopia w nadfiolecie i w zakresie widzialnym:  

substancja  pochłania  ze  światła  białego  (z  zakresu 
widzialnego 

promieniowania 

elektromagnetycznego) 

promieniowanie  o  określonej  długości  fali,  czyli  o 
określonej barwie,  

o  barwie  dostrzeganej  okiem,  decyduje  mieszanina 
przepuszczonych i odbitych składników barwnych światła, 

barwę  obserwowaną  nazywamy  dopełniającą  do  barwy 
absorbowanej  (w  połączeniu  z  barwą  promieniowania 
zaabsorbowanego tworzy ona światło białe), 

selektywna  absorpcja  promieniowania      –  barwa 
przedmiotu  (roztworu),  jest  jego  cechą  fizyczną  związaną 
ściśle  z  absorpcją  promieniowania  o  określonym  zakresie 
długości fal 

14 

Absorpcja promieniowania widzialnego i barwy dopełniające 

Promieniowanie absorbowane 

 

 Długość 
fali, nm 

  

Barwa 

promieniowania 
  pochłanianego

 

Barwa dopełniająca – 
 obserwowana

 

400 – 440 
440 – 470 
470 – 480 
480 – 490 
490 – 495  
495 – 560 
560 – 570 
570 – 575  
575 – 590  
590 – 600 
600 – 620 

Fiolet 
Błękit indygo 
Błękitna 
Niebieska 
Niebieskozielona 
Zielona 
Zielonożółta 
Żółta 
Żółtopomarańczowa 
Pomarańczowa 
Pomarańczowoczerwona  

Żółta 
Żółta 
Żółtopomarańczowa 
Pomarańczowa 
Czerwona 
Czerwonopurpurowa i fioletowa 
Purpurowofioletowa 
Fioletowa i indygo 
Błękitna i niebieska 
Niebieska 
Niebieskozielona 

 

Spektrum światła białego  

15 

Większość związków kompleksowych metali bloku d  jest  barwna  

pasma  absorpcji  jonów  tych  pierwiastków  przypisuje  się  przejściom 
elektronowym w orbitalach d, zwanych przejściami typu d 

 d 

W  wolnym  jonie  elektrony  d  znajdują  się  w  polu  o 
symetrii kulistej.  

W kompleksie pod wpływem ligandów tworzą związki 
o symetrii przeważnie tetraedrycznej lub oktaedrycznej.  

16 

 

Według  teorii  pola  krystalicznego  (jedna  z  teorii 
wyjaśniających 

budowę 

związków 

kompleksowych) 

poziomy d ulegają rozszczepieniu: 

w  kompleksie  o  symetrii  tetraedrycznej  na  dwa  poziomy: 
e

g

  o  energii  niższej  i  t

2g

  o  energii  wyższej;  w  kompleksie  o 

symetrii oktaedrycznej - również na dwa, z tym że energia 
poziomu e

g

 jest wyższa, a poziomu t

2g

 niższa, 

 rozszczepienie  poziomu  d  stwarza  sytuację,  w  której 
elektrony  mogą  przejść  z  niższych  poziomów  na  wyższe 
pochłaniając  foton  o  częstości  pasującej  do  wielkości 
rozszczepienia 

background image

17 

o  konfiguracji  elektronowej  [Ar] 
4s

0

3d

jest  bezbarwny,  nie 

obserwuje  się  głównego  pasma 

absorpcji w zakresie widzialnym. 

pięciu 

elektronów 

trzy 

obsadzają  pojedynczo  orbitale 
poziomu  t

2g

,  a  dwa  –  orbitale 

poziomu  e

i  nie  ma  możliwości 

przeniesienia elektronu z orbitalu 
t

2g

  do  orbitalu  e

g 

(brak  pustych 

orbitali 

e

g

stanem 

podstawowym 

jest 

stan 

maksymalnej 

liczbie 

niesparowanych 

elektronów). 

Jest  to  spowodowane  obecnością 
stosunkowo 

słabego 

pola 

ligandów  –  cząsteczek  wody 

(słabe rozszczepienie poziomu d
niezbyt  duża  różnica  energii 

 

między  poziomami  t

2g

  i  e

g

)  i 

powstaniem 

kompleksu 

wysokospinowego.  

3

6

2

)

O

H

(

Fe

Jon 

Fe

3+

t

2g

e

g

orbitale d

Fe(H

2

O)

6

3+

18 

Jony  CN

  jako  ligandy 

silnego  pola,  powodują 

duże 

rozszczepienie 

poziomu  d  i  w  stanie 
podstawowym  powstaje 
kompleks  niskospinowy 

(pięć elektronów obsadza 
poziom  t

2g

  o  niższej 

energii). 

Wskutek 

absorpcji 
promieniowania 

następuje 

przeskok 

elektronu  z  poziomu  t

2g

 

do  e

g

  i  pojawia  się 

barwa 

obserwowana 

zielona
 

3

6

)

CN

(

Fe

Inaczej wygląda sytuacja w jonie 

w roztworze wodnym 

]

)

CN

(

Fe

[

K

6

3

Fe

3+

e

g

t

2g

orbitale d

Fe(CN)

6

3

_



19 

Analogiczna sytuacja w monosalicylanie żelaza (III): 

różnica  energii  między  poziomami  duża  (wszystkie  e  na 
niższym poziomie) 

po  pochłonięciu  światła  możliwy  przeskok  e  z  orbitalu  o 
niższej energii na orbital o energii wyższej 

dopełniająca  barwa  obserwowana  –  fioletowa,  bo 
pochłaniana  

 = 530 nm (barwa zółtozielona). 

20 

Metoda 

spektroskopowa 

wykorzystująca 

zjawisko 

pochłaniania  czyli  absorpcji  światła  przez  roztwory  do 
ilościowego  oznaczania  substancji  barwnych  lub 
barwiących się w wyniku reakcji oznaczanego składnika z 
odpowiednim 

odczynnikiem, 

nosi 

nazwę  analizy 

kolorymetrycznej (lub po prostu: kolorymetrii).  

Do  pomiarów  stosuje  się  metody  wizualne  lub  przyrządy: 
kolorymetry  w  zakresie  widzialnym  promieniowania 
elektromagnetycznego,  spektrometry  i  spektrofotometry 
pracujące w zakresie nadfioletu i widzialnym, wyposażone 
w  układy  detekcyjne  i  urządzenia  umożliwiające 
bezpośredni odczyt wartości mierzonej absorpcji.