1

1

1

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego

Wydział Nauk o Żywności

Dr Ewa Więckowska-Bryłka

Katedra Chemii WNoŻ

p. 2036

METODY ANALIZY INSTRUMENTALNEJ

SPEKTROFOTOMETRIA

2

Analiza
instrumentalna

Metody

elektrochemiczne

Metody

spektrofotometryczne

(spektroskopowe)

Metody

radiometryczne

Metody

chromatograficzne

3

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

4

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)

2

5

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

c – prędkość promieniowania w próżni,

3

.

10

8

m/s







1





liczba falowa

czyli częstość drgań pola na centymetr, [cm

–1

],

6

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: h – 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.

7

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

8

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

I

o

I

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

A



3

9

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

A



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

i

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:

3

O

C

O

O

F e

3

_

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 )

+

O

C

O

O

F e

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

2

O

C

O

O

F e

_

3

O

C

O

O

F e

3

_

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 )

+

O

C

O

O

F e

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

2

O

C

O

O

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.

4

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

5

17

o konfiguracji elektronowej [Ar]
4s

0

3d

5

jest bezbarwny, nie

obserwuje się głównego pasma

absorpcji w zakresie widzialnym.
Z

pięciu

elektronów

trzy

obsadzają pojedynczo orbitale
poziomu t

2g

, a dwa – orbitale

poziomu e

g

i nie ma możliwości

przeniesienia elektronu z orbitalu
t

2g

do orbitalu e

g

(brak pustych

orbitali

e

g

,

a

stanem

podstawowym

jest

stan

o

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.