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.