METODY SPEKTROSKOPOWE - CZĘŚĆ 1

Podział instrumentalnych metod analitycznych

1. Metody optyczne - związane ze sprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na próbkę

2. Metody spektroskopowe - związane z niesprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na próbkę

3. Metody elektroanalityczne - związane z efektami towarzyszącymi przepływowi prądu elektrycznego przez badany roztwór lub spowodowane reakcjami zachodzącymi na elektrodach zanurzonych w badanym roztworze

4. Metody rozdzielcze - polegające na przeprowadzeniu oznaczanego składnika mieszaniny lub substancji przeszkadzających do innej fazy

5. Metody radiometryczne - związane z efektami naturalnej lub sztucznej promieniotwórczości oraz efektami współdziałania promieniowania jądrowego z badaną próbką

Metody spektroskopowe

I. Spektroskopia molekularna - zajmuje się oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z cząsteczkami

II. Spektroskopia atomowa - polega na interpretacji widm atomowych i wykorzystuje ilościowe zależności pomiędzy przejściami elektronowymi, a oddziałującą na nie energią

Promieniowanie elektromagnetyczne

Fala - opisana wzorem:

l=c/

- długość fali

c - prędkość rozchodzenia się światła w próżni

 - częstość

Fotony - ich energię określa zależność Plancka:

E = h = h c

h- stała Plancka

Widmo elektromagnetyczne

długość fali

• fale radiowe >10⁸ nm

• mikrofale 10⁶ -10⁸ nm

• podczerwień IR 10³ -10⁶ nm

• VIS 10² - 10³ nm

• UV 10 - 10² nm

• RTG 10^-1- 10 nm

• γ <10^-1 nm

Spektroskopia molekularna

Całkowita energia cząsteczki - suma energii związanych z różnymi formami ruchu:

• energia translacji - jest wynikiem swobodnego ruchu cząsteczki w przestrzeni

• energia rotacji - związana z obrotem cząsteczki wokół osi przechodzącej przez jej środek masy

• energia oscylacji - związana z drganiami atomów wokół położenia równowagi

• energia elektronowa - obejmująca energię kinetyczną ruchu elektronów w cząsteczce i energię potencjalną związana z przyciąganiem elektronów przez jądro i odpychaniem przez sąsiednie elektrony

Energia translacji nie podlega ograniczeniom kwantowym i zmienia się w sposób ciągły

Energia rotacji, oscylacji i elektronowa są skwantowane!

E = E_el+E_osc+E_rot

Energie poziomów rotacyjnych, oscylacyjnych i elektronowych różnią się pomiędzy sobą:

E_el > E_osc> E_rot

Schemat przejść elektronowych, oscylacyjnych i rotacyjnych w cząsteczce dwuatomowej

Absorpcja promieniowania elektromagnetycznego przez cząsteczki powoduje wzbudzenie odpowiednich poziomów energii - efektem mierzalnym tego zjawiska jest widmo!

• promieniowanie z zakresu mikrofal i dalekiej podczerwieni = wzbudzenie rotacyjnych poziomów energii - efektem jest widmo rotacyjne (spektroskopia mikrofalowa)

• promieniowanie IR - wzbudzenie poziomów oscylacyjnych - powstaje widmo oscylacyjne (spektrofotometria w podczerwieni i spektroskopia Ramana)

• promieniowanie z zakresu uV/VIS i bliskiej podczerwieni - wzbudzenie elektronów - powstaje elektronowe widmo absorpcyjne (spektrofotometria uV/VIS)

Spektroskopia molekularna

1. Spektrofotometria UV-VIS

2. Spektrofluorymetria

3. Spektrofotometria w podczerwieni (IR)

4. Spektrometria ramanowska

5. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)

Spektrofotometria UV-VIS

Prawa absorpcji

I Prawo absorpcji (prawo Lamberta)

I=I₀ e^-kb

I₀ - natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek absorbujący

I - natężenie wiązki promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący

b - grubość warstwy absorbującej

k - współczynnik absorpcji

I₀

A = log = ab

I

a = 0,4343k

b - grubość warstwy

A - absorbancja (zdolność pochłaniania promieniowania)

Absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący.

II Prawo absorpcji (prawo Lamberta - Beera) - dotyczy absorpcji promieniowania przez roztwory

I = I₀ e^-kbc

I₀

A = log = abc c - stężenie roztworu

I

Jeżeli współczynnik absorbancji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i grubości warstwy absorbującej b.

III Prawo absorpcji (prawo addytywności absorpcji)

Absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników:

A = A₁ + A₂ + ..... A_n

A = a c b

a - właściwy współczynnik absorpcji (gdy stężenie wyrażamy w g/cm³)

A =  c b

 - molowy współczynnik absorpcji (gdy stężenie wyrażamy w mol/dm³)

Odchylenia od praw absorpcji

1. Podstawowe ograniczenia praw:

• prawa absorpcji są spełnione dla roztworów rozcieńczonych (c<10^-2 mol/dm ³), w których e nie zależy od współczynnika załamania światła n

• zakłada się, że jedynym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z substancją rozpuszczoną jest absorpcja promieniowania:

X + h -> X*

X* -> X + ciepło

Możliwe jest przejście z emisją kwantu promieniowania (fluorescencją)

X* -> X + ciepło + h'

' - częstość promieniowania emitowanego w wyniku fluorescencji

2. Czynniki chemiczne - powodujące odchylenia od praw absorpcji związane z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w analizowanym roztworze. Zmiana pH, czy zmiana stężenia roztworu mogą powodować takie reakcje jak:

• dysocjacja

• asocjacja

• polimeryzacja

• solwatacja

• reakcje kompleksowania

3. Czynniki aparaturowe

• brak monochromatyczności

• występowanie promieniowania rozproszonego = docierającego do detektora z pominięciem badanego roztworu

3