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/n
l- długość fali
c – prędkość rozchodzenia się światła w próżni
n - częstość
Fotony – ich energię określa zależność Plancka:
E = hn = h c/l
h- stała Plancka
Widmo elektromagnetyczne
długość fali
Ø fale radiowe >108 nm
Ø mikrofale 106 -108 nm
Ø podczerwień IR 103 -106 nm
Ø VIS 102 – 103 nm
Ø UV 10 – 102 nm
Ø RTG 10-1- 10 nm
Ø g <10-1 nm
Spektroskopia molekularna
Całkowita energia cząsteczki – suma energii związanych z różnymi formami ruchu:
Ø energia translacji – jest wynikiem swobodnego ruchu cząsteczki w przestrzeni
Ø energia rotacji – związana z obrotem cząsteczki wokół osi przechodzącej przez jej środek masy
Ø energia oscylacji – związana z drganiami atomów wokół położenia równowagi
Ø 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 = Eel+Eosc+Erot
Energie poziomów rotacyjnych, oscylacyjnych i elektronowych różnią się pomiędzy sobą:
Eel > Eosc> Erot
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!
Ø promieniowanie z zakresu mikrofal i dalekiej podczerwieni = wzbudzenie rotacyjnych poziomów energii – efektem jest widmo rotacyjne (spektroskopia mikrofalowa)
Ø promieniowanie IR – wzbudzenie poziomów oscylacyjnych – powstaje widmo oscylacyjne (spektrofotometria w podczerwieni i spektroskopia Ramana)
Ø promieniowanie z zakresu uV/VIS i bliskiej podczerwieni – wzbudzenie elektronów – powstaje elektronowe widmo absorpcyjne (spektrofotometria uV/VIS)
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
A = log = abc c – stężenie roztworu
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 + ..... An
A = a c b
a – właściwy współczynnik absorpcji (gdy stężenie wyrażamy w g/cm3)
A = e c b
e – molowy współczynnik absorpcji (gdy stężenie wyrażamy w mol/dm3)
Odchylenia od praw absorpcji
1. Podstawowe ograniczenia praw:
q prawa absorpcji są spełnione dla roztworów rozcieńczonych (c<10-2 mol/dm 3), w których e nie zależy od współczynnika załamania światła n
q zakłada się, że jedynym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z substancją rozpuszczoną jest absorpcja promieniowania:
X + hn -> X*
X* -> X + ciepło
Możliwe jest przejście z emisją kwantu promieniowania (fluorescencją)
X* -> X + ciepło + hn’
n’ – 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:
q dysocjacja
q asocjacja
q polimeryzacja
q solwatacja
q reakcje kompleksowania
3. Czynniki aparaturowe
q brak monochromatyczności
q występowanie promieniowania rozproszonego = docierającego do detektora z pominięciem badanego roztworu
3
Charlize91