ABSORPCYJNA SPEKTORFOTOMETRIA CZĄSTECZKOWA

Transkrypt

1 BSORPYJN SPEKTORFOTOMETRI ZĄSTEZKOW (Oznaczanie chromu i kobaltu obok siebie) Politechnika Gdańska; opracowała: mgr inż. M. Wasielewska 1 WPROWDZENIE Metody spektroskopowe są to metody opierające się na oddziaływaniu promieniowania elektromagnetycznego z materią. Polegają na absorpcji lub emisji promieniowania elektromagnetycznego przez próbkę badanej substancji. W metodach spektroskopowych dokonuje się pomiaru natężenia promieniowania przechodzącego w funkcji długości fali. Stanowią one zespół technik instrumentalnych, w których do celów analitycznych wykorzystuje się przejścia energetyczne zachodzące w cząsteczkach na skutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego w zakresie U IS IR. Promieniowanie elektromagnetyczne przechodzące przez dany ośrodek może ulec odbiciu, rozproszeniu, przejściu przez materię oraz absorpcji. Zarówno zjawiska odbicia jak i rozproszenia mogą zostać wyeliminowane podczas porównywania próbki badanej z próbką odniesienia, natomiast warunkiem koniecznym wystąpienia zjawiska absorpcji jest konieczność równości energii padającego promieniowania i energii odpowiadającej różnicy występującej pomiędzy skwantowanymi poziomami energetycznymi danej cząsteczki. Spektroskopia cząsteczkowa obejmuje badanie widm cząsteczkowych. W ujęciu ogólnym, na każde widmo cząsteczkowe przypadają trzy rodzaje promieniowania elektromagnetycznego: widmo rotacyjne, widmo oscylacyjno rotacyjne oraz widmo elektronowo oscylacyjno rotacyjne (Rys. 1). Stosunek wartości energii elektronowej do energii oscylacyjnej oraz do energii rotacyjnej jest w przybliżeniu równy 1000 : 10 : 1. Różnice pomiędzy poziomami elektronowymi wynoszą kilka elektronowoltów, pomiędzy poziomami oscylacyjnymi dziesiąte i setne części e, a pomiędzy poziomami rotacyjnymi tysięczne części e. Znaczne różnice wartości poszczególnych rodzajów energii powodują, że odpowiednie widma pojawiają się w różnych zakresach spektralnych.

2 Pochłoniecie kwantów promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni ( μm) jako najmniej energetycznego może powodować jedynie zmiany energii rotacyjnej. Zaabsorbowana energia nie wystarcza do zmiany energii oscylacyjnej ani energii elektronowej, w związku z czym na skutek absorpcji promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni może powstać jedynie widmo rotacyjne. Promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni (0,78 5 μm) powoduje przejścia między poziomami oscylacyjnymi. Ponieważ zmianom energii oscylacyjnej towarzyszą zmiany energii rotacyjnej, powstają widma oscylacyjno rotacyjne. Zmiany energii elektronowej może wywołać jedynie zaabsorbowanie promieniowania z zakresu widzialnego ( nm) i nadfioletu (U, nm), czego efektem jest widmo elektronowo oscylacyjno rotacyjne. 2 PODZIŁ METOD SPEKTROFOTOMETRYZNYH Za podstawę podziału metod spektroskopowych przyjmuje się następujące trzy kryteria: a. formę wymiany energii miedzy promieniowaniem i materią, zwiększenie energii układu w wyniku pochłaniania promieniowania - spektroskopia absorpcyjna; oddanie części energii przez układ drogą emisji promieniowania - spektroskopia emisyjna; b. istoty badanych przemian zachodzących w składnikach materii, spektroskopia jądrowa, spektroskopia atomowa, spektroskopia cząsteczkowa, c. zakres promieniowania odpowiadający wielkości fotonu, który jest pochłaniany lub emitowany, a tym samym obszar w którym jest zawarte badane widmo: spektroskopia rentgenowska, spektroskopia optyczna, radiospektroskopia: mikro, krótko i długofalowa. 3 SPEKTROFOTOMETRI U-IS Metodą spektrofotometrii U-IS można oznaczyć substancje organiczne (np. związki posiadające wiązanie π lub elektrony n, w tym węglowodory aromatyczne, aldehydy, ketony, kwasy, aminy) i nieorganiczne (np. pierwiastki ziem rzadkich - rodzina 17 pierwiastków chemicznych, w skład której wchodzą lantan, 14 lantanowców: cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet ponadto skand i itr, które współwystępują w minerałach zawierających lantanowce i mają podobne właściwości chemiczne oraz ozon i tlenki siarki) wykazujące absorpcję w nadfiolecie, związki absorbujące promieniowanie w zakresie widzialnym (w tym barwne związki organiczne i barwniki) i barwne sole metali (np. KMnO 4, uso 4 ) oraz substancje, których formy absorbujące promieniowanie uzyskuje się na drodze reakcji chemicznych. Do celów tych najczęściej wykorzystuje się reakcje kompleksowania, jak w przypadku oznaczania kationów metali w formie barwnych związków kompleksowych z ligandami organicznymi.

3 4 PODSTWOWE PRW BSORPJI Stosunek natężenia promieniowania przechodzącego przez próbkę (I t ) do natężenia promieniowania padającego na próbkę (I 0 ) (równego natężeniu promieniowania przechodzącego przez odnośnik), nazywa się transmitancją lub przepuszczalnością i oznacza: (1) Natężenie promieniowania zaabsorbowanego zależy od stężenia roztworu i od grubości warstwy absorbującej. Matematycznie zależność tę opisuje prawo Lamberta-Beera, które w postaci logarytmicznej definiuje się jako: (2) gdzie I 0 to natężenie promieniowania padającego na ośrodek absorbujący a I to natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący. Prawo Lamberta Beera odnosi się do pomiaru absorbancji na skutek absorpcji promieniowania przez roztwory, w których znajdują się anality zdolne do absorpcji promieniowania o określonej długości fali. Zgodnie z prawem Lambera Beera absorbancja opisywana jest zależnością: gdzie ε jest współczynnikiem absorpcji przy długości fali λ, l jest grubością warstwy absorbującej, a c stężeniem analitu w badanym roztworze. Prawo Lamberta Beera dotyczy absorpcji promieniowania przez roztwory i można je sformułować następująco: jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika ε jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stężenia c roztworu i do grubości warstwy absorbującej l. Prawo Lamberta Beera odnosi się do przypadku, gdy w roztworze znajduje się jedna substancja absorbująca. Jeżeli w badanym roztworze znajduje się kilka składników, oznaczanie spektrofotometryczne można wykonać poprawnie tylko wtedy, gdy spełnione jest prawo addytywności absorbancji, wg którego absorbancja mieszaniny jest równa sumie absorbancji poszczególnych składników, a absorbancja pojedynczego składnika jest taka, jakby tylko on jeden znajdował się w badanej próbce. Matematycznie prawo to określają następujące wzory: (3)

4 (4) (5) Gdzie ε 1, ε 2 i ε n to współczynniki absorpcji odpowiednich substancji obecnych w roztworze, c 1, c 2 i c n oznaczają stężenia tych substancji, a l jest grubością warstwy absorbującej. Powyższa zależność to prawo addytywności absorbancji, z którego korzysta się w spektrofotometrycznej analizie układów wieloskładnikowych. 5 ODSTĘPSTW OD PRW LMBERT BEER Prawo Lamberta Beera stosuje się do roztworów rozcieńczonych. Przy większych stężeniach wartość współczynnika absorpcji zależy zwykle od stężenia oznaczanej substancji. Na wykresie obrazującym zależność absorbancji roztworu od jego stężenia uwidacznia się to w zakrzywieniu linii kalibracyjnej w zakresie wyższych stężeń w górę lub w dół, które określa się odpowiednio jako dodatnie lub ujemne odstępstwa od prawa Lamberta Beera. Odstępstwa te mogą być natury chemicznej lub instrumentalnej. Odstępstwa chemiczne pojawiają się na skutek oddziaływań zachodzących w roztworze: - cząsteczki substancji rozpuszczonej oddziaływują pomiędzy sobą dysocjacja, asocjacja, - cząsteczki substancji rozpuszczonej oddziaływują z cząsteczkami rozpuszczalnika lub ze sobą kondensacja, polimeryzacja, hydroliza, kompleksowanie. Zasadniczym czynnikiem aparaturowym powodującym odstępstwa od prawa jest niedostateczna monochromatyzacja promieniowania. 6 NLIZ ILOŚIOW I JKOŚIOW naliza ilościowa metodą spektrofotometrii U-IS oparta jest na pomiarze absorbancji badanego roztworu przy określonej długości fali i wykorzystaniu prawa Lamberta Beera. Zależność pomiędzy absorbancją a stężeniem analitu, w warunkach gdy badany układ spełnia prawo Lamberta Beera, ma charakter prostoliniowy i można ją wykorzystać do wyznaczenia stężenia analitu w próbce. W spektrofotometrii absorpcji cząsteczkowej do wyznaczenia stężenia oznaczanej substancji wykorzystuje się zwykle pomiar absorbancji roztworu zawierającego dany analit. W zależności od środowiska chemicznego, w którym znajduje się analit, jak również ustalonych warunków

5 pomiarowych wartość sygnału mierzonego dla danego stężenia analitu może ulegać zmianie i nie może na tej podstawie jednoznacznie wnioskować o ilości analitu w próbce. Konieczne jest, w związku z tym, przeprowadzenie kalibracji danego oznaczenia. Do najczęściej stosowanych metod kalibracji należy metoda krzywej wzorcowej. Krzywą wzorcową nazywa się przedstawioną graficznie zależność absorbancji od stężenia substancji wzorcowej. W celu wykreślenia krzywej wzorcowej przygotowuje się 5-6 roztworów wzorcowych o znanych, ściśle ustalonych stężeniach analitu, tak dobranych, aby różniły się o około 30 % i obejmowały swym zakresem stężenia agalitów w oznaczanych roztworach. Nie wystarczy jednorazowe sporządzenie krzywej wzorcowej. Zmiany warunków pracy i temperatury, partii odczynników oraz charakterystyki detektora powodują przesunięcie się krzywej lub zmianę kąta jej nachylenia. W zależności od tego jak duże są te odchylenia, należy każdorazowo sporządzać krzywą pracy w danym dniu pomiaru, albo korzystać z jednej krzywej wyznaczonej na podstawie kilku serii pomiarów. Krzywa wzorcowa może przechodzić lub nie przechodzić przez początek układu współrzędnych (Rys. 2). Po wykonaniu tych pomiarów, otrzymane wyniki przedstawia się w układzie współrzędnych: sygnał (w przypadku spektrofotometrii absorpcji czastecakowej jest to zazwyczaj absorbancja) stężenie analitu, a następnie dopasowuje się do nich określoną funkcję (zazwyczaj linię prostą). Pomiary wykonuje się zwykle przy określonej długości fali, najczęściej odpowiadającej maksimum absorpcji oznaczanej substancji oraz względem roztworu odniesienia (tzw. ślepej próby), czyli roztworu przygotowanego analogicznie jak roztwory wzorcowe i roztwór próbki, lecz nie zawierającego analitu. Prostoliniowy przebieg zależności =f(c) świadczy o spełnieniu przez badany układ prawa Lamberta Beera. Wyznaczenie współczynnika kierunkowego prostej umożliwia obliczenie współczynnika absorpcji oznaczanej substancji. W celu wyznaczenia stężenia analitu w próbce rejestruje się odpowiadający jej sygnał i odnosi się go do krzywej kalibracyjnej. Roztwór próbki powinien być przygotowany w taki sposób, by maksymalny zakres stężeń analitu w roztworach wzorcowych obejmował przewidywane jego stężenie w próbce.

6 nalizy jakościowej dokonuje się na podstawie długości fali, przy której następuje maksymalna absorbancja dla każdej substancji indywidualnie. Jednak wybór analitycznej długości fali nie zawsze dotyczy długości fali, przy której następuje maksymalna absorbancja. Przy pomiarach prowadzonych dla układów dwubarwnych, gdy obok badanego kompleksu oznaczanego pierwiastka dominuje odczynnik barwny, bądź gdy rozpuszczalnik posiada zdolność do absorpcji promieniowania o podobnej długości fali, wybiera się taką długość fali, przy której absorpcja rozpuszczalnika lub związku przeszkadzającego jest najmniejsza. Podobnie postępuje się w przypadku, gdy przyrząd pomiarowy cechuje niska monochromatyzacja promieniowania, wówczas wybiera się taką długość fali, przy której błędy tym spowodowane będą miały jak najmniejszy wpływ na pomiar absorbancji. W przypadku oznaczeń śladowych ilości substancji, za analityczną długość fali wybiera się taką długość, która zapewni możliwie wysoką wykrywalność. Każdy związek chemiczny posiada zdolność absorpcji promieniowania o ściśle określonej długości fali, dzięki czemu możliwa jest jego identyfikacja. 7 PRTUR Do badania absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w nadfiolecie i zakresie widzialnym widma służą spektrofotometry jednowiązkowe U-IS. Schemat blokowy spektrofotometru przedstawiono na Rysunku 3. Rys. 3 Schemat blokowy spektrofotometru optycznego Pomiary wykonywane będą przy użyciu spektrofotometru Spekol 11 firmy arl Zeiss Jena. Spekol 11 wyposażony jest w wolframową żarówkę projektorową stanowiącą źródło promieniowania, monochromatorem jest precyzyjna siatka dyfrakcyjna (650 szczelin/mm), zaś do detekcji promieniowania służą dwie fotokomórki: niebieskoczuła ( nm) oraz czerwonoczuła ( nm). Wartość absorbancji wskazywana jest przez wskaźnik cyfrowy. Zasada działania spektrofotometru polega na rejestrowaniu monochromatycznego promieniowania emitowanego przez źródło promieniowania. Źródłem promieniowania w zakresie widzialnym jest lampa z elektrycznie żarzonym włóknem wolframowym, która dostarcza wiązkę światła białego o widmie ciągłym i odpowiednim natężeniu. Natężenie wiązki reguluje się za pomocą przesłony irysowej lub regulowanej szczeliny. Za wydzielenie ze światła złożonego promieniowania o określonej długości fali odpowiada monochromator zbudowany z dwóch szczelin, wejściowej (regulującej natężenie wiązki promieniowania pochodzącego ze źródła promieniowania) i wyjściowej (umożliwiającej wyodrębnienie z widma wiązki promieniowania o wybranej długości fali i określonej szerokości

7 spektralnej). Ponadto, monochromator posiada jako element dyspersyjny precyzyjną siatkę dyfrakcyjną. Siatka dyfrakcyjna to wypolerowana płytka szklana lub metalowa z dużą ilością równoległych rys położonych bardzo blisko siebie. Siatki mogą być odbiciowe o wygrawerowanych liniach na powierzchni lustrzanej, profilowe o określonym kącie błysku, replikowe i holograficzne. Siatka dyfrakcyjna umożliwia otrzymanie światła praktycznie monochromatycznego (0,1-2 nm) na skutek ugięcia promieniowania na wąskich szczelinach. Światło ugięte na siatce dyfrakcyjnej trafia na szczelinę wyjściową o szerokości 11 nm. Obrót siatki dyfrakcyjnej powoduje skierowanie do szczeliny wyjściowej światła o dowolnej długości fali z zakresu od 330 nm do 850 nm. Monochromatyczna wiązka światła dociera do kuwety z próbką. W zależności od zakresu stosowania, kuwety wykonane mogą być z kwarcu (U) lub ze szkła (IS). Na skutek załamania na ściankach naczynia wychodząca wiązka promieniowania różni się od wiązki wchodzącej. Kuwety powinny zapewniać dokładnie znaną grubość warstwy absorbującej, wykazywać odporność na działanie analizowanych substancji chemicznych oraz zapewniać w maksymalnym stopniu transmitancję promieniowania. W niektórych przyrządach (tzw. spektrofotometrach dwuwiązkowych) promieniowanie wychodzące z monochromatora jest dzielone na dwie wiązki o jednakowym natężeniu, z których jedna przechodzi przez kuwetę z badaną próbką a druga przez kuwetę z próbką odniesienia. Obiektywną ocenę intensywności zabarwienia i bezpośredni pomiar natężenia promieniowania umożliwia detektor. Detektor przetwarza energię promieniowania elektrycznego na energię elektryczną. Właściwie dobrany detektor powinien charakteryzować się szerokim zakresem liniowości wskazań, czyli proporcjonalnością przetwarzania sygnałów oraz dobrą czułością, czyli min. niskim poziomem szumów własnych. Wymagania te spełnia min. komórka fotoelektryczna składająca się z dwóch elektrod metalowych, zatopionych w bańce szklanej pozbawionej powietrza. Katodą jest metalowa blaszka ze srebra, antymonu lub bizmutu, pokryta warstewką substancji zdolnej do emitowania elektronów pod wpływem promieniowania. Warstewkę tą stanowić mogą metale alkaliczne, ich tlenki lub zasady, np.: cez, sód, potas. Promieniowanie padające na fotokomórkę doprowadza do wyemitowania elektronów, które przyciągane są przez anodę. Natężenie przepływającego prądu fotoelektrycznego rejestrowane jest przez galwanometr. 8 WDY, ZLETY, WYKORZYSTNIE - MOŻLIWOŚI I OGRNIZENI Bardzo małe stężenia substancji barwnej w roztworze są oznaczane z dużym błędem, gdyż przepuszczalność roztworu badanego jest podobna do przepuszczalności roztworu odniesienia i najczęściej bliska 100 %. W przypadku intensywnie zabarwionych roztworów tylko mała część promieniowania przechodzi przez roztwór, co powoduje zwiększenie błędów wyników pomiaru. W celu wyboru najkorzystniejszego stężenia warstwy absorbującej należy znaleźć takie wartości (T), aby przy danym błędzie Δ (ΔT) błąd względny wyznaczenia stężenia Δc/c był najmniejszy. zułość metody definiuje się jako najmniejsze oznaczalne stężenie substancji lub najmniejszą różnicę w stężeniach substancji, które można oznaczyć za pomocą danej metody. Dla metod spektrofotometrycznych obiektywnym, liczbowym wyrażeniem czułości jest molowy współczynnik

8 absorpcji (ε). Molowy współczynnik absorpcji nie może przekroczyć wartości 1,5 x 10 5 (ta wartość wynika z teorii). Najmniejsze stężenie substancji (mol/l) oznaczalne spektrofotometrycznie można obliczyć ze wzoru Lamberta-Beera. Przy założeniu, że = 0,02 (minimalna absorbancja, którą można zmierzyć), l = 2 cm (grubość kuwety), a ε = 10 4 (molowy współczynnik absorpcji średnio czułej metody spektrofotometrycznej), stężenie można wyliczyć ze Wzoru!. Jeśli przyjąć masę molową substancji jako przykładowo równą 200 g/mol to minimalne oznaczalne stężenie tej substancji (dla średnio czułej metody, ε = 10 4, i klasycznego spektrofotometru) wyniesie: (6) Metoda może być stosowana do oznaczania zawartości śladowych oraz do oznaczania czystości głównego składnika (rejestracja zmian stężenia w czasie). Metody spektroskopowe znajdują zastosowanie w oznaczaniu bardzo szerokiej gamy związków. Umożliwiają jednoczesne oznaczanie kilku analitów obok siebie. nality, których nie można oznaczać spektrofotometrycznej to, przede wszystkim, gazy szlachetne. Technika pomiarów w zakresie U/IS jest prosta, a aparatura łatwo dostępna. Większość stosowanych rozpuszczalników jest tania i łatwa do oczyszczenia (typowe z nich to heksan, metanol i woda). Zasadniczą wadą tej metody jest duży błąd względny, który przeciętnie wynosi 5 10 %, a podczas oznaczania zawartości śladowych (do %), dla metod ze wstępnym zagęszczaniem wielkość błędu może wynosić do 30 %. OBOWIĄZUJĄY ZKRES MTERIŁU: Metody spektroskopowe Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego Jakie związki można oznaczać metodą spektrofotometrii U IS Na czym opiera się spektroskopowa analiza ilościowa i jakościowa Prawo addytywności i odstępstwa od niego Spekrofotometr: podział, schemat blokowy, zasada działania Zalety i wady metod spektrofotometrycznych Wykorzystanie metod spektrofotometrycznych w analityce Metody oznaczania żelaza w wodzie (głównie metoda rodankowa) Literatura: hemia analityczna III J. Minczewski, Z. Marczenko Metody spektroskopowe w chemii analitycznej. ygański Spektrofotometryczne oznaczanie pierwiastków Z. Marczenko

9 bsorpcyjna Spektometria ząsteczkowa - sprawozdanie z oznaczania chromu i kobaltu obok siebie- METODY OZNZNI ŻELZ W WODZIE wymienić i w kilku zdaniach opisać OZNZNIE ŻELZ METODĄ RODNKOWĄ opisać dokładnie, wymienić substancje przeszkadzające w oznaczaniu żelaza ŻELZO, KOBLT, HROM w jaki sposób ich obecność w wodach wpływa na środowisko, dlaczego istotne jest ich oznaczanie 1. el ćwiczenia Oznaczanie zawartości chromu i kobaltu (jednocześnie) w próbce wodnej, metodą absorpcyjnej spektrometrii cząsteczkowej, przy użyciu spektrofotometru SPEKOL 11 Szkło laboratoryjne: - 10 kolbek pojemności 50 ml, - 2 kolbki pojemności 25 ml, - zlewka, - cylinder, - 2 pipety. 2. Przebieg ćwiczenia Roztwory podstawowe: -o(no 3 ) 2 6H 2 O, c = 65 [g/dm 3 ] -r(no 3 ) 3 9H 2 O, c = 120 [g/dm 3 ] 1.Przygotowanie roboczych roztworów wzorcowych Do wyznaczenia zależności kalibracyjnej należy przygotować 5 kolbek pomiarowych pojemności 50,00 ml. Do każdej z nich odpipetowć odpowiednie objętości roztworów podstawowych i uzupełnić wodą destylowaną do kreski. Roztwory dokładnie wymieszać, następnie kolejno przelać do kuwety aby wyznaczyć analityczne długości fali w celu sporządzenia krzywych kalibracyjnych. Zakres badanych długości fal: 460 < λ < 590 -dla chromu maksymalna długość fali wynosiła -dla kobaltu maksymalna długość fali wynosiła Krzywe kalibracyjne dla o i r wykonane przy wybranej długości fali (Załącznik nr 1) Przykładowe obliczenie stężeń oczekiwanych o i r (Załącznik nr 2)

10 o 2+ r 3+ Lp. λ o2+ = λ r3+ = Lp. λ o2+ = λ r3+ = 1 0, , , , , o 2+ r 3+ Lp. λ o2+ = λ r3+ = Lp. λ o2+ = λ r3+ = 1 0, , , , , o 2+ r 3+ Lp. λ o2+ = λ r3+ = Lp. λ o2+ = λ r3+ = 1 0, , , , ,5 5 25

11 2. Sporządzenie roztworów i B w kolbach pojemności 25 cm 3 za pomocą danych zawartych w tabeli: Roztwory podstawowe o(no 3 ) 2 6H 2 O 65 [g/dm 3 ] r(no 3 ) 3 12H 2 O 120 [g/dm 3 ] Roztwór Roztwór B [cm 3 ] [cm 3 ] 0,5 4 2, Sprawdzenie działania prawa addytywności dla roztworów i B przy długościach fal, dla których następuje maksymalna absorbancja dla o 2+ i r 3+ Roztwory podstawowe Roztwór Roztwór B Roztwory podstawowe λ o2+ = λ r3+ = λ o2+ = λ r3+ = o 2+ o 2+ r 3+ r 3+

12 3. Obliczenia 1.Obliczenie na podstawie prawa addytywności i krzywych wzorcowych, stężeń jonów o 2+ i r 3+ w próbkach i B (Załącznik nr 3) 2.Porównanie otrzymanych wyników z wartością oczekiwaną 3.Wyznaczenie stężenia jonów o 2+ i r 3+ w nieznanej próbce X 1 (Załącznik nr 4) 4.Podsumowanie i wnioski