Jan Drzymała ANALIZA INSTRUMENTALNA SPEKTROSKOPIA W ŚWIETLE WIDZIALNYM I PODCZERWONYM

Transkrypt

1 Jan Drzymała ANALIZA INSTRUMENTALNA SPEKTROSKOPIA W ŚWIETLE WIDZIALNYM I PODCZERWONYM Światło słoneczne jest mieszaniną fal o różnej długości i różnego natężenia. Tylko część promieniowania elektromagnetycznego jest widoczna dla człowieka, co pokazano na rys. l. Na rysunku tym pokazano podział promieniowania elektromagnetycznego na różne zakresy w zależności od jego energii. Fale radiowe mikrofale podczerwień nadfiolet rentgenowskie, Hz *, cm , cm , J oznacza promieniowanie widzialne Rys. l. Widmo promieniowania elektromagnetycznego Promieniowanie elektromagnetyczne oddziaływuje z materią a oddziaływanie to zależy zarówno od właściwości promieniowania jak i materii. Pochłanianie promieniowania przez materię powoduje zmiany energii rotacji, oscylacji oraz stanów elektronów w atomach, drobinach (zespołach atomów) i cząsteczkach. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią w zakresie widzialnym może spowodować pojawienie się barwy. Barwa jest wynikiem pochłaniania (absorpcji) części promieniowania świetlnego o pewnej długości fali. W przypadku związków metali przejściowych np. barwa wynika z przejścia elektronów między różnymi stanami energetycznymi orbitali 3d i 4f. Istnieją pewne reguły wiążące barwę przedmiotu z rodzajem pochłanianego promieniowania. Substancje zawierające cząsteczki pochłaniające światło czerwone odbijają promieniowanie o pozostałych długościach fali obecne w świetle białym (słonecznym). W świetle odbitym dominują wówczas promieniowanie niebieskie i zielone decydujące o barwie substancji obserwowanej przez zmysł wzroku. Substancje pochłaniające promieniowanie niebieskie i zielone odbijają promieniowanie żółte oraz czerwone i wydają się dla oka pomarańczowe. Absorpcja światła podczerwonego powoduje zmiany oscylacji atomów wewnątrz drobin bądź też ruchu obrotowego lub przemieszczania całych drobin. Pochłanianie promieniowania nadfioletowego powoduje wyrywanie elektronów z zewnętrznych orbitali. Zmiany powodowane promieniowaniem podczerwonym i ultrafioletowym nie dają się zaobserwować za pomocą wzroku.

2 Do tego służą spektrofotometry. Pochłonięcie promieniowania, które posiada częstość v oznacza, że cząsteczki obecne w próbce pochłaniają kwant energii hv, a zatem przechodzą od energii E' do energii E" co opisuje równanie l. E E = h (l). Zamiast częstości v wyrażonej w s -1 częściej posługujemy się wielkością od niej proporcjonalną zwaną liczbą falową v*, która stanowi odwrotność długości fali użytego promieniowania. gdzie v* - liczba falowa, cm -1 - długość fali, w jednostce długości - częstość, s -1 v* = l/.= /c, c - prędkość światła, cm/s. Rejestrator w spektrofotometrze kreśli zwykle na osi rzędnych przepuszczalność (transmisję T, która jest stosunkiem natężenia promieniowania opuszczającego próbkę I od natężenia promieniowania padającego I O, tzn. T = I/I O ) jako funkcję liczby falowej promieniowania. Na rysunkach 2-6 pokazano widma pochłaniania promieniowania podczerwonego przez kwarc (SiO 2 ), kalcyt (CaC0 3 ), goslaryt (ZnS04), hematyt (Fe 2 O 3 ), i kwas palmitylowy (C 15 H 31 COOH). Na rysunkach 7-8 podano widma pochłaniania roztworów wodnych K 2 Cr 2 O 7 i NiSO 4 a na rys.9 widma w świetle widzialnym wodnych roztworów CuS0 4 o różnych stężeniach. WYKONANIE ĆWICZENIA l. Spektroskopia w podczerwieni. Analiza jakościowa substancji chemicznych Odważ w małym naczyńku wagowym dokładnie g otrzymanej od prowadzącego ćwiczenia substancji. Dodaj do tego samego naczyńka 100 mg KBr. Zmieszaj dokładnie obie substancje za pomocą bagietki szklanej. Przesyp całość do moździerza agatowego i dokładnie utrzyj na proszek. Następnie przenieś uzyskaną mieszaninę do pastylkarki, umieść pastylkarkę w prasie hydraulicznej i sporządź pastylkę. UWAGA: Nie wolno przekroczyć ciśnienia wywieranego przez prasę hydrauliczną na pastylkarkę oznaczonego na manometrze na czerwono, gdyż prasa ulegnie zniszczeniu! Pastylkę umieść w specjalnej ramce, którą wstaw do spektrofotometru Specord 71 IR. Sporządź widmo w podczerwieni w zakresie liczby falowej cm -1. Porównaj uzyskane widmo z widmami wzorcowymi pokazanymi na rys Podaj nazwę mineralogiczną i wzór chemiczny analizowanej substancji. W jakim zakresie fal zachodziła absorpcja? 2. Spektroskopia w zakresie widzialnym a) analiza jakościowa zakresie widzialnym Pobierz od prowadzącego ćwiczenia roztwór wodny nieznanej substancji. Wlej do kuwety szklanej 1cm 3 roztworu i sporządź widmo za pomocą spektrofotometru SPECORD UV VIS. Porównaj uzyskane widmo ze spektrami roztworów wodnych substancji wzorcowych. Podaj wzór chemiczny badanej substancji. W jakim zakresie fal badana substancja pochłania promieniowanie? W oparciu o tabelę l podaj jak można objaśnić barwę badanego roztworu?

3 Tabela l Długości fal świetlnych w obrębie widzialnych części widma Barwa długość fali [nm] fiołkowa błękitna niebieska zielona żółta pomarańczowa czerwona b) analiza ilościowa roztworów siarczanu miedzi Za pomocą SPECORDU UV Vis sporządź widmo w zakresie widzialnym otrzymanego do analizy roztworu CuS0 4. Uzyskane widmo powinno być jakościowo identyczne z widmami pokazanymi na rys. 9 lecz różniące się jedynie intensywnością pasm pochłaniania ( wysokością pików ). Sporządź krzywą kalibracyjną dla widm wzorcowych roztworu CuS0 4 kreśląc zależność : wysokość pasma pochłaniania przy cm -l względem stężenia siarczanu miedzi w skali logarytmicznej. Jakie było stężenie badanego roztworu CuS0 4 Zwróć uwagę na to, aby widma i wykresy miały dokładnie opisane osie tzn. miały podaną nazwę wielkości i ich wymiar. Każdy rysunek powinien także posiadać numeru i tytuł.

4

5

6 x 100cm -1 Liczba falowa Rys. 7

7