Spektroskopia molekularna. Ćwiczenie nr 1. Widma absorpcyjne błękitu tymolowego

Transkrypt

1 Spektroskopia molekularna Ćwiczenie nr 1 Widma absorpcyjne błękitu tymolowego Doświadczenie to ma na celu zaznajomienie uczestników ćwiczeń ze sposobem wykonywania pomiarów metodą spektrofotometryczną oraz z niektórymi możliwościami interpretacji widm absorpcyjnych. Podstawy doświadczenia Widmo absorpcyjne substancji uzyskuje się w ten sposób, że w jakimś określonym obszarze widmowym bada się, w jakim stopniu roztwór danej substancji obniża natężenie przechodzącego przez ten roztwór promieniowania. W badaniach tych wyznacza się dwa parametry: 1) zakres absorpcji, w którym występuje określone wzajemne oddziaływanie pomiędzy promieniowaniem i cząsteczkami badanej substancji; 2) natężenie absorpcji, które jest miarą tego wzajemnego oddziaływania. Zakres absorpcji dla danego widma można scharakteryzować bądź za pomocą długości fali λ, cm, bądź za pomocą liczb falowych ν, cm -1, bądź też za pomocą częstotliwości ν, s -1. W wykonywanym ćwiczeniu chodzi o otrzymanie widma absorpcyjnego roztworu wodnego błękitu tymolowego w widzialnym zakresie promieniowania elektromagnetycznego. Gdy jakaś substancja absorbuje promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, to dla naszego oka substancja ta jest zabarwiona. Dla przypadków, gdy w zakresie widzialnym występuje tylko jedno pasmo absorpcji, istnieje prosta zależność pomiędzy położeniem tego pasma i barwą substancji. Wówczas bowiem zabarwienie substancji, które obserwujemy, odpowiada barwie dopełniającej w stosunku do absorbowanej barwy widma. Pasmo absorpcji scharakteryzowane jest przez długość fali w puncie maksimum tego pasma ( λ max ) oraz przez molowy współczynnik absorpcji w punkcie maksimum. Właściwe natężenie absorpcji odpowiada powierzchni zawartej pod pasmem absorpcji: I = ( ) d Jednakże w praktyce jako miarę natężenia absorpcji wykorzystuje się następującą zależność: I prakt = ε max Δ/

2 Wartość Δ/ oznacza tu szerokość pasma, wyrażoną w cm -1, w połowie jego maksymalnej wysokości ( max /2 ). W spektroskopii elektronowej jako miarę natężenia wykorzystuje się również moc oscylatora: f = 4,6 10 max / przy czym największe z możliwych natężenie odpowiada wartości f = 1. Błękit tymolowy (tymolosulfoftaleina) to chemiczny wskaźnik ph, który przybiera barwę od czerwonej do żółtej w zakresie ph 1,2-2,8 i od żółtej do niebieskiej w zakresie ph 8,0-9,6. Dwa zakresy zmiany barwy tego wskaźnika związane są z dwoma etapami jego dysocjacji. W przypadku roztworów zawierających obok siebie dwie substancje zdolne do absorpcji promieniowania elektromagnetycznego prawo Lamberta-Beera przyjmuje postać następującą: A/d = ε 1 c 1 + ε 2 c 2 gdzie oznacza molowy współczynnik absorpcji, d grubość warstwy absorbującej w cm, a c stężenie w molach na litr. Istotne wnioski można wyciągnąć z układu krzywych absorpcyjnych zmierzonych przy różnych wartościach ph. Jeśli bowiem w przypadku zbioru krzywych widmowych zmierzonych przy różnych wartościach ph wystąpi jeden, bądź więcej wspólnych punktów przecięcia się tych krzywych (punkty izozbestyczne), to fakt ten stanowi dowód, że pomiędzy obydwoma komponentami układu absorpcyjnego ustala się prosta równowaga. Jeśli natomiast w układzie krzywych widmowych nie występują punkty izozbestyczne, to fakt ten świadczy o tym, że w roztworze ustala się kilka równowag pomiędzy komponentami. Zakładając, że pomiędzy zabarwionymi formami błękitu tymolowego ustala się w roztworze następująca prosta równowaga:

3 Forma niezdysocjowana 2formy zdysocjowane + H + Można obliczyć charakterystyczną stałą dysocjacji wskaźnika: K = Przy czym c 2 i c 1 oznaczają stężenia w stanie równowagi odpowiednio niebieskiej formy wskaźnika w postaci soli i niezdysocjowanej formy żółtej. Pytania przygotowujące do ćwiczenia 1. Wyjaśnić prawo Lamberta-Beera. Co oznacza molowy współczynnik absorpcji, jaki ma wymiar i od czego zależy? 2. Jakie praktyczne zastosowania posiada prawo Lamberta-Beera? 3. Jak można sprawdzić na drodze graficznej, bądź rachunkowej, czy dla danej substancji, zdolnej do absorpcji, spełnione jest prawo Lamberta-Beera przy stałej długości fali? Czym są spowodowane odchylenia od tego prawa? 4. Co rozumiemy pod pojęciem widmo absorpcyjne? Za pomocą jakich parametrów jest ono charakteryzowane podczas ćwiczeń w laboratorium? Jakie korzyści przynosi stosowanie wartości zamiast A? 5. Jaka zależność istnieje pomiędzy długością fali i liczbą falową? Przeliczyć graniczne liczby falowe (wyrażone w cm -1 ). 6. Dlaczego stała dysocjacji wskaźnika obliczona za pomocą podanego wyżej równania nie jest wartością prawdziwą? Jak można by wyznaczyć na drodze doświadczalnej prawdziwą wartość stałej dysocjacji tego wskaźnika? Zadania do wykonania Wyznaczyć doświadczalnie: 1) wartości absorbancji A dla roztworów błękitu tymolowego w: NaOH, HCl, buforze boranowym, w zależności od długości fali, w zakresie od 400 do 700 nm, przy zachowaniu stałego stężenia i temperatury badanych roztworów; 2) wartości absorbancji zasadowych roztworów błękitu tymolowego dla kilku długości fali w zależności od stężenia, przy zachowaniu stałej temperatury roztworów i stałej wartości długości fali.

4 Literatura: 1. Pigoń, Ruziewicz Chemia fizyczna 2. Z. Kęcki Podstawy spektroskopii molekularnej 3. J. A. Baltrop, J. D. Coyle Fotochemia podstawy 4. Atkins Chemia fizyczna Wykonanie doświadczenia Wyposażenie a) Sprzęt Spektrofotometr; dwie kuwety o l = 1 cm; 6 kolbek miarowych o poj. 10 ml; pipety o poj. 5, 10 i 20 ml; tryskawka. b) Odczynniki Roztwór błękitu tymolowego o stężeniu M, roztwór NaOH 10-3 M; roztwór HCl o stężeniu 10-4 M; bufor boranowy o ph 8,8. Sposób wykonania doświadczenia Przygotowuje się trzy roztwory, pobierając do każdego z nich po 1 ml roztworu błękitu tymolowego o stężeniu M i dopełniając je do objętości 10 ml odpowiednio zasadą, kwasem i roztworem buforowym. Jedną z dwóch czystych kuwet napełnia się wodą destylowaną, a drugą jednym z przygotowanych roztworów i wyznacza się widmo absorpcyjne każdego z przygotowanych w zakresie od 400 do 700 nm. Następnie przygotowuje się pięć roztworów błękitu tymolowego o różnych stężeniach od do M, wykorzystując do ich sporządzenia wyjściowy roztwór zasadowy. W tym celu x ml tego roztworu należy dopełnić do 10 ml roztworem NaOH o stężeniu 10-3 M. Z kolei wyznacza się absorbancję przygotowanych roztworów, mierząc absorpcję promieniowania przy trzech różnych długościach fali w pobliżu maksimum absorpcji. Zestawienie wyników pomiarów Dla każdej serii pomiarów zestawienie to powinno zawierać następujące dane: C błękitu tymolowego. Środowisko Temperatura.., nm E

5 Obliczenia 1. Sporządzić tabelę zawierającą wartości stężeń, absorbancji i współczynników absorpcji dla niebieskich, zasadowych roztworów błękitu tymolowego, przy trzech długościach fali. 2. Obliczyć moc oscylatora dla pasma absorpcji zasadowego roztworu błękitu tymolowego. 3. Dla trzech wybranych długości fali obliczyć stężenia niezdysocjowanej i zdysocjowanej formy błękitu tymolowego w roztworze buforowym. Należy zwrócić przy tym uwagę na fakt, że suma obu stężeń równa jest ogólnemu stężeniu wskaźnika. Następnie należy obliczyć wartość stałej dysocjacji wskaźnika i wartość pk dla błękitu tymolowego. Dyskusja wyników a) Analiza błędów - oszacować błąd maksymalny: A (z dokładności odczytów na przyrządzie), c (z błędu popełnianego przy rozcieńczaniu roztworów, który jest podobny do błędu kropli w przypadku używania biurety), d (uwzględniając napis na kuwecie). - jakim względnym błędem procentowym obarczone są w związku z tym wyznaczone wartości stałych max (przenoszenie błędu maksymalnego). - który z powyższych błędów ma największy wpływ na wynik pomiaru? b) Interpretacja wyników - wyjaśnić, jaka istnieje zależność pomiędzy położeniem pasma absorpcji i zabarwieniem roztworu. - znaleźć punkt izozbestyczny na wykresie przedstawiającym trzy krzywe absorpcji. O czym mówi istnienie tego punktu? - w jakim procencie zjonizowany jest wskaźnik w badanym roztworze buforowym.