Molekulová absorpční spektrometrie (Spektrometrie ve viditelné a UV oblasti) Využívá se (především) absorpce elektromagnetického záření roztoky stanovovaných látek. Látky jsou přítomny ve formě molekul (solvatovaných iontů, apod.), UV a viditelné oblasti (světla) – cca. 200 – 800 nm. Absorbujícím systémem je složitý elektronový systém molekul (viz molekulové orbitaly). Diagram energetických hladin molekuly
excitovaná
základní
elektronové hladiny
E=Ee +Ev + Er
INAN-4/1
vibrační
rotační
Při přechodu elektronů mezi molekulovými orbitály potřebná energie odpovídá vlnovým délkám UV a VIS záření
ΔE=ΔEe +ΔEv + ΔEr = ε = hc/λ INAN-4/2
Absorpční spektra látek v roztoku mají charakter pásů (nevýrazných píků).
Z tvaru spektra lze usuzovat na strukturu (zejména organických) látek – kvalitativní, resp. strukturní analýza. „Vypovídací hodnota“ UV/VIS spekter je však poměrně nízká. Identifikace dle UV/VIZ spektra není jednoznačná.
Absorpce světla roztoky látek se využívá zejména v kvantitativní analýze. Platí Bouguerův-Lambertův-Beerův zákon.
A a l c
INAN-4/3
Skupiny absorbující záření - chromofory. Násobné vazby: Obsahují π – elektrony, které mohou přecházet do antivazebního molekulárního orbitalu π* (přechod π - π*).
INAN-4/4
Donor – akceptorové systémy, komplexy přechodných kovů. Absorbujícím systémem jsou degenerované d-orbitaly přechodných kovů, jejichž energetické hladiny jsou rozštěpeny vlivem ligandů (viz teorie ligandového pole). Ligandem mohou být i molekuly rozpouštědla – viz např. barevné roztoky aquakomplexů Cu2+. sytější barva komplex s amoniakem
Donor – akceptor systém v komplexech INAN-4/5
přeskok elektronu mezi centrálním atomem a ligandem excitovaný stav u [Fe(SCN)6]3- e- přeskočí z SCN- na Fe3+ excitovaný stav u komplexu Fe2+ s 1,10 – fenanthrolinem e- přeskočí z centrálního atomu na ligand Existuje více možných přechodů (typů chromoforů).
INAN-4/6
L
KYVETA
Schéma zařízení
OPT. SYSTÉM
D
Zdroje záření (lampy): - W lampa: 350 – 3000 nm - deuteriová lampa: 160 – 375 nm Kyvety: - skleněné: ve viditelné oblasti nad 350 nm - křemenné: v UV i viditelné oblasti Optický systém: - barevné filtry (fotometrie) - monochromátor (spektrofotometrie) (hranol, mřížka) Detektor: - fotonásobič - diodové pole, CCD (charge-coupled device) Při vizuálním vyhodnocování hovoříme o kolorimetrii. INAN-4/7
paprsek polychrom. široké rozmezí Zdroj záření se spojitým spektrem
paprsek monochrom. vybrána jedna
Monochromátor (hranol nebo mřížka)
Kyveta s měřeným roztokem
Detektor (měření absorbance)
výměna kyvet
A=log0 / )
Kyveta se slepým roztokem
0
A a l c Kvantitativní analýza se provádí většinou metodou kalibrační přímky.
INAN-4/8
Příklady využití fotometrie v analýze životního prostředí. - Stanovení kovů ve formě barevných komplexů: většinou málo selektivní a málo citlivé. Stanovení Cr(VI). Nepřímé stanovení CHSK-Cr. - Stanovení P ve formě heteropolykyselin (molybdátofosforečná, molybdáto-vanadáto-fosforečná). - Stanovení dusitanů s využitím diazotační reakce. - Stanovení dusičnanů (přímé měření v UV oblasti nebo po redukci analogicky jako dusitany) - Stanovení amonných iontů s Nesslerovým činidlem. - Měření absorpce v UV oblasti jako obecný (nespecifický) ukazatel přítomnosti organických látek ve vodách (aromatické látky, huminové kyseliny). Absorbance při 254 - Extrakčně – fotometrické stanovení tenzidů. barevný iontový asociát s methylenovou modří, extrahuje (aniontové se sulfononovou skupinou) INAN-4/9
- sulfidy - reakce s pentakyano-nitrosylželezitanem sodným (nitroprusid sodný) - Na2[Fe(CN)5NO] v silně alkalickém prostředí, vzniká fialově zbarvený rozpustný komplex
INAN-4/10
Infračervená spektrometrie Využívá se infračerveného záření, tj. záření s vlnovými délkami nad ca. 780 nm. Toto záření má nižší energii, než UV/VIS záření a jeho energie nestačí ke změně elektronového stavu molekuly. Postačuje pouze ke změně vibračních a rotačních stavů molekul. Pro interpretaci IČ spekter jsou důležité především změny vibračních stavů. Vazba mezi atomy v molekule se chová jako pružina, která je schopna absorbovat energii. Rozlišujeme valenční vibrace (mění se délka vazby) a deformační vibrace (mění se vazebný úhel).
IČ spektrometrie se využívá především ke kvalitativní analýze. V IČ spektru rozlišujeme oblast charakteristických vibrací, kde se vyskytují absorpční pásy různých funkčních skupin a oblast otisku palce, která je dána celkovou strukturou molekuly. Příklad - ukázka IR spektra organické látky se sumárním vzorcem C3H6O2 INAN-4/11
Dva výrazné píky v oblasti charakteristických frekvencí (viz tabulka) ukazují, že v molekule je skupina -OH (hydroxylová) v karboxylové skupině (vlnočet 2500-3300 cm-1) a skupina C = O (karbonylová) v karboxylové skupině (1700-1725 cm-1). Je to tedy kyselina propionová (propanová) CH3CH2COOH
INAN-4/12
Pro absorpci IR se při vibraci musí měnit dipólový moment Příklady využití: - identifikace organických látek (FT-IR) Infračervená spektrometrie s Fourierovou transformací - stanovení „ropných látek“ ve vodě (NEL) nepolární extrahovatelné látky – skupinové stanovení (extrakce C2Cl3F3, proměření spektra IR)
Nefelometrie a turbidimetrie Využívá se rozptylu světla v suspenzích nebo koloidních roztocích.
INAN-4/13
V nefelometrii měříme rozptýlené záření, obvykle ve směru kolmém na směr procházejícího záření. V turbidimetrii měříme prošlé záření (úbytek záření vlivem rozptylu). K turbidimetrickým stanovením lze použít obdobných zařízení, jako pro fotometrická stanovení. Příklady využití: - měření zákalu při sledování kvality vod - stanovení malých množství síranů ve formě nerozpustného síranu barnatého
INAN-4/14
Refraktometrie Index lomu: Poměr rychlosti světla v různých prostředích. V důsledku různých rychlostí světla se paprsek láme na rozhraní dvou prostředí (fází).
n1, 2
v1 sin v2 sin
Příklady využití: - identifikace (čistých) látek (index lomu jako charakteristická veličina) - ověření čistoty látek - kvantitativní analýza jednoduchých (binárních) směsí - univerzální detektor v LC koncentrace cukru ve vodě koncentrace NaCl ve vodě
INAN-4/15
