SPEKTROFOTOMETRIAI MÉRÉSEK Elméleti bevezetés Ha egy anyagot a kezünkbe veszünk (valamilyen technológiai céllal alkalmazni szeretnénk), elsı kérdésünk valószínőleg az lesz, hogy mi ez az anyag, milyen összetevık alkotják. Ha használni, elıállítani, biztonságosan kezelni akarjuk, a következı fontos kérdés, hogy mennyi van az egyes komponensekbıl, mennyi az összetevık koncentrációja. E két egyszerő kérdés megválaszolására az elmúlt kb 300 év alatt egy igen gazdag tudományterület, az analitikai kémia fejlıdött ki. Jóllehet, egy leendı villamosmérnök számára ez mérsékelten izgalmas szellemi kaland, azt mindenképpen hasznos tudnunk, hogy a fenti kérdésekre milyen jellegő választ kaphatunk, hogyan kérdezzünk, hogy ık a kérdést, mi a választ használni tudjuk. Ezen kívül a gyakorlat során megismerkedhetünk egy optikai elven mőködı mőszer használatával, fı funkcionális egységeivel. A spektroszkópia, spektrofotometria az egyik legelterjedtebb anyagvizsgálati módszer. Az igen sokféle technikai megoldás közös alapja az, hogy az anyagok atomi- molekuláris szintő energia-átmenetei kvantáltak és ezek az energiaszintek jellemzıek az adott anyagra. Az egyes energia-átmenetekhez meghatározott
hullámhosszak
tartoznak
a
∆E=hν=hc/λ
összefüggés alapján. Az 1. ábrán a H atom lehetséges energia-átmenetei láthatók. Ezek közül az un. Balmer sorozat tartozik a látható tartományba, a nagyobb energiájú UV, a
1. ábra A H atom energiaszintjei és a lehetséges átmenetek
kisebb infrasugárzás. Mint az már ismert, a színképelemzés két alapváltozata az emissziós és az abszorpciós fotometria. Legegyszerőbbek és legelterjedtebbek a látható fénnyel történı mérések, de a szerves molekulák vizsgálatára az infravörös tartományba esı rezgési színképeket használják, és nagyon sok módszer van, amely a belsı pályán lévı elektronok UV vagy RTG szinthez tartozó átmeneteit használja mérésre. Az anyagok spektroszkópiai szempontból fontos tulajdonsága a színük, amely szoros összefüggésben van molekula-szerkezetükkel. Színesnek akkor nevezünk egy anyagot, ha a ráesı fénybıl szelektíven abszorbeál, vagy szelektíven ver vissza. Ha pl. valamely anyag a fehér fénybıl a vöröset nyeli el, akkor a többi spektrumszín keverékét, vagyis a zöldet engedi át vagy veri vissza. (A zöld a vörös kiegészítı színe.) Lehetséges az is, hogy az anyag az ultraibolya vagy az infravörös tartományban abszorbeál, ezt szemünk nem érzékeli, az ilyen anyagokat színtelennek látjuk. Lényeges a különbség a gázhalmazállapotú minták és az un. kondenzált fázisok (folyadék és szilárd állapot) között. Szabadon levı atomok, molekulák esetében (azaz gáz halmazállapotban) az eddig bemutatott kép igaz, a gerjesztı energia néhány diszkrét érték lehet (az elemek energiaszintjei határozott 1
értékek, és minden kémiailag azonos atomé teljesen megegyezik) ennek következtében az elnyelt (kibocsátott) fény is csak a megfelelı hullámhosszúságú lehet. Ezért a gázok abszorpciós spektruma vonalas. Kondenzált rendszerekben, így oldatokban is a közvetlen környezet, az erıs kölcsönhatás a szomszédokkal azt eredményezi, hogy az energiaszint-rendszer zavart szenved, torzul. Minden egyes atomnak egy kicsit más az aktuális szomszédsága, ezért az energiaszint-rendszere is egy kicsivel eltér a többitıl, statisztikusan ennek az a következménye, hogy energiasávok alakulnak ki. Ezért az elnyelt (kibocsátott) fény is egy hullámhossz-sávra terjed ki. Az abszorpciós sáv szélessége és helye is befolyásolható a szomszédos idegen molekulákkal. Az oldószer szolvát burka (vizes oldatban hidrát burka) jelentısen eltolhatja az abszorpciós sáv helyzetét. Pl a jód ibolya színnel oldódik azokban az oldószerekben, amelyekben nem szolvatálódik, és barna vagy sárga színő, ha igen. Másik példa a réz ion: hidratáltan kék, vízmentes környezetben színtelen.
Színes oldatok fényabszorpciója : Az oldatban az oldott ionok vagy molekulák kölcsönhatásba lépnek a megvilágító fény fotonjaival, s azokból energiát nyelnek el. A molekulák energiafelvétele a fényintenzitás csökkenését vonja maga után. Az, hogy milyen hullámhossz-sávokban történik meg az elnyelés (milyen az oldaton átengedett fény spektrális összetétele) az oldat anyagi minıségétıl, intenzitása pedig a koncentrációtól, az átvilágított réteg vastagságától és természetesen az anyagi minıségtıl függ (Bouguer - Lambert -Beer törvény)
I = I 010 −α c l ahol : I az átengedett fény intenzitása; I0 a belépı fény intenzitása; c az oldat koncentrációja, (mól/ l) ; l a rétegvastagság (az edény szélessége); α a moláris abszorpciós (extinkciós) koefficiens (függ az anyagi minıségtıl , valamint a hımérséklettıl, nyomástól és a megvilágító fény hullámhosszától). Vezessük be a
lg (I0/I) = A
(abszorbancia , régebben extinkció) fogalmát:
A=αlc.
α a definíció értelmében megegyezik annak a rétegvastagságnak a reciprok értékével, amelyen áthaladva a fényintenzitás eredeti értékének tizedére csökken. Azok az anyagok, melyeknek az abszorpciós koefficiense a színkép látható részében (380 és 780 nm között) állandó, színtelenek (fehérek, szürkék vagy feketék), azok viszont, amelyek abszorpciós koefficiense a láthatón belül különbözı hullámhosszon más és más - vagyis szelektíven abszorbeál - színesek. Az I / I0 hányadost áteresztésnek (transzmittanciának) nevezzük . Ennek értéke 0 és 1 (vagyis 0 és 100% transzmisszió) között változhat. A százalékban mért áteresztés negatív logaritmusa az abszorpció A= - lgT
ill.
100 I/I0 = T%
2
Spektrofotométerek általános felépítése Az általunk használt mőszerek egy fényutasak. Ezek blokkvázlata az alábbi A fényforrás általában halogénlámpa, amellyel megfelelı stabilitású, folytonos sugárzást lehet elıállítani a látható és IR tartományban. Az UV-ben is mőködı spektrofotométerekben még egy deutérium-lámpa is van, amely kb 200 és 450 nm között szolgáltat folytonos sugárzást. A fényt felbontó elem vagy monokromátor feladata, hogy a folytonos sugárzást felbonthassuk és (a kilépı rés segítségével) kiválaszthassunk egy hullámhosszt (egy szők sávot), amely a mintánk elnyelési sávjába esik, hiszen a spektrum összes többi hullámhossza csak fölösleges zaj a detektor számára. Monokromatikus fény elıállításának több módja lehet - prizmás monokromátorral (pl. Spektromom 195) – a prizma a fehér fényt elemeire bontja, a prizma kismértékő forgatásával elérhetjük, hogy a kívánt hullámhosszúságú fény jusson ki a kilépı résen. - interferenciaszőrıvel – üvegre párologtatott vékony dielektrikumréteg-rendszer, amelyen a rétegvastagságtól függı interferencia következtében szők hullámhossztartományra van áteresztés, a többi visszaverıdik. - optikai ráccsal – az optikai rácsról visszaverıdı fénysugarak interferenciájának következtében minden hullámhosszra más szögben lesz erısítés, így a prizmához hasonló színfelbontást kapunk. A különbség annyi, hogy a ráccsal elıállított spektrum egyenletes lépésköző, míg a prízmánál a felbontás a kék tartomány felé nagyobb, a vörös felé kisebb. A kiválasztott hullámhosszúságú fényt itt is a rács elfordításával juttathatjuk a kilépı résre. (pl. egészen jó optikai rács a CD ) A monokromatikus fény a kilépı rés után a mérendı oldattal töltött küvettán halad keresztül. A küvetta igen tiszta üvegbıl (az UV-ban használt kvarcüvegbıl) készült, pontosan párhuzamosra csiszolt falú edény, amelyben a fényút is pontosan adott, általában 1,000 cm. A fotodetektor többféle megoldású lehet (leggyakrabban félvezetı fotodióda, ritkábban fotocella). Bármelyikre igaz, hogy spektrális érzékenysége nem állandó. (Ez az egyik ok, amiért minden hullámhosszon újra kell állítani a nulla pontot.)
A
szélesebb
hullámhossz-tartományban
dolgozó
készülékekben két fotodetektort is használhatnak, egyik az UV és a látható alsó fele, másik a látható hosszabb hullámhosszú tartománya és esetleg a közeli IR érzékelésére. A félvezetı fotodetektorok olcsóbbá válása tette lehetıvé egy új spektrofotométer típus kialakítását. Ebben egy (jellemzıen 512 elembıl álló) diódasor érzékeli a kilépı fényt, amely az un. polikromátorból érkezik. Azaz a rács / prizma felbontja a fényt, de nem kell 3
kiválasztani egy hullámhosszt, hanem a diódasor, és a hozzá kapcsolt elektronika egyszerre elemezheti a teljes áteresztési spektrumot.
Mérési elvek A Lambert-Beer törvény alapján, ha ismerjük az extinkciós koefficienst, elvileg közvetlen koncentrációmérést is végezhetnénk, azonban ehhez minden paraméter pontos (hiteles) mérése lenne szükséges. Ezért gyakorlatilag csak összehasonlító módszerrel szoktak a spektrofotometriában mérni. 1. Az elsı lépés az, hogy beállítjuk a használt hullámhosszt. Ez az, ahol a mérendı anyag abszorpciója a legnagyobb, mert itt lesz legjobb a mérés érzékenysége. (Ezt a λ-t tudhatjuk spektroszkópiai kézikönyvekbıl, vagy megkereshetjük magunk. Úgy történik, hogy a mőszerünk által átfogható hullámhossz tartományban 10 – 50 nm-es lépésekkel végigmérjük az anyagunk elnyelését és ebbıl egy
λ - A grafikont, abszorpciós spektrumot rajzolunk. Az az alkalmas hullámhossz, ahol a görbének maximuma van, de az abszorpció nem haladja meg a 2-t.) 2. Ezután a mőszer alappontjainak beállítása történik
zárt résnél a 0 % transzmisszió (=
végtelen abszorpció) beállítása. A zárt réssel
egyenértékő a nyitott küvettaház fedél.
a nulla koncentrációhoz tartozó nulla abszorpció (=100%T) beállítása. Tiszta(!) küvettába desztillált vizet töltve a fényintenzitást egy rés segítségével addig szabályozzuk, míg A = 0 lesz. (amíg hullámhosszt nem váltunk, ezt a két pontot sem változtatjuk.)
3. Egy vagy néhány kalibráló (standard) oldatot készítünk, amelyek abszorpcióját mérve egy kalibráló egyenest rajzolunk. (A standard oldat akkor alkalmazható jól, ha koncentrációja a mérendı oldatok nagyságrendjébe esik és a nem mérendı komponensekbıl is kb. ugyanannyit tartalmaz, mint az ismeretlenek). 4. A mérendı mintákat sorban megmérjük, abszorpciójukat lejegyezzük és a kalibrációs egyenesbıl leolvassuk a koncentrációkat. Sok olyan anyag van, amelynek oldata színtelen, vagy alig színes, ezek közvetlen mérése nem lehetséges. Ugyanakkor szinte mindegyikhez található olyan (általában szerves) reagens, amellyel reagáltatva már jó abszorpciójú oldatot kapunk. Pl. a Fe3+ halványsárga, kb. 0,1 mólos oldata még éppen mérhetı egyszerő spektrofotométerben, de ha SCN¯ (rodanid) ionokkal reagálhatjuk az érzékenység kb. 10-5 mól/l-re nı. Ugyanez rézzel is megvalósítható, az egyszerő rézsók vizes oldata világoskék, kb 0,01 mól/l-es oldat még éppen mérhetı. Ha ammónium-hidroxidot adunk hozzá, mélykék Cu[(NH3)4]2+ (réztetrammin) komplex ion keletkezik, amelynél a kimutatási határ egy nagyságrenddel kisebb. A mőszeren (és a kalibrációs grafikonon) az A skála nagyjából 0,02 és 2 között használható, azaz a legkisebb és a legnagyobb mérhetı koncentráció között kevesebb, mint két nagyságrendnyi különbség van. Ez nagyon szők mérési tartomány lenne, de van pár egyszerő mód a méréshatár eltolására mindkét irányba. Ha töményebb az oldatunk, azt könnyő pontos arányban hígítani addig, míg az elnyelése a mérhetı tartományba kerül. A hígabb oldatoknál az ügy nehezebb, lehet a küvetta hosszát 4-5 cm-re növelni, ha ez nem elégséges, akkor valamilyen érzékenyebb reagenst kell keresni, esetleg más speciális megoldást lehet alkalmazni. 4
Mérési feladat 1. Abszorpciós spektrum felvétele A következı oldatokat 1 - 1 küvettába töltjük: 1. desztillált víz (a minden hullámhosszon szükséges nullázáshoz) 2. 0,1 mol/l
CuSO4
(rézszulfát)
3. 0,01 mol/l
[Cu(NH3)4](OH)2
(réz-tetrammin-hidroxid)
4. 0,5 mol/l
NiSO4
(nikkel-szulfát)
Kihasználva az adott mőszer hullámhossz-tartományát, 10 ... 12 hullámhosszon mérjük meg az oldatok abszorpcióját. Az A = 0 (T = 100%) pontot desztvízzel minden új hullámhosszra be kell állítani. Közös grafikonon ábrázoljuk a három oldat A-ját λ függvényében !
2. Koncentrációmérés Az elızıleg mért oldatok közül vagy a réz, vagy a nikkel oldattal folytatjuk a koncentráció meghatározását. Két un. standard oldatot használunk, ezekbıl készítünk kalibrációs egyenest, és egy ismeretlen oldatot kapunk, amelynek meghatározzuk a koncentrációját. Az elızıleg megmért abszorpciós spektrumból kiválasztunk egy vagy két olyan hullámhosszt, amely a réz ill. a nikkel meghatározására alkalmas és ezeken a hullámhosszokon megmérjük a két standard oldat, valamint az ismeretlen koncentrációjú oldat abszorpcióját. A két standard oldat adataiból kalibrációs egyenest rajzolunk, ha több hullámhosszon mértük ugyanazon oldatainkat, minden hullámhosszra külön egyenest, és ezek segítségével kiszámítjuk az ismeretlen koncentrációkat. Természetesen, ha több ismeretlen oldatunk lenne, ettıl kezdve már csak azokat kellene sorozatban mérni, a többi megelızı lépés legfeljebb akkor kell, ha néha ellenırizni akarjuk a mőszer stabilitását
Ellenırzı kérdések Mi a magyarázata, ha egy anyag; színes, átlátszó, fehér, fekete? Atomszerkezeti és optikai értelmezést is adjunk! Mi a spektroszkópia anyagszerkezeti alapja, milyen alaptípusait ismeri? Mi a különbség a szabad molekulák és a kondenzált fázisok fényelnyelése között? Értelmezze a Lambert-Beer- törvényt! Spektrofotométerek fı funkcionális elemei, azok feladata, mőködési elvük. Sorolja fel a diódasoros fotométer néhány várhatóan elınyös tulajdonságát a hagyományoshoz képest! Mi a spektrofotometriás koncentrációmérés menete? Hogyan lehet a mérési tartományt tágítani? Mi a feltétele, hogy két anyag egy oldatból meghatározható legyen? Mi ennek a menete? Hogy nézne ki egy T - c grafikon?
5
Jegyzıkönyv Mérést végezte:
…………………………………… ………
Spektrofotometria
(név,
Gyakorlatvezetı:
neptun kód,
Mérés ideje:
laborcsoport
Érdemjegy:
Táblázat a hullámhossz -- abszorpció függvény felvételéhez 380 λ→ 2+ Cu [Cu(NH3)4]2+ Ni2+
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
Abszorpciós spektrum 2 1,8 1,6
abszorpció
1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 350
450
550
650
750
850
950
hullámhossz
Táblázat a kalibrációs egyenesek elkészítéséhez
Kalibrációs grafikon
λ2 =
2 1,8 1,6 1,4
λ2 =
abszorpció
Cu λ1 = 0,1 mol/l 0,02 mol/l ismeretlen Ni2+ λ1 = 0,5 mol/l 0,1 mol/l ismeretlen 2+-
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 koncentráció
A jegyzıkönyv tartalmazza a mérés elméletének rövid, (saját fogalmazású) összefoglalását, a mérés során szerzett tapasztalatokat, az eredmények értékelését. 6
Spektromom 195, 195 D kezelése 1. Bekapcsolás: a: MAINS b: OPERATION 2. Tiszta küvettákba az oldatok betöltése, megjegyzett pozícióban 3. Zárt résnél (vagy nyitott fedélnél) a sötétáram kompenzálása (DARK CURRENT gomb), végtelen abszorpció = 0 T% beállítása 4. Hullámhossz beállítása
fedél
lezárása 5. A hullámhossznak megfelelı detektor kiválasztása • Benyomva kékérzékeny: 200 - 650 nm • Kihúzva vörösérzékeny: 500 - 1200nm 6. Desztvízre a 100% T beállítása SLIT és FINE gombokkal. Ezt minden új hullámhosszon meg kell ismételni! 7. A vizsgálandó oldatok beforgatása a fényútba és az abszorpció leolvasása 8. Küvetták óvatos és gondos kimosása
A 195D mőszernél a z alappontok beállítását T% ban végezzük, a mérést A-ban (T% - A – C váltó gomb)
Figyelem! A küvetta nagyon érzékeny, törékeny és nagyon drága eszköz! Különösen vigyázzunk az épségére, tisztaságára!
7
