SPEKTROFOTOMETRIA SPEKTROSZKÓPIA: Atomok, molekulák energiaállapotának megváltozásakor kibocsátott ill. elnyel d sugárzások vizsgálatával foglalkozik. Más szavakkal: anyag és elektromágneses sugárzás kölcsönhatása eredményeképp az elektromágnese sugárzás elnyelésének (abszorpciójának) ill. kibocsátásának (emissziójának) vizsgálata. Felosztása: hullámhossztartomány alapján: - λ = 100 – 1000 nm (látható, UV) - λ = 1 – 100 µm (IR) - λ > 100 µm
elektronenergia megváltozása rezgési spektroszkópia (IR) forgási spektroszkópia (MW) mikrohullámú spektroszkópia
Emissziós spektroszkópia
Abszorpciós spektroszkópia
átengedett fény: elnyelést mérjük. A laboron abszorpciós spektroszkópiát végzünk látható és UV tartományban.
A SPEKTROSZKÓPIA ELVI HÁTTERE Energiaszintek kvantáltak: ∆E = hν ν: frekvencia:
λ=
c ν
hullámhossz.
- elektronenergia és a rá szuperponálódó rezgési és rotációs szintek gerjeszt dnek (közben a molekula kondenzált fázisban van) → ami fényelnyel désben mutatkozik meg. - fényelnyelés – emisszió fizikája: kvantummechanika és kvantumelektrodinamika írja le. - fenomenologikus vagy klasszikus leírás pl. a fényelnyelésre: Lambert törvény: I0 intenzitású fény l cm rétegvastagságon áthaladva I intenzitásúra csökken: I = I0 · 10-al Beer törvény:
a: lineáris abszorpciós együttható.
a = εc
Lambert-Beer törvény (a Lambert törvény és a Beer törvény egyesítése) I =T I0
→
A = -lgT = εcl ε: moláris abszorpciós együttható
ε: különböz anyagokra, különböz hullámhosszon más és más. Ha csak egy elnyel anyag van jelen→ A = A(λ) kimérhet ~ ε(λ)-val → ebb l következik, hogy a vizsgálatot monokromatikus fénnyel kell elvégezni.
Több fényelnyel komponensre: A = ε i ci l → abszorpciós sávok jelennek meg, i
egymásra rakódnak!
Lambert-Beer törvény – használható koncentráció meghatározására Adott kísérleti körülmények között (adott λ, T, p) egy elnyel komponensre: A1 = ε·c1·l és c1 = c2
A2 = ε·c2·l A1 A2
Több komponens esetén → mérés a komponensek ε-jainak maximumához tartozó hullámhosszakon. Két λ-n mérjük a tiszta anyagokat (A mérése), ε-jaikat meghatározzuk A1 = ε A, λ1 c A + ε B , λ1 c B l A2 = ε A, λ 2 c A + ε B , λ 2 c B l
ε-k ismeretében c-k számíthatók! Lambert-Beer törvény érvényességének határai: látszólagos és valódi eltérések! látszólagos eltérés: → nem monokromatikus fény → detektor árama nem lineárisan változik a koncentrációval valódi eltérés: → kémiai változások, koncentráció változással járó folyamatok → érvényességi korlátok: → részecskék individuálisan nyelnek el fotonokat → c < 10-3 M → monokromatikus fény → nincs kémiai változás → nincs szórt fény
ESZKÖZÖK: SPEKTROFOTOMETRIA
Fényforrások: - pontszer - párhuzamos sugárnyaláb - folytonos színképekre: izzólámpák közeli IR: szénív, 2900 K-ra hevített volfrám szalag lámpa közepes IR: Nernst-ég (ZrO, Y2O3 és ritkaföldfém-oxid (Sc, Y, Ln + lantanoidák) keverék 1600-1800 °C-on) távoli IR: nagy nyomású Hg-g z lámpa UV: hidrogénlámpa (hidrogénnel töltött kisülési cs ) UV, látható: nagynyomású xenon lámpa → lézerek Monokromatikus fény el állítása 1) Gázkisülési csövek (vonalszegény, de intenzív vonalakat kibocsátók a jók!) 2) Optikai sz r k → üveg és folyadéksz r k (fémsók) → zselatinsz r k 3) Monokromátorok:
- sugárzást felbontó elem - prizma: törésmutató diszperziója - rács: interferencia - be és kilép rés - leképez optika
Gyakori megoldás: Littrow rendszer monokromátor
Leképez optika + küvetták 4 feladat: a) emittált fény gy jtése a belép résre b) sugarak párhuzamosítása (felbontóelemre) c) felbontott sugár fokuszálása a kilép résre d) sugárzás eljuttatása az érzékel re. Érzékel k: → fényelektromos érzékel k fény hatására elektromos áram indul (lehet küls és bels is!) Ilyenek: vákuumcella, gáztöltés fotocella (katódból sugárzás hatására e--ok lépnek ki → küls elektromos térben → áram jön létre), elektronsokszorozó → félvezet eszközök (kristálydiódák) Elektromos áram detektálása a) kitéréses módszerrel (közvetlen mérés) b) kompenzációs módszerrel (feszültségesés kompenzálásával) c) helyettesítéses módszerrel (fénykompenzáció) d) váltott fényutas módszerrel (fény a mérend oldaton, majd az összehasonlító oldaton + fénygyengít n megy keresztül) Spektromom 195D: fényforrás: deutérium v. halogénlámpa monokromátor: kvarcprizma érzékel k: kék érzékeny v. vörös érzékeny fotocella Littrow elrendezés autokollimációs optikai rendszer. Összefoglalva: egysugaras, egyérzékel s spektrofotométer (kitéréses módszer )
SPEKTROFOTOMETRIA MÉRÉSEK Gyenge színes sav Kd-jának meghatározása (homogén egyensúly) HX = H+ + X- egyensúlyt tanulmányozza HX, H+ → nem nyel el X- → színes → megmérjük A- spektrumát (lúgos oldatban) → referencia oldat kell! ehhez viszonyítjuk az oldatban oldott anyag elnyelését…
4-nitro-fenol UV spektruma
0.50
Abszorbancia
0.45
0.40
0.35
0.30 380
390
400
410
420
430
Hullámhossz (nm)
→ meghatározzuk a maximális elnyelés λ-ját → [H+] függvényében vizsgáljuk Aλ-t → összefüggéséb l Kc számítható: 1 Aλ
m=
=
[H ] +
K c ⋅ Atλ
1 K c ⋅ Atλ
+
1 Atλ
és
b=
1 Atλ
+
8
1/A-[H ] illesztés a 4-nitro-fenol savas disszociációállandójának (Kc) számításához
7 6
1/A
5 4 3 2 1 0 0
1
2 +
3 -7
4
-3
[H ]/10 mól dm
Gauss-féle hibaterjedés használata! → →
Atλ =
Kc =
1 b
1 mAtλ
s
Atλ
=
sK c =
1 b2
·s b 1
m
s 2 m
2
+
2 1/ 2
1 2
Atλ
⋅s
Atλ
Gyakorlatban: → puffer-sorozat készítése → pH mérése → p-nitrofenol hozzáadása a puffer oldatokhoz → A mérése! Figyelem! Mindig van referencia oldat! Általában desztillált víz, itt a lúgos alapoldat (nitrofenol nélkül!).
KMnO4 és oxálsav közötti reakció vizsgálata Cél: reakciórend meghatározása Elv: felezési id k módszere Módszer: spektrofotometria → mechanizmus nem tisztázott, de ismert, hogy a) a színes KMnO4 gyorsan bomlik b) a reakció során a Mn(III) komplex bomlása a sebesség-meghatározó → fényelnyelése követhet → mivel A ~ c ezért A mérésével a felezési id k (X%-os bomláshoz tartozó id k) meghatározhatók különböz kiindulási koncentrációknál! → ebb l pedig a rend számítható t x(1) c0(1) = t x( 2 ) c0( 2)
1− r
→ számítógépes mintavételezéssel → oldatok bemérése (f z pohárba sorrend fontos MnSO4 utoljára!) → küvettába öntés → spektrofotométer, számítógép → A(t) fv. felvétele → rend, autokatalitikus felgyorsulás id pontja
Abszorbancia-id függvény két különböz kiindulási koncentrációnál: 0.5
0.4
A
0.3
0.2
0.1
0.0 0
500
1000
1500
2000
t/s
0.25
0.20
A
0.15
0.10
0.05
0.00 0
500
1000
1500
2000
t/s
Az autokatalitikus felgyorsulás id pontjának meghatározása:
Autokatalízis vizsgálata
4,0 3,5
abszorbancia
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
200
400
600
idõ / s
800
1000
1200
