ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA
(c) David MILDE, 2004-2008
ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE
David MILDE, 2004
1
Absorpce záření ve Vis oblasti Při dopadu bílého světla na vzorek může být záření zcela odraženo ⇒ látku vidíme jako bílou; nebo zcela pohlceno ⇒ látku vidíme jako černou. Pokud vzorek část záření pohltí a část odrazí ⇒ barva látku viditelná pro lidské oko odpovídá barvě odraženého záření (tzv. doplňková barva). λ (nm)
Pohlcená barva
Doplňková barva
400-435
fialová
žlutozelená
435-480
modrá
žlutá
500-560
zelená
červeno-purpurová
560-580
žlutozelená
fialová
580-595
žlutá
zelená
595-610
oranžová
zelenomodrá
620-760
červená
modrozelená
David MILDE, 2004
Molekulové orbitaly (MO)
σ∗ π∗ E
n π σ
MO vznikají při tvorbě vazby z AO. Ze 2 AO se vytvoří 2 MO. 2 typy vazebných orbitalů 2 typy protivazebných orbitalů 1 nevazebný orbital; n* neexistuje, protože n orbitaly se nepodílí na vazbě! Absorpční pásy mohou patřit 6 typům přechodů (4 u molekul, 2 u anorganických iontů). ⇐ Symetricky zakázané přechody (v daleké UV oblasti).
David MILDE, 2004
2
UV/Vis spektra molekul a iontů Pokud molekula nebo ion absorbuje záření v UV nebo Vis oblasti spektra, dojde k elektronovému přechodu valenčního e-.
Intenzita pásů (dle kvantové mechaniky): 1.
Přechody dovolené – ze základní singletové do excitované singletové hladiny; εmax ≈ 104 – 105 l.mol-1.cm-1 Přechody spinově zakázané – málo pravděpodobné přechody ze základní singletové do excitované tripletové hladiny; εmax ≈ 100 l.mol-1.cm-1 Přechody symetricky zakázané εmax ≈ 102 l.mol-1.cm-1; vibrace jader molekuly vede k diferenci v rozdělení e- a tím ke změně dipólového momentu molekuly a přechodu e-. MOLEKULY:
2. 3.
David MILDE, 2004
UV/Vis spektra molekul π → π∗, n → π∗ uvedeme společně, chemické skupiny často obsahují jak π tak n e-, oba typy přechodů přispívají k tvorbě absorpčních pásů.
Přechody π → π∗ jsou relativně nezávislé na atomech spojených s dvojnou vazbou, jsou dovolené a intenzivní: ε ≈ 103 - 105. Přechody n → π∗ jsou symetricky zakázané a nejsou příliš intenzivní (ε ≈ 10 - 102), jejich absorpční maximum je silně závislé na druhu atomu (poloha n e- je silně závislá ne elektronegativitě heteroatomu).
σ → σ∗ vytvářejí jednoduché vazby – alifatické uhlovodíky. Prakticky nepoužívané vzhledem ke krátkým λ (nutno pracovat ve vakuu). n → σ∗ poskytují substituenty s nevazebnými e- – nasycené sloučeniny se S, N, Br, I, které absorbují do 200 nm a O a Cl, které absorbují nad 200 nm. David MILDE, 2004
3
UV/Vis spektra molekul Chromofor – funkční skupina v molekule odpovědná za absorpci záření v UV a Vis oblasti. Obecně lze říci, že skupiny s π e- jsou chromofory pro UV a Vis oblast a skupiny se σ epro dalekou UV oblast. Konjugační efekt – s rostoucím počtem konjugovaných dvojných vazeb se posouvá absorpční pás π→π* přechodu k delším λ. Auxochrom – funkční skupina, která způsobuje posun λ absorpčních maxim chromoforů a zvyšují intenzitu pásů, př.: OH, NH2, halogenidy. Posuny maxim a změna intenzity vlivem substituce či volbou rozpouštědla jsou důležité pro strukturní analýzu.
Bathochromní (červený) posun – k delším λ. Hypsochromní (modrý) posun – ke kratším λ. Hyperchromický efekt – zvýšení intenzity absorpce. Hypochromní efekt – snížení intenzity absorpce. David MILDE, 2004
UV/Vis spektra iontů Přenos náboje – intenzivní ε ≈ 103 - 104, hlavně UV; molekula donoru vytváří s molekulou akceptoru komplex, jež se projeví novým absorpčním pásem (π → π∗, n → π∗) [Fe2+ s fenantrolinem, Fe3+Fe(SCN)2+, komplexy fenolů s Cu2+ či Fe3+].
M-L + hν → M+-LPřenos v ligandovém poli – málo intenzivní ε ≈ 101 - 102, hlavně Vis [ [Cu(H2O)6]2+ absorbuje při 790 nm]. Volný atom přechodného kovu má 5 degenerovaných d orbitalů. Je-li atom v komplexu, působí na něj elektrostatické pole ligandů a d orbitaly se rozštěpí.
Spektrum Fe3+ s o-fenantrolinem
David MILDE, 2004
4
Instrumentace KOLORIMETR(ie) – vizuální porovnávání intenzity zbarvení vzorku a standardu nebo řady standardů. FOTOMETR(ie) – objektivní měření prošlého toku záření:
FOTOMETR – barevný filtr k vymezení λ. SPEKTROFOTOMETR – obsahuje monochromátor.
David MILDE, 2004
Stanovení 2 látek ve směsi
Solving for c(Fe) gives the concentration of Fe3+ as 1.80.10–5 M. Substituting this concentration back into the equation for the mixture’s absorbance at a wavelength of 396 nm gives the concentration of Cu2+ as 1.26.10–4 M. David MILDE, 2004
5
Studium komplexů – Jobova metoda (metoda kontinuálních variací)
Slouží k určení stechiometrického složení a podmíněné konstanty stability komplexu: M + yL → MLy Měří se série roztoku s konstantním ntot a proměnným nM a nL (ekvimolární roztoky): ntot = nM + (nL)i (X L )i =
(n L )i n to t
X M = 1 − (X L )i Maximum Abs je dosaženo pro stechiometrické složení komplexu. Je-li to možné měříme při λ, kde absorbuje pouze komplex.
y=
XL XL = XM 1− XL
David MILDE, 2004
XL = 0,75 ⇒ y = 3 ⇒ ML3 XL = 0,5 y=1 ML XL = 0,67 y=2 ML2
Spektrofotometrické titrace Určování BE na základě změny absorbance s přídavkem titračního činidla. Tento způsob titrace je experimentálně jednoduchý a má uspokojivou přesnost. Titrační křivky: A. B. C.
Absorbuje pouze titrační činidlo (titrace s uvolňováním Br2, I2). Absorbuje produkt titrační reakce. Absorbuje pouze titrovaná látka (stanovení Pb titrací chelatonem → uvolňování xylenové oranže z komplexu s Pb).
David MILDE, 2004
6
(FOTO)LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE
David MILDE, 2004
Fotoluminiscence Jde o emisi záření látkou, které bylo před tím absorbováno. Dělení: FLUORESCENCE, FOSFORESCENCE. Návrat látky z excitovaného (doba života excitovaného stavu 10-5 – 10-9 s) do základního stavu – relaxace:
Vibrační deaktivace – nadbytek E uvolněn ve formě tepla Emise – nadbytek E uvolněn jako foton Relaxace pomocí fotochemické reakce: A* → X + Y
Elektronové stavy organických molekul se dělí na: S – singletový T - tripletový Dubletový stav – lichý e- u volného radikálu, který může zaujmout 2 orientace. David MILDE, 2006
7
Fotoluminiscence FLUORESCENCE: emise fotonu při přechodu z S1 (nebo S2,…) do základního stavu S0. Doba života excitovaného stavu (za jakou dobu dojde k emisi) závisí na ε při absorpci záření: pro ε ≈ 104 – 105 je doba 10-7 – 10-9 s, pro ε ≈ 101 – 102 je doba 10-5 – 10-6 s.
Fluorescence odeznívá velmi rychle po ukončení excitace (vypnutí zdroje excitačního záření).
FOSFORESCENCE: emise fotonu při přechodu z T1 na S0. Doba života excitovaného T stavu je 10-4 – 102 s ⇒ fosforescenční záření sledujeme delší dobu po ukončení excitace.
Elektron po absorpci záření nejprve přejde z S1 na T1 (přechod z S0 na T1 je zakázaný)! David MILDE, 2004
Diagram energetických hladin molekuly
vr … vibrational relaxation ic … internal conversion ec … external conversion isc … intersystem crossing
λ2
λ1
λ3
λ4
David MILDE, 2004
8
Deaktivační procesy v molekulách Preferovaný přechod do základního stavu je ten, který minimalizuje dobu života excitovaného stavu! Nezářivá deaktivace Vibrační relaxace – rychlý proces (10-12 s), molekula ve vyšším vibračním stavu snižuje svou E přechodem na nejnižší vibrační podhladinu excitovaného (i základního) stavu. Vnitřní konverze – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází do vyšší vibrační podhladiny nižšího energetického stavu. Kombinací ic a vr může molekula přejít z excitovaného do základního stavu bez emise fotonu! Vnější konverze – nadbytek E je předán rozpouštědlu či jiné složce matrice. Mezisystémový přechod – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází na vysokou energetickou podhladinu stavu s nižší E a jiným spinem.
Zářivé deaktivace: fluorescence a fosforescence David MILDE, 2004
Fluorescence – emise při přechodu e- z nejnižší vibrační podhladiny S1 na S0 Lze ji pozorovat pouze pokud je účinnějším prostředkem deaktivace než nezářivé přechody. Intenzita fluorescence IF: (ϕF = NF/N … flourescenční výtěžek)
I F = kϕ F (P0 − PT )
I F = 2,303 k ϕ F P0ε bc
Z Lambertova − Beerova zákona PT = P0 ⋅10 −εbc IF roste s ϕF, P0, ε a koncentrací. Vliv teploty a viskozity rozpouštědla na ϕF.
Fluorescenční přechod může skončit na různých vibračních podhladinách S0 ⇒ pásové spektrum. Ke fluorescenci dochází u λ3, nezáleží na tom, zda byla molekula excitována λ1 do S1 nebo λ2 do S2. David MILDE, 2004
9
Excitační a emisní spektra 1. 2. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
2 typy fluorescenčních spekter: Excitační: IF v závislosti na λ budícího záření při konstantní λ emitovaného záření – slouží k určení účinné λ pro vyvolání fluorescence. Emisní: IF v závislosti na λ emitovaného záření při konstantní λ excitačního záření. VLIV STRUKTURY NA LUMINISCENCI Luminiscenci neposkytují nasycené uhlovodíky a zřídka nenasycené alifatické uhlovodíky. Intenzivní F: aromatické uhlovodíky s nízkoležícími S stavy π→π*. P vykazují aromatické sloučeniny s C=O nebo heteroatomy. Vliv substituce aromatického jádra na F: -NO2, -OH, … Aromáty s halogen substituenty zvyšují ϕP a snižují ϕF. Luminiskují zejména velké a pevné rovinné molekuly s rigidní strukturou. David MILDE, 2004
Souvislost absorpčních a emisních spekter
Luminiscence začíná na nejnižší vibrační podhladině S1 (T1) ⇒ Eemit je menší než Eabs. Luminiscence se objevuje u vyšších λ než absorpce. Luminiscenční spektrum bývá zrcadlovým obrazem absorpčního. Mohou se protínat v λ0. λ0 odpovídá nejmenší E pro absorpci a je v absorpčním spektru nejintenzivnější. David MILDE, 2004
10
Instrumentace - fluorescence Optická dráha mezi zdrojem a detektorem svírá 90°. Fluorimetr: k vymezení λ slouží filtry; zdroj: Hg výbojka. Spektrofluorimetr: mřížkové monochromátory; zdroj nejčastěji Xe vysokotlaká výbojka (spojité spektrum). Kyvety: 1 cm, křemen Rozpouštědla: nesmí fluoreskovat.
David MILDE, 2004
Instrumentace - fosforescence Nutné rozlišit fluorescenci a fosforescenci!
PŘÍPRAVA VZORKŮ Kapalné: zmrazení v kapalném N2 vytvoří opticky čistou pevnou látku (vzorek v rozpouštědle). Pevné: nanesení vzorku na pevný substrát (desky tenkovrstvé chromatografie) – možno měřit za laboratorní teploty. David MILDE, 2004
11
Analytické využití KVALITATIVNÍ ANALÝZA: menší využití – zejména pro polycyklické aromáty; molekuly s jemnými strukturními rozdíly mají velmi podobná spektra. KVANTITATIVNÍ ANALÝZA: komplexy s kovy, organické sloučeniny.
• Chemiluminiscence: chemická reakce produkuje molekuly v excitovaném stavu, které emitují fotony. • Bioluminiscence: k reakcím produkujícím molekuly v excitovaném stavu dochází v biologických systémech. David MILDE, 2004
Frank-Condonův princip Hmotnost atomových jader je několik řádů větší než hmotnost elektronu a vzájemný pohyb jader atomů v molekule (vibrace molekuly) je pomalejší (10-12 s) než rychlost přechodu elektronů (10-15 s). Při přechodu elektronu ze základního do excitovaného stavu proto zůstane zachována původní vzdálenost mezi jádry atomů; tato vzdálenost však nemusí odpovídat optimální (minimální) E molekuly v excitovaném stavu a proto jádra atomů zaujmou nejvýhodnější (rovnovážnou) vzdálenost až dodatečně, po přechodu elektronu.
David MILDE, 2006
12
Frank-Condonův princip a
b
Potenciálové jámy s vibračními podstavy. Hodnota kvantového vibračního čísla určuje počet uzlů vibrační vlnové funkce pro daný stav molekuly.
Minimum křivky potenciální energie odpovídá rovnovážné vzdálenosti mezi oběma atomy. Tato vzdálenost může být stejná pro základní a pro excitovaný E stav molekuly (a), ale častěji je v excitovaném stavu větší než ve stavu základním (b). David MILDE, 2006
13
