spectro foto me trie

10
ANALIZA SPECTROFOTOMETRICĂ A LICHIDELOR Scopul lucrării : Studiul absorbţiei luminii într-o soluţie, trasarea spectrului de absorbţie într-un interval specificat şi determinarea concentraţiei soluţiei. 1. Noţiuni teoretice Conform postulatelor lui Bohr, energia unui atom nu poate lua decât anumite valori (E 1 ,..., E n ), care formează un şir discret, cuantificat. Stările corespunzătoare acestor valori particulare sunt stări staţionare, în care atomul nu emite şi nu absoarbe energie. Atomii absorb sau emit radiaţiile electromagnetică numai la trecerea dintr-o stare staţionară (n 1 ) în altă stare staţionară (n 2 ) conform relaţiei: (1) unde - energia fotonului emis sau absorbit, E 1 , E 2 energiile stărilor staţionare în care are loc tranziţia. Procesul de emisie şi absorbţie a radiaţiei la nivel atomic este prezentat schematic în figura 1. Fig. 1 Emisia şi absorbţia luminii la nivel atomic Moleculele fiind alcătuite din atomi, la nivelul lor se petrec aceleaşi fenomene fizice, are loc un proces de contopire a nivelurilor energetice individuale în benzi de energie, specifice structurii moleculare. Când un foton loveşte o moleculă, pot avea loc două fenomene: un fenomen de difuzie (un şoc elastic, fără pierdere de energie) sau un fenomen de absorbţie (creşte energia internă a moleculei). Molecula excitată prin absorbţia unei cuante de energie rămâne în această stare un timp foarte scurt (10 -10 s) după care fie remite, prin emisie spontană, o cuantă de energie egală cu cea absorbită (fenomen numit fluorescenţă) sau poate pierde energia primită (adică are loc fenomenul de absorbţie) prin procese interne. Deci, procesul de absorbţie al luminii este unul cuantic, care implică o tranziţie a moleculei de pe un nivel energetic inferior E 1 pe unul superior E 2, în urma căruia energia moleculei variază cu: (2) unde E 1 - energia stării iniţiale, E 2 - energia stării finale, h - constanta lui Planck (h=6,6268∙10 -34 J∙s) , - frecvenţa radiaţiei 1

Upload: florentina

Post on 21-Nov-2015

226 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

spectre

TRANSCRIPT

ANALIZA SPECTROFOTOMETRIC A LICHIDELOR

ANALIZA SPECTROFOTOMETRIC A LICHIDELOR

Scopul lucrrii: Studiul absorbiei luminii ntr-o soluie, trasarea spectrului de absorbie ntr-un interval specificat i determinarea concentraiei soluiei.

1. Noiuni teoretice

Conform postulatelor lui Bohr, energia unui atom nu poate lua dect anumite valori (E1,..., En), care formeaz un ir discret, cuantificat. Strile corespunztoare acestor valori particulare sunt stri staionare, n care atomul nu emite i nu absoarbe energie. Atomii absorb sau emit radiaiile electromagnetic numai la trecerea dintr-o stare staionar (n1) n alt stare staionar (n2) conform relaiei:

(1)

unde - energia fotonului emis sau absorbit, E1, E2 energiile strilor staionare n care are loc tranziia.

Procesul de emisie i absorbie a radiaiei la nivel atomic este prezentat schematic n figura 1.

Fig. 1 Emisia i absorbia luminii la nivel atomic

Moleculele fiind alctuite din atomi, la nivelul lor se petrec aceleai fenomene fizice, are loc un proces de contopire a nivelurilor energetice individuale n benzi de energie, specifice structurii moleculare.

Cnd un foton lovete o molecul, pot avea loc dou fenomene: un fenomen de difuzie (un oc elastic, fr pierdere de energie) sau un fenomen de absorbie (crete energia intern a moleculei). Molecula excitat prin absorbia unei cuante de energie rmne n aceast stare un timp foarte scurt (10-10s) dup care fie remite, prin emisie spontan, o cuant de energie egal cu cea absorbit (fenomen numit fluorescen) sau poate pierde energia primit (adic are loc fenomenul de absorbie) prin procese interne. Deci, procesul de absorbie al luminii este unul cuantic, care implic o tranziie a moleculei de pe un nivel energetic inferior E1 pe unul superior E2, n urma cruia energia moleculei variaz cu:

(2)

unde E1 - energia strii iniiale, E2 - energia strii finale, h - constanta lui Planck (h=6,626810-34 Js) , - frecvena radiaiei emise, - lungimea de und a radiaiei emise, iar este viteza luminii n vid.

Energia unei cuante este, deci, proporional cu frecvena a radiaiei i invers proporional cu lungimea de und .

Pentru un ansamblu de atomi, adic pentru o substan oarecare s-a constatat c atunci cnd lumina strbate o substan sau soluia ei, radiaiile de lungimi de und diferite sunt absorbite diferit, micorarea intensitii luminii de o anumit lungime de und fiind independent de intensitatea iniial absolut i dependent de grosimea stratului de substan absorbant strbtut i de natura acestuia.

Legea Lambert-Beer: Straturile de substan de aceeai grosime, n condiii identice, absorb ntotdeauna aceeai cantitate de lumin incident.Determinarea spectrului de absorbie al unei substane const n msurarea micorrii intensitii luminii ce o strbate, pentru toate lungimile de und ale regiunii considerate.

Intensitatea luminoas (I) este o mrime fizic numeric egal cu fluxul luminos emis de o surs punctiform n unitatea de unghi solid. Se msoar n candele, cu simbolul cd (1 cd este intensitatea luminoas a unui flux luminos de 1 m lumen, care trece printr-un unghi solid de un sr - steradian).Dac un fascicul luminos (a crui intensitate este I0) cade pe o cuv (vas din sticl) cu soluie, o parte din aceast lumin (cu intensitate Ir) va fi reflectat pe suprafaa cuvei, o alt parte (cu intensitatea Ia) va fi absorbit de soluie i o alta (cu intensitatea It) va fi transmis. ntre aceste mrimi exist relaia:

(3)

Dac se poate neglija fenomenul de reflexie a luminii la interaciunea cu substana analizat, atunci valoarea intensitii radiaiei absorbite se poate calcula ca:

(4)

(5)

unde I0 - intensitatea luminii incidente, It - intensitatea luminii transmise, ( - o constant, c - concentraia soluiei, d - grosimea stratului de soluie.

Dac d se exprim n cm i c n moli/, constanta ( se numete coeficient molar de extincie sau absorbativitate molar. Coeficientul molar de extincie al unei substane este o msur a absorbiei luminii, de o anumit lungime de und, ntr-un strat cu grosimea de 1 cm, a unei soluii 1 molare din substana cercetat.

Cu ajutorul relaiei (5) se pot defini urmtoarele mrimi fotometrice:

1. Raportul dintre intensitatea luminii care trece prin soluie, It, i intensitatea luminii incidente, I0, poart denumirea de transparen (transmitan) sau factor de transmisie:

(6)

iar procentual:

(7)

2. Extincia E (densitatea optic sau absorbana) se definete ca logaritmul mrimii inverse transmisiei:

(8)

n literatur se prefer utilizarea termenilor de transmisie i extincie cu simbolurile T i E.

Spectrul de transmisie al unei substane const din ansamblul perechilor de valori ((, T), adic lungimi de und ale radiaiilor incidente pe acea substan transmitanele corespunztoare ale acelei substane. n locul lungimilor de und, se poate folosi ca variabil independent fie energia fotonilor, , fie numrul de und:

(9)

Spectrul de absorbie al unei substane const n ansamblul format din lungimile de und ale radiaiilor incidente pe acea substan i extincia E sau coeficientul molar de extincie ( sau coeficientul de absorbie, ( al acelei substane, care se definete ca:

(10)

Spectrul de absorbie al unei substane se poate obine prin inscripionare automat sau prin reprezentarea grafic a variaiei unei mrimi ce caracterizeaz absorbia luminii (E, (, () n funcie de lungimea de und pentru domeniul spectral respectiv (Fig.2).

Fig. 2 Spectrul de absorbie al unei soluii

Legea Lambert-Beer nu poate fi aplicat pentru orice tip de soluie, deoarece pot fi implicate urmtoarele fenomene fizice:

modificarea coeficientului molar de extincie pentru soluii concentrate (>0.01M) datorit interaciunilor de natur electrostatic dintre molecule;

fluorescena sau fosforescena probei;

modificarea indicelui de refracie la soluiile concentrate;

modificri ale echilibrelor chimice din soluie la creterea concentraiei;

lumina utilizat la determinri nu este riguros monocromatic;

Perturbaiile pot fi minimalizate prin explorarea unei regiuni reduse din

spectru, unde absorbia soluiei este maxim.

Pentru orice substan, spectrul de emisie este identic cu spectrul de absorbie, dac structura moleculei nu este afectat, ntre cele dou procese diferind doar sensul tranziiilor cuantice. Aceast afirmaie poart denumirea de legea lui Kirchhoff.

Evaluarea calitativ i cantitativ a procesului de absorbie a luminii printr-o soluie se face printr-un procedeu numit spectrofotometrie, iar aparatele folosite se numesc spectrofotometre..

Existena unui spectru de absorbie complex, specific fiecrei structuri moleculare i identificarea unei substane pe baza aspectului specific al spectrului su constituie analiza spectral calitativ.

Analiza spectral cantitativ are la baz directa proporionalitate dintre intensitatea radiaiilor absorbite de ctre o anumit substan i concentraia din acea substan din proba analizat. Pentru aceasta, trebuie msurat gradul de absorbie a radiaiilor luminoase de ctre substan.

Aadar, spectrometria de absorbie molecular are aplicaii att n analiza cantitativ, ct i n cea calitativ. Spectrometria de absorbie molecular efectuat n cele trei domenii spectrale UV-VIS-IR (Ultraviolet-Vizibil-Infrarou) nu d aceleai rezultate n ce privete analiza calitativ i cantitativ. Astfel, domeniul UV-VIS este folosit preponderent n analiza cantitativ, iar domeniul IR este folosit preponderent n domeniul analizei calitative.

n tabelul 1 se prezint cteva lungimi de und i poziii ale benzii de absorbie specifice maximelor de absorbie pentru legturi cromofore i grupri funcionale n domeniile spectrale UV i IR.

Tabel 1

Lungimi de und i poziii ale benzii de absorbie specifice

maximelor de absorbie pentru legturi cromofore i grupri funcionale n domeniul spectral UV i IR

Domeniul UVDomeniul IR

Grupare cromoforLungime de und(max)

(nm)Grupare funcionalPoziia benzii de absorbie

(cm-1)

C=C175C-H2850-2960

CC175=C-H3020-3100

195C=C1650-1670

223C-H3300

C=O160CC2100-2260

185C-Cl600-800

280C-Br500-600

R-NO2200C-I500

274O-H3400-3640

CN165C-OH1050-1150

C=C-C=C217N-H3310-3500

C=C-C=O220C-N1030-1230

315C=O1670-1780

C=C-CC220COOH2500-3100

230CN2210-2260

184NO21540

204--

255--

2. Spectrofotometre

Dup cum s-a menionat anterior, spectrofotometrul este aparatul cu ajutorul cruia se poate face o analiz a radiaiilor emise (absorbite) de ctre substane att n ceea ce privete lungimea de und, ct i al intensitii liniilor i benzilor spectrale.

Spectrofotometrele pot avea construcii diferite, n funcie de regiunea spectral pe care o analizeaz (infrarou, vizibil, ultraviolet) sau modul de msurare a absorbiei.

Constructiv (Fig. 3) spectrofotometrele se compun din: sursa luminoas (a), monocromator (b), cuva de msurare (c), detector de radiaie luminoas (d), aparat de msur (m), inscriptor (e).

Sursa de lumin (a) poate fi n spectrul vizibil, infrarou sau ultraviolet. Ea emite radiaie electromagnetic dintr-o anumit band spectral, de aceea este necesar prezena unui dispozitiv, numit monocromator, cu ajutorul cruia s obinem fascicule de raze monocromatice (b), care sunt, apoi, dirijate printr-o fant asupra celulei de absorbie (c), care este, de obicei, o cuv.

Mai exact, monocromatorul este acea parte a aparatului care furnizeaz o radiaie de o singur lungime de und.. Lungimea de und se poate modifica n mod continuu ntr-o anumit regiune a spectrului (de exemplu, n domeniul spectral Vizibil, prescurtat VIS n limba englez i VIZ n limba romn, ntre 350nm-750nm).

Monocromatorul poate fi construit dintr-o prism sau dintr-o reea de difracie gravat pe o suprafa transparent (reea de difracie prin transmisie) sau pe o suprafa reflectant (reea de difracie prin reflexie).

Pentru a putea msura radiaia luminoas transmis (neabsorbit), aceasta trebuie convertit n alt form de energie (electric) de ctre un detector (d) (care poate fi o celul fotoelectric, un fotomultiplicator sau un detector cu corp solid), iar apoi mrimea electric obinut, dup amplificare, se afieaz fie ca uniti convenionale sau se inscripioneaz de ctre un traductor (e) sub forma unui spectru de absorbie.

Fig. 3 Schema de principiu a unui spectrofotometru

Un spectrofotometru cu monocromator cu prism are schema de principiu ca cea din Fig. 4. El este compus din urmtoarele pri principale: sursa de radiaii S; monocromatorul, M cu prism; diafragme, D; cuva cu soluia de analizat, c, detector, dt., amplificator (Amplif.) i afiaj analogic sau digital.

Fig.4 Schem de principiu a unui spectrofotometrul SPECOL

Monocromatorul cu prism descompune lumina alb de la o surs S, care poate fi un bec cu incandescen, cu ajutorul fenomenului de dispersie. Prin rotaia cu un anumit unghi () a prismei, prin diafragma (D) i prin prob va trece doar o anumit radiaie cu o lungime de und determinat.

n locul prismei se mai utilizeaz i monocromatorul cu reea (vezi fig. 5), unde spectrofotometrul modern are lmpi interschimbabile pentru UV (lamp cu deuteriu), respectiv pentru VIS (bec cu filament din wolfram), mai multe fante i oglinzi, precum i o lam semitransparent, care permite divizarea fasciculului de radiaii provenit de la reeaua de difracie n 2 fascicule, dintre care unul ajunge pe detectorul 1, care va detecta radiaia monocromatic incident, iar cellalt fascicul rezultat din divizare trece prin proba studiat i cade pe detectorul 2, care detecteaz, astfel, radiaia monocromatic transmis prin acea prob.

Detectorii folosii convertesc radiaia luminoas transmis prin substana absorbant n curent electric, care apoi este amplificat i nregistrat; el fie poate fi citit direct pe un instrument de msur a crui scal se gradeaz n uniti spectrofotometrice (E, T), fie, n cazul existenei unei interfee ntre spectrofotometrul propriu-zis i un computer, se afieaz direct spectrul (de transmisie sau de absorbie) pe ecranul monitorului computerului.

La spectrofotometrele moderne, circuite electronice complexe preiau semnalele de la detectorii 1 i 2 i furnizeaz direct mrimile spectrale presetate (transmitan, absorban i, asemntor, pot furniza i reflectana acelei substane analizate).

Fig.5 Schem de principiu a unui spectrofotometru cu reea de difracie

Panoul frontal al unui spectrofotometru de tip didactic (vezi fig. 6) conine: 1.ntreruptor al fluxului optic (obturator); 2.dispozitiv pentru fixarea cuvelor; 3.butonul monocromatorului (msurat n nm); 4.instrument de msur cu dou scale: extincia pe scala superioar; transmisia pe cea superioar; 5.butonul pentru aducerea la zero (obturatorul nchis i transmisia zero); 6.butonul pentru reglarea extinciei zero (n cazul solventului)

Fig. 6 Panou frontal spectrofotometru didactic

3. Modul de lucru

Lucrarea are drept scop trasarea unei curbe de etalonare a aparatului E = E(c) folosind un set de soluii cu concentraii cunoscute i determinarea cu ajutorul acestei curbe a concentraiei necunoscute a unor soluii.

Se va trasa mai nti spectrul unei cuve goale, apoi spectrul solventului i apoi, pe rnd, spectrele soluiilor etalon i a soluiilor de concentraii necunoscute

Pentru trasarea spectrului de absorbie al unei substane:-se verific dac obturatorul (1) este n poziia "0"; - se alimenteaz aparatul de la reea (ntreruptorul blocului de alimentare) i se las 5 minute pentru nclzirea sursei spectrale i a montajului electronic;

cu obturatorul nchis, se aduce cu ajutorul butonului (5) acul indicator la diviziunea "0" a scalei pentru transmisie;

- se pune lichidul n cuv i cuva se aeaz cu feele transparente paralele cu fereastra prin care iese radiaia monocromatic din monocromator

Atenie: La manipulrile cuvelor se vor atinge numai feele laterale, mate ale acestora, pentru a nu murdri suprafeele active, adic acelea prin care trec radiaiile electromagnetice.

- pentru fiecare prob n parte se modific lungimea de und a radiaiei provenite de la monocromator din 20 n 20 nm sau mai rar, prin rotirea butonului (3), i se citete pe ecranul microampermetrului intensitatea curentului electric n care a fost convertit intensitatea radiaiei electromagnetice transmis prin prob.- pentru fiecare lungime de und n parte, se calculeaz extincia solventului, respectiv extincia fiecrei soluii, folosind relaia (8), adic: , unde I0 este intensitatea curentului electric pentru o lungime de und dat corespunztoare cuvei goale, iar It este intensitatea curentului electric pentru aceeai lungime de und dat corespunztoare cuvei umplute cu un lichid.

- datele experimentale se trec n tabelul 2.

- se reprezint grafic variaia extinciei E a fiecrui lichid (solvent+soluii) n funcie de lungimile de und alese.

- Se vor folosi cel puin 3 soluii etalon i o soluie de concentraie necunoscut (fie soluii apoase de sulfat de cupru, CuSO4, fie soluii apoase de bicromat de potasiu, K2Cr2O7 ).

- toate curbele de extincie ale solventului i ale soluiilor de aceeai natur se vor trasa pe aceeai hrtie milimetric (format A4);

- pentru efectuarea analizei cantitative, se vor alege cel puin 3 lungimi de und pentru care se vor citi din tabel extinciile corespunztoare fiecrei soluii etalon i soluiilor cu concentraie necunoscut;

- se traseaz pe alt hrtie milimetric (A5), pentru fiecare lungime de und dat, cu o anumit culoare aleas, graficul dependenei dintre extinciile citite la soluiile etalon la acea lungime de und i concentraiile acestor soluii;

- notnd pe axa extinciilor, valoarea acesteia i pentru fiecare dintre soluiile de concentraie necunoscut, se va intersecta, de la acea extincie, orizontal graficul de etalonare, iar din punctul de intersecie se va cobor pe axa concentraiilor, unde se va citi concentraia acelei soluii (vezi exemplul din Fig. 7)

Tabel 2

Studierea spectrelor de absorbie ale unor soluii

((nm)I0((A)c1 =c2 =c3 =c4 =c1x =c2x =

I1((A)E1I2((A)E2I3((A)E3I4((A)E4I1x((A)E1xI2x((A)E2x

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

520

540

560

580

600

620

640

660

680

700

720

740

760

780

800

820

840

860

880

900

PAGE 4

_1327243649.unknown

_1327256230.unknown

_1327260631.unknown

_1327260641.unknown

_1327264382.unknown

_1327260437.unknown

_1327260559.unknown

_1327260407.unknown

_1327243687.unknown

_1327256149.unknown

_1327243659.unknown

_1256554034.unknown

_1265208525.unknown

_1265208636.unknown

_1256630486.unknown

_1256632049.unknown

_1256554043.unknown

_1256553959.unknown

_1256553998.unknown

_1256549426.unknown