Analiza Instrumentalna

2012/2013

Dr hab. Bożena Tyrakowska, prof. nadzw. UEP
Dr. hab. Ewa Sikorska, prof. nadzw. UEP

Literatura (podstawowa)

1. W. Szczepaniak: Metody instrumentalne w analizie chemicznej.

PWN, Warszawa 2002, 2005, 2008.

2. A. Koziołowa: Analiza instrumentalna. Wybrane metody optyczne.

Skrypty do wykładów i ćwiczeń. Poznań 1993-1999.

3. A. Cygański: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej. WNT,

Warszawa 2002.

4. A. Gliszczyńska, K. Melski, P. Szafer, M.M. Szafran: Wybrane

metody instrumentalne. AE w Poznaniu, Pomocnicze materiały
dydaktyczne Nr 72, Poznań 1995.

5. Z. Witkiewicz: Podstawy chromatografii. WNT, Warszawa 2000,

2005.

6. D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, S.R. Crouch: Podstawy chemii

analitycznej, 2. Przekład pod red A. Hulanicki, PWN, W-wa 2006

Charakterystyka przedmiotu

Celem wykładu jest:
• zapoznanie studentów z powszechnie

stosowanymi metodami instrumentalnymi,
aparaturą, metodyką pomiarów i
zastosowaniem metod,

• kształtowanie umiejętności zastosowania

poszczególnych metod w ocenie jakości i
bezpieczeństwa surowców i wyrobów

.

• Wstęp do metod spektroskopowych.

Spektrofotometria UV VIS - ilościowe
metody absorpcjometryczne

• Spektrofotometria w podczerwieni (IR)
• Fluorymetria
• Nefelometria i turbidymetria
• Spektrometria atomowa.
• Chromatografia gazowa (GC)
• Wysokosprawna chromatografia

cieczowa (HPLC)

• Pomiar barwy
• Refraktometria
• Polarymetria

Program wykładów

Analiza Instrumentalna.Wstęp

Literatura (metody spektroskopowe)

:

1.

W. Szczepaniak: Metody instrumentalne w analizie chemicznej. PWN,
Warszawa 2002, 2005, 2008

2.

A. Koziołowa: Analiza instrumentalna. Wybrane metody optyczne.
Skrypt do wykładów. AE, Poznań 1999.

3.

Z. Kęcki: Podstawy spektroskopii molekularnej. PWN, Warszawa 1998.

4.

A. Cygański: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej. WNT,
Warszawa 2002.

Wstęp do metod optycznych

(spektroskopowych)

• Klasyfikacja metod instrumentalnych
• Wstęp do metod spektroskopowych:

- promieniowanie EM, jednostki i ich wzajemne zależności,
- rejony absorpcji promieniowania EM.
- nieabsorpcyjne i absorpcyjne oddziaływanie światła z materią,
- absorpcja i emisja promieniowania,
- energia cząsteczek, poziomy energetyczne,

przejścia elektronowe, oscylacyjne, rotacyjne, widma absorpcji,

- powstawanie i parametry pasm spektroskopowych (absorpcji),

Plan wykładu:

Klasyfikacja metod analitycznych

• klasyczne –

opierają się na reakcjach chemicznych

• instrumentalne –

opierają się na charakterystycznej dla

badanej substancji właściwości fizycznej/fizykochemicznej

analiza jakościowa - CO?- identyfikacja-

na podstawie określonej

liczbowo właściwości fizykochemicznej

analiza ilościowa – ILE?- stężenie –

na podstawie zależności pomiędzy

mierzoną właściwością fiz-chem.
a stężeniem oznaczanej substancji

Właściwości fizyko-chemiczne wykorzystane w metodach instrumentalnych

Charakterystyczne właściwości

Metody instrumentalne

absorpcja promieniowania

spektrofotometria i fotometria
(rentgenowska, UV, VIS, IR); jądrowy
rezonans magnetyczny (NMR); elektronowy
rezonans magnetyczny (EPR) \

emisja promieniowania

spektroskopia emisyjna (rentgenowska, UV,
VIS); fluorescencja, fosforescencja

rozproszenie promieniowania

turbidymetria; nefelometria; spektroskopia
Ramana

załamanie promieniowania

refraktometria; interferometria

ugięcie promieniowania

spektrometria rentgenowska

skręcenie promieniowania

polarymetria

potencjał elektryczny

potencjometria

prąd elektryczny

polarografia

opór elektryczny

konduktometria

stosunek masy do ładunku

spektrometria masowa

szybkość reakcji

metody kinetyczne

Rodzaje metod instrumentalnych

•

METODY OPTYCZNE (spektroskopowe)

•

METODY ELEKTROCHEMICZNE

•

METODY CHROMATOGRAFICZNE

•

METODY INNE: np.:

SPEKTROMETRIA MAS

METODY TERMOANALITYCZNE
METODY RADIOIZOTOPOWE

Klasyfikacja metod instrumentalnych

Metody optyczne

= spektroskopowe

Metody oparte na oddziaływaniu promieniowania

elektromagnetycznego z materią

Zachodzi wymiana (zmiana)
energii promieniowania

- zmienia się zarówno energia substancji

jak i energia promieniowania EM

Nie zachodzą zmiany energii
promieniowania EM, a jedynie
zmiany kierunku

Metody:

- większość pomiarów analitycznych

szczególnie związane z
absorpcją i emisją

Metody:

- refraktometria,
- interferometria,
- mikroskopia optyczna,
- polarymetria,
- nefelometria

Częstość -

(częstotliwość) -

ν

(cykle/sek), np. w Hz (1 Hz = s

-

dla VIS

ν

≈ 10

14

Hz

Liczba falowa

- (ilość pełnych drgań/jedn.długości),

np. na 1 cm

dla VIS -

≈ 20,000 cm

-1

Długość fali -

λ

(jedn.długości)

dla VIS

λ ≈ 5x10

-5

m = 500 nm

U w a g a : długość fali nie jest

proporcjonalna do energii

Jednostki promieniowania EM

( )

ν

liczbą falową

:

prędkością światła w

próżni (C - w cm/sek) i

częstością :

ν

C

λ

=

( )

ν

;

ν

1

λ

=

Związek długość fali (

λ) z:

Energię promieniowania

można przeliczyć również na inne jednostki energii, np. cal, J i in.

λ

C

ν

=

λ

1

ν

=

Inny sposób opisu promieniowania elektromagnetycznego:

promieniowanie EM jako strumień cząstek – fotonów.

Fotony niosą ze sob

ą

ściśle określoną energię, którą wyraża

równanie Plancka:

E = h

ν = h· c/λ = hνc

E – energia promieniowania

h – stała Plancka (energia razy czas), h = 6,626·10

–34

J· s

ν - liczba falowa [cm

–1

]

Równanie Plancka łączy falową i korpuskularną naturę promieniowania
elektromagnetycznego poprzez określenie cechy korpuskularnej, którą jest energia
fotonu, za pomocą cechy falowej, którą jest częstość

ν, liczba falowa

i długość fali

λ.

λ

C

ν

=

( )

ν

Rejony promieniowania EM

Warunek : interakcja pola elektrycznego lub magnetycznego promieniowania
polem elektrycznym lub magnetycznym cząstek.

Oddziaływanie wynika z rayleighowskiego (Rayleigh) rozpraszania światła
pojawienia się indukowanego momentu dipolowego (

μ

ind

):

μ

ind

=

αE

indukowany dipol drga z częstością

padającego promieniowania

Jeśli częstość prom. nie odpowieda poziomom energetycznym cząsteczki nie
zachodzą zmiany energii promieniowania dipol staje się natychmiast (10

-

15

s) źródłem promieniowania wtórnego, we wszystkich kierunkach, o częstości =

padającego promieniowania

Promieniowanie wtórne – podstawą zjawisk: załamanie, odbicie, rozproszenie

Oddziaływanie promieniowania EM z materią

•

nieabsorpcyjne – uniwersalne, sprężyste

•

absorpcyjne – selektywne

Oddziaływanie nieabsorpcyjne

Oddziaływanie absorpcyjne (selektywne)

Wynika z pochłonięcia energii promieniowania
odpowiadającej energii skwantowanych poziomów energetycznych
(o ściśle określonej energii) w poszczególnych systemach
elementarnych (jądro, atom, cząsteczka).

Poziomy energetyczne

Energie elektronów przyjmują jedynie określone wartości tzn. nie mogą się zmieniać
w sposób ciągły. (np..energia piłki).

Atom posiada szereg poziomów energetycznych. Stan o najniższej energii – stan
podstawowy (E

0

),

pozostałe są stanami wzbudzonymi

Rys. Rozkład poziomów energetycznych w atomie

Atom może znaleźć się w stanie wzbudzonym (np. E

1

,E

2

) pobierając (absorbując)

energię

(tylko określonymi porcjami = kwantami).

Powrót do stanu podstawowego – emisja

kwantu prom.EM.

E

0

E

1

E

2

E

3

absorpcja

emisja

Na całkowitą energię cząsteczki składają się energie związane z

różnymi rodzajami ruchu:

• Energia translacji

przemieszczenie molekuł w przestrzeni

• Energia rotacji

wirowanie/obrót molekuły wokół własnej osi
(model mechaniczny: wirujący bąk)

• Energia oscylacji

drgania atomów wokół położenia równowagi (drganie
kulek połączonych sprężynami)

• Energia elektronowa

związana z położeniem elektronów, rodzajem
utworzonych wiązań i odl. pomiędzy jadrami atomów w

cząsteczce

E = E rot + E osc + E el

E el

> > E osc > > E rot

Formy energii cząsteczek

Układy makroskopowe zmieniają swoją energię w sposób ciągły

W mikroświecie energia jest skwantowana

Wszystkie formy energii cząsteczek przyjmują określone wartości –
są skwantowane - cząsteczka może znajdować się na ściśle
określonym poziomie energetycznym

energia cząsteczki zmienia się skokowo

pobieranie/oddawanie E odbywa się porcjami = kwantami

Tylko kwanty energii charakterystyczne dla danej cząsteczki mogą
zostać przez nią pochłonięte (absorbowane).

Kwanty

< lub > w ogóle nie są pochłaniane

Poziomy energetyczne cząsteczek

Kwantowanie energii istnienie dozwolonych poziomów energetycznych
Cząsteczka/atom może się znajdować tylko na określonym, charakterystycznym
dla niej poziomie energetycznym (Rys.)

v

0

v

1

v

3

v

2

E

1

v

0

v

1

v

3

v

2

E

0

a

b c

en

er

gi

a

ΔΕ

1

Pochłanianie (absorpcja) energii
przejście na wyższe poziomy energet.
= wzbudzenie cząsteczki

Cząsteczka nie może znaleźć się w stanie
odp. wartości energii między poziomami

Odpowiednio do pochłoniętej energii
obserwujemy przejścia (rys):

• rotacyjne (c)
• oscylacyjno-rotacyjne (b)
• elektronowe (a)

Rys. Diagram poziomów elektronowych,
oscylacyjnych i rotacyjnych w cząsteczce i
odpowiadające im przejścia

Efektem są widma (wykresy zmian A):

• rotacyjne (zakres mikrofal),

• oscylacyjno-rotacyjne (podczerwień=IR)

• elektronowe (UV VIS, NIR)

Oddziaływanie absorpcyjne

(selektywne)

Wynika z pochłonięcia energii promieniowania odpowiadającej
energii skwantowanych poziomów energetycznych w poszczególnych
systemach elementarnych (atomy, czasteczki).

Ogólne warunki absorpcji:

-

interakcja pola elektrycznego lub magnetycznego promieniowania z polem

elektrycznym lub magnetycznym cząstek.

- kwant padającego promieniowania (h

ν) musi odpowiadać różnicy

poziomów energetycznych (

ΔE) atomu lub cząsteczki.

X + h

ν

X*

absorpcja energii

gdzie: h

ν

= E

k

– E

p

-------------------------- Ek

↑

Ek - Ep =

ΔE = h

ν

↓

--------------------------- Ep

X – atom, cząsteczka w stanie podstawowym, X* - w stanie wzbudzonym

Skala czasowa oddziaływania:

absorpcja energii: X + h

ν →X* - ok. 10

-15

s

•

degradacja energii

- w zderzeniach: X* → X + ciepło – ok. 10

-12

sek

- na drodze promienistej – emisja: X

*

→ X + h

ν - ok. 10

-9

sek

X – atom, cząsteczka w stanie podstawowym, X* - w stanie wzbudzonym

Metody spektroskopowe opierają się na absorpcji lub emisji kwantów energii
dokładnie odpowiadających

ΔE między dwoma poziomami energetycznymi

niższym i wyższym

cząsteczka ze zbioru fotonów na nią padających, o różnych

częstościach (

ν

n

) może zaabsorbować tylko określone fotony np.

ν

1

,

ν

2

,

ν

3

,

inne fotony nie są przez cząsteczkę pochłonięte

Teoretyczny zapis widma

Abs

ν

Powstawanie i kształt pasm spektroskopowych

0

1

2

3

ν

1

ν

2

ν

3

E

ν

1

,

ν

2

,

ν

3

ν

4

...

ν

n

ν

1

ν

2

ν

3

E = h

ν

Kształt pasm spektroskopowych

ABS

tło

ν

3

ν

2

ν

1

Widmo teoretyczne

Widmo uzyskiwane

Rozmywanie linii w krzywe dzwonowe jest nieodłączną cechą
oddziaływania promieniowania EM z materią.

Wynika z:

¾Zasady nieoznaczoności Heisenberga,

¾Efektu Dopplera

szerokość połówkowa- szerokość pasma absorpcji w połowie
jego wysokości

Parametry pasm spektralnych

I

tło

ν

ο

Δν

1/2

I

o

ν

1

ν

2

ν

I

∞

I = f(

ν

)

lub

I = f(

λ)

Częstotliwość

(l

falowa, dł fali) - częstotliwość osi symetrii konturu-

charakteryzuje położenie pasma względem innych w widmie; określa wielkość
kwantu energii (h

ν) potrzebnej do przejścia z jednego poziomu na drugi

−

0

0

0

,

,

λ

ν

ν

intensywność w maksimum - wysokość konturu - proporcjonalna do
liczby cząstek przeniesionych z niższego o na wyższy poziom energetyczny.

2

/

1

2

/

1

2

/

1

2

/

1

,

,

,

ν

λ

ν

ν

Δ

Io/C

intensywność molowa (Io/C =

ε

, gdzie C - stężenie próby,

ε

- absorpcyjność

molowa); uniezależnia wysokość pasma od stężenia próby (pozwala porównywać pasma).

I

0

Kontur pasma odpowiadający danemu
przejściu jest symetryczną krzywą
dzwonową, którą opisuje funkcja:

liczbą falową

:

prędkością światła w

próżni (C - w cm/sek) i

częstością :

ν

C

λ

=

( )

ν

;

ν

1

λ

=

Związek długość fali (

λ) z:

E = h

ν = h· c/λ = hνc

energią fotonu

ZAGADNIENIA EGZAMINACYJNE

WSTĘP DO METOD INSTRUMENTALNYCH

1. Klasyfikacja metod instrumentalnych..
2. Natura promieniowania elektromagnetycznego.
3. Absorpcyjne i nieabsorpcyjne oddziaływanie światła
z materią.
4. Absorpcja i emisja promieniowania.
5. Powstawanie i parametry pasm spektroskopowych
(pasm absorpcji).

Literatura (spis szczegółowy)

OPRACOWANIA OGÓLNE

1. W. Szczepaniak: Metody instrumentalne w analizie chemicznej. PWN,

Warszawa 2002, 2005, 2008.

2. A. Koziołowa: Analiza instrumentalna. Wybrane metody optyczne.

Skrypty do wykładów i ćwiczeń. Poznań 1993-1999.

3. D.A. Skoog, F.J. Holler, T.A. Nieman: Principles of Instrumental

Analysis. Saunders College Publishers, Philadelphia 1998, 2006.

4. H.H. Willard, L.L. Merritt Jr., J.A. Dean, F.A. Settle: Instrumental

Methods of Analysis. Wadsworth Publishing Company, Belmont,
California 1999.

METODY SPEKTROSKOPOWE

1. Z. Kęcki: Podstawy spektroskopii molekularnej. PWN, Warszawa 1998.
2. R.M. Silverstein, G.C. Bassler: Spektroskopowe metody identyfikacji

związków organicznych. PWN, Warszawa 1970 i nowsze wydania.

3. A. Cygański: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej. WNT,

Warszawa 2002.

4. Praca zbiorowa pod red. W. Zieliński: Metody spektroskopowe i ich

zastosowanie do identyfikacji związków organicznych. WNT, Warszawa
2000.

SPEKTROMETRIA MASOWA

1. R.A.W. Johnstone, M.E. Rose: Spektrometria mas. Podręcznik dla

chemików i biochemików. PWN, 2001.

FOTOMETRIA I KOLORYMETRIA

1. A. Gliszczyńska, K. Melski, P. Szafer, M.M. Szafran: Wybrane metody

instrumentalne. AE w Poznaniu, Pomocnicze materiały dydaktyczne Nr 72,
Poznań 1995.

METODY ELEKTROCHEMICZNE

1. A. Cygański: Podstawy metod elektroanalitycznych. WNT, Warszawa 1999.
2. A. Kisza: Elektrochemia Tom I – Jonika. WNT, 2000.
3. A. Kisza: Elektrochemia Tom II – Elektrodyka. WNT, 2001.

CHROMATOGRAFIA

1. Z. Witkiewicz: Podstawy chromatografii. WNT, Warszawa 2000,2005.
2. Z. Witkiewicz, J. Hetper: Chromatografia gazowa. WNT, Warszawa 2001.
3. R. Rosset: Współczesna chromatografia cieczowa. Ćwiczenia i zadania.

PWN 2003.