Spektrofotometryczna metoda oznaczania chromianów w wodzie

Kalina Gardziała i Patrycja Królikowska, gr. I

Spektrofotometria jest techniką instrumentalną, w której do celów analitycznych wykorzystuje się przejścia energetyczne zachodzące w cząsteczkach, spowodowane absorpcją promieniowania elektromagnetycznego w zakresie nadfioletu, widzialnym lub bliskiej podczerwieni.

Dzieli się na :

- spektrofotometrię absorpcyjną- jest związana ze zwiększaniem energii układu w wyniku pochłaniania energii

- spektrofotometrię emisyjną- jest działaniem metod, gdzie wykorzystuje się zjawisko zmniejszania energii układu w wyniku emitowania promieniowania.

Metody absorbcyjne dzieli się w zależności od długości fali promieniowania elektromagnetycznego:

- UV < 380 μm,

- Vis 380 μm - 780 μm,

- IR > 780 μm

Promieniowanie elektromagnetyczne zachodzi wskutek okresowych zmian pola elektromagnetycznego rozchodzących się w przestrzeni ze skończoną prędkością i związanych z przenoszeniem energii.

W analizie nieorganicznej zastosowanie znajduje głównie spektrofotometria UV-Vis. Absorpcja promieniowania UV-Vis jest związana z przejściem elektronów walencyjnych na wolny orbital o wyższej energii. Metodą spektrofotometrii UV-Vis można oznaczać substancje organiczne i nieorganiczne wykazujące absorpcję w nadfiolecie, związki absorbujące promieniowanie w zakresie widzialnym, w tym barwne związki organiczne, tzw. barwniki i barwne sole metali (np. KMnO4, CuSO4) oraz substancje, których formy absorbujące promieniowanie uzyskuje się na drodze reakcji chemicznych. Najczęściej do tych celów wykorzystuje się reakcje kompleksowania.

Promieniowanie elektromagnetyczne, przechodząc przez roztwór, może ulegać: absorpcji, odbiciu i rozproszeniu. Natężenie wiązki padającej wyraża się wzorem:

Io= Ia+ Ik+ Ir , gdzie:

Ia- natężenie promieniowania zaabsorbowanego przez roztwór,

Ik- natężenie promieniowania przechodzącego przez roztwór,

Ir-natężenie promieniowania rozproszonego.

Prawa Absorbcji

W celu wykorzystania zjawiska absorpcji promieniowania w analizie chemicznej trzeba poznać zależności pomiędzy stężeniem substancji w roztworze oraz grubością warstwy roztwory badanej substancji a ilością promieniowania zaabsorbowanego przez ten roztwór.

Zmiany energii (ΔE) są związane z częstością drgań lub długością fali promieniowania

ΔE = hv = c/ λ h - stała Plancka

h = 6,626 * 10 J * s

v - częstość drgań

c - prędkość światła

λ - dł. fali

I prawo Lamberta

Jeżeli wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący to jej natężenie jest wprost proporcjonalne do natężenia światła padającego na roztwór.

Stosunek natężenia promieniowania przechodzącego przez próbkę Ik do natężenia promieniowania padającego na próbkę Io nazywamy transmitancją T lub przepuszczalnością:

Ik- natężenie światła przechodzącego przez roztwór

Io- natężenie światła padającego na roztwór

II prawo Lamberta

Jeśli promienie monochromatyczne Io padają na warstwę absorbującą o gr.I złożoną z nieskończenie małych warstw dl, z których każda zmniejsza natężenie padającego promieniowania o dl to względne zmniejszenie natężenia d jest proporcjonalne do grubości warstwy absorbującej.

, gdzie:

k - współczynnik proporcjonalności

A - absorbancja

Prawo absorpcji Lamberta-Beera

Absorbancja A wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącego przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej l.

Współczynnik absorpcji rozpuszczalnika musi być równy 0.

Do spełnienia praw Lamberta-Beera konieczne jest użycie promieniowania monochromatycznego o konkretnej długości fali, które wyznacza się z widma absorpcji, są spełnione tylko dla roztworów rozcieńczonych.

Widmo absorpcji to graficzny obraz zmian absorbancji w zależności od długości fali absorbowanej przez analizowany roztwór. Maksymalną wartość absorbancji wyznacza długość światła monochromatycznego właściwego dla danego roztworu.

Czynniki, które mają wpływ na odchylenia od praw absorpcji dzieli się na:

- chemiczne: stężenie roztworu, reakcje chemiczne zmieniające stężenie roztworu (dysocjacja, asocjacja, solwatacja), pH roztworu;

- aparaturowe: brak monochromatyczności, rozproszone promieniowanie.

Prawa absorpcji spełnione są dla roztworów rozcieńczonych. Czynniki chemiczne powodujące odchylenia od praw absorpcji są związane z rekcjami, które zmniejszają stężenie roztworu (dysocjacja, solwatacja, asocjacja).

Istotny wpływ na przebieg tych reakcji ma pH roztworu.

Źródła promieniowania UV-Vis :

- Lampy deuterowe (180-300 nm)

- Lampy wolframowo - halogenowe (>300 nm)

- Wysokociśnieniowe łukowe lampy ksenonowe (180-800 nm)

Detekcja promieniowania :

1). fotokomórki (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne)

2). fotopowielacze (zjawisko wtórnej emisji elektronów)

3). fotodiody (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne)

1).Elementy budowy fotokomórek :

- warstwa przewodzącego metalu

- warstwa półprzewodząca

-warstwa absorpcyjna

Zasady działania fotokomórki :

Energia dostarczona przez fotony wyzwala elektrony z fotoczułej katody. Uwolniony elektrony są przyspieszone w polu elektrycznym, miedzy katodą a anodą wywołując prąd elektryczny w obwodzie zewnętrznym.

2). Elementy budowy fotopowielaczy :

- fotokatody

- układ elektrod

- anody

Zasady działania fotopowielaczy:

Foton padający na fotokatodę wybija z niej elektrony, te trafiają na dynodę wywołują wtórną emisję elektronów, przy czym każdy elektron wybija kilka nowych. Ten proces powtarza się na kolejnych dynodach powodując wielokrotne wzmocnienie fotoprądu.

3). Elementy budowy fotodiod :

- zbudowane z materiałów półprzewodnikowych

Zasady działania fotodiod:

Pod wpływem absorpcji fotonów występuje wzbudzenie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Monochromatory :

Mają za zadanie wybrać, z emitowanego przez źródło ciągłego promieniowania wąskie pasmo o żądanej długości fali i przepuścić je przez komórkę z badaną substancją.

Składają się z :

1) szczeliny wejściowej

2) kolimatora

3) elementu rozpraszającego promieniowanie

4) szczeliny wyjściowej

Cechy charakteryzujące spektrofotometry UV-Vis :

- zakres spektralny

- spektralna rozdzielczość

- szerokość spektralna wiązki

- dokładność skali absorbancji

- dokładność odczytu absorbancji

- procentowa zawartość światła rozproszonego

Krzywa wzorcowa to przedstawiona graficznie zależność absorbancji do stężenia substancji wzorcowej. Metoda krzywej wzorcowej jest stosowana do wykonywania ilościowych oznaczeń spektrofotometrycznych. Wykonanie wykresu umożliwia bezpośredni odczyt szukanych stężeń na podstawie zmierzonych wartości absorbancji oznaczanych próbek. Prostoliniowy przebieg tej zależności w badanym zakresie świadczy o spełnieniu przez układ praw Lamberta-Beera.

W celu wykreślenia krzywej wzorcowej należy przygotować 5-6 roztworów wzorcowych o coraz większych o ok. 30% stężeniach tak, aby obejmowały swym zakresem stężenia oznaczanych roztworów.

Roztworami wzorcowymi są roztwory o znanych stężeniach. W metodach spektrofotometrycznych służą do przygotowania krzywej wzorcowej.

Przykładowa krzywa wzorcowa :

---