Jan Drzymała

ANALIZA INSTRUMENTALNA

SPEKTROSKOPIA W ŚWIETLE WIDZIALNYM I PODCZERWONYM

Światło słoneczne jest mieszaniną fal o różnej długości i różnego natężenia. Tylko część promieniowania elektromagnetycznego jest widoczna dla człowieka, co pokazano na rys. l. Na rysunku tym pokazano podział promieniowania elektromagnetycznego na różne zakresy w zależności od jego energii.

Fale radiowe	mikrofale	podczerwień	•	nadfiolet	rentgenowskie	γ
ν, Hz	3•10^10 3•10^11	3•10^123•10^133•10^14	3•10^15	3•10^16	3•10^173•10^18
ν*, cm^-1	1 10	10^2 10^3 10^4	10^5	10^6	10^710^8
λ, cm	1 10^-1	10^-210^-310^-4	10^-5	10^-6	10^-710^-8
ε, J	2•10^-23 2•10^-22	2•10^-212•10^-202•10^-19	2•10^-18	2•10^-17	2•10^-162•10^-15

• oznacza promieniowanie widzialne

Rys. l. Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Promieniowanie elektromagnetyczne oddziaływuje z materią a oddziaływanie to zależy zarówno od właściwości promieniowania jak i materii. Pochłanianie promieniowania przez materię powoduje zmiany energii rotacji, oscylacji oraz stanów elektronów w atomach, drobinach (zespołach atomów) i cząsteczkach.

Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią w zakresie widzialnym może spowodować pojawienie się barwy. Barwa jest wynikiem pochłaniania (absorpcji) części promieniowania świetlnego o pewnej długości fali. W przypadku związków metali przejściowych np. barwa wynika z przejścia elektronów między różnymi stanami energetycznymi orbitali 3d i 4f. Istnieją pewne reguły wiążące barwę przedmiotu z rodzajem pochłanianego promieniowania. Substancje zawierające cząsteczki pochłaniające światło czerwone odbijają promieniowanie o pozostałych długościach fali obecne w świetle białym (słonecznym). W świetle odbitym dominują wówczas promieniowanie niebieskie i zielone decydujące o barwie substancji obserwowanej przez zmysł wzroku. Substancje pochłaniające promieniowanie niebieskie i zielone odbijają promieniowanie żółte oraz czerwone i wydają się dla oka pomarańczowe.

Absorpcja światła podczerwonego powoduje zmiany oscylacji atomów wewnątrz drobin bądź też ruchu obrotowego lub przemieszczania całych drobin. Pochłanianie promieniowania nadfioletowego powoduje wyrywanie elektronów z zewnętrznych orbitali. Zmiany powodowane promieniowaniem podczerwonym i ultrafioletowym nie dają się zaobserwować za pomocą wzroku. Do tego służą spektrofotometry. Pochłonięcie promieniowania, które posiada częstość v oznacza, że cząsteczki obecne w próbce pochłaniają kwant energii hv, a zatem przechodzą od energii E' do energii E" co opisuje równanie l.

E^'' - E^' = hν (l)

Zamiast częstości v wyrażonej w s^-1 częściej posługujemy się wielkością od niej proporcjonalną zwaną liczbą falową v*, która stanowi odwrotność długości fali użytego promieniowania.

v* = l/λ.=ν/c

gdzie v* - liczba falowa, cm^-1

λ- długość fali, w jednostce długości

ν - częstość s^-1

c - prędkość światła, cm/s

Rejestrator w spektrofotometrze kreśli zwykle na osi rzędnych przepuszczalność (transmisję T , która jest stosunkiem natężenia promieniowania opuszczającego próbkę I od natężenia promieniowania padającego I_O, tzn. T = I/I_O jako funkcji liczby falowej promieniowania. Na rysunkach 2-6 pokazano widma pochłaniania promieniowania podczerwonego przez kwarc (SiO₂), kalcyt (CaC0₃), goslaryt (ZnS04), hematyt (Fe₂O₃), i kwas palmitylowy (C₁₅H₃₁COOH).

Na rysunkach 7-8 podano widma pochłaniania roztworów wodnych K₂Cr₂O₇ i NiSO₄ a na rys.9 widma w świetle widzialnym wodnych roztworów CuS0₄ o różnych stężeniach.

WYKONANIE ĆWICZENIA

l. Spektroskopia w podczerwieni. Analiza jakościowa substancji chemicznych.

Odważ w małym naczyńku wagowym dokładnie 0.0015g otrzymanej od prowadzącego ćwiczenia substancji. Dodaj do tego samego naczyńka 100 mg KBr. Zmieszaj dokładnie obie substancje za pomocą bagietki szklanej. Przesyp całość do moździerza agatowego i dokładnie utrzyj na proszek. Następnie przenieś uzyskaną mieszaninę do pastylkarki, umieść pastylkarkę w prasie hydraulicznej i sporządź pastylkę.

UWAGA:

Nie wolno przekroczyć ciśnienia wywieranego przez prasę hydrauliczną na pastylkarkę oznaczonego na manometrze na czerwono, gdyż prasa ulegnie zniszczeniu!

Pastylkę umieść w specjalnej ramce, którą wstaw do spektrofotometru Specord 71 IR. Sporządź widmo w podczerwieni w zakresie liczby falowej 4600 -700 cm^-1. Porównaj uzyskane widmo z widmami wzorcowymi pokazanymi na rys. 2-6. Podaj nazwę mineralogiczną i wzór chemiczny analizowanej substancji. W jakim zakresie fal zachodziła absorpcja?

2. Spektroskopia w zakresie widzialnym a) analiza jakościowa w zakresie widzialnym

Pobierz od prowadzącego ćwiczenia roztwór wodny nieznanej substancji. Wlej do kuwety szklanej 1cm³ roztworu i sporządź widmo za pomocą spektrofotometru SPECORD UV VIS. Porównaj uzyskane widmo ze spektrami roztworów wodnych substancji wzorcowych. Podaj wzór chemiczny badanej substancji. W jakim zakresie fal badana substancja pochłania promieniowanie? W oparciu o tabelę l podaj jak można objaśnić barwę badanego roztworu?

Tabela l Długości fal świetlnych w obrębie widzialnych części widma

Barwa	długość fali [nm]
fiołkowa	397-424
błękitna niebieska	424-455 • 455-492
zielona	492-575
żółta	575-589
pomarańczowa czerwona	589-647 647-723

b) analiza ilościowa roztworów siarczanu miedzi

Za pomocą SPECORDU UV Vis sporządź widmo w zakresie widzialnym otrzymanego do analizy roztworu CuS0₄. Uzyskane widmo powinno być jakościowo identyczne z widmami pokazanymi na rys. 9 lecz różniące się jedynie intensywnością pasm pochłaniania („wysokością pików”). Sporządź krzywą kalibracyjną dla widm wzorcowych roztworu CuS0₄ kreśląc zależność :

wysokość pasma pochłaniania przy cm^-l względem stężenia siarczanu miedzi w skali logarytmicznej. Jakie było stężenie badanego roztworu CuS0₄

Zwróć uwagę na to, aby widma i wykresy miały dokładnie opisane osie tzn. miały podaną nazwę wielkości i ich wymiar. Każdy rysunek powinien także posiadać numeru i tytuł.

30 28 26 24 22 20 18 16 14 x 100cm^-1

Liczba falowa

Rys. 7

---